ગ્રાફીનનો ઉપયોગ શું છે? બે એપ્લિકેશન કેસ તમને ગ્રાફીનના ઉપયોગની સંભાવનાને સમજવા દે છે

૨૦૧૦ માં, ગેઇમ અને નોવોસેલોવને ગ્રાફીન પરના તેમના કાર્ય માટે ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર મળ્યો. આ પુરસ્કારે ઘણા લોકો પર ઊંડી છાપ છોડી છે. છેવટે, દરેક નોબેલ પુરસ્કાર પ્રાયોગિક સાધન એડહેસિવ ટેપ જેટલું સામાન્ય નથી, અને દરેક સંશોધન પદાર્થ "દ્વિ-પરિમાણીય સ્ફટિક" ગ્રાફીન જેટલું જાદુઈ અને સમજવામાં સરળ નથી. ૨૦૦૪ માં બનાવેલ કાર્ય ૨૦૧૦ માં એનાયત થઈ શકે છે, જે તાજેતરના વર્ષોમાં નોબેલ પુરસ્કારના રેકોર્ડમાં દુર્લભ છે.

ગ્રાફીન એ એક પ્રકારનો પદાર્થ છે જેમાં કાર્બન પરમાણુઓના એક સ્તરનો સમાવેશ થાય છે જે બે-પરિમાણીય હનીકોમ્બ હેક્સાગોનલ જાળીમાં નજીકથી ગોઠવાયેલ છે. હીરા, ગ્રેફાઇટ, ફુલેરીન, કાર્બન નેનોટ્યુબ અને આકારહીન કાર્બનની જેમ, તે કાર્બન તત્વોથી બનેલો પદાર્થ (સરળ પદાર્થ) છે. નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, ફુલેરીન અને કાર્બન નેનોટ્યુબને ગ્રાફીનના એક સ્તરમાંથી કોઈક રીતે વળેલું જોઈ શકાય છે, જે ગ્રાફીનના ઘણા સ્તરો દ્વારા સ્ટેક થયેલ છે. વિવિધ કાર્બન સરળ પદાર્થો (ગ્રેફાઇટ, કાર્બન નેનોટ્યુબ અને ગ્રાફીન) ના ગુણધર્મોનું વર્ણન કરવા માટે ગ્રાફીનના ઉપયોગ પર સૈદ્ધાંતિક સંશોધન લગભગ 60 વર્ષ સુધી ચાલ્યું છે, પરંતુ સામાન્ય રીતે એવું માનવામાં આવે છે કે આવા દ્વિ-પરિમાણીય પદાર્થો એકલા સ્થિર રીતે અસ્તિત્વમાં રહેવા મુશ્કેલ છે, ફક્ત ત્રિ-પરિમાણીય સબસ્ટ્રેટ સપાટી અથવા ગ્રેફાઇટ જેવા પદાર્થોની અંદર જોડાયેલા છે. 2004 સુધી આન્દ્રે ગેમ અને તેમના વિદ્યાર્થી કોન્સ્ટેન્ટિન નોવોસેલોવે પ્રયોગો દ્વારા ગ્રેફાઇટમાંથી ગ્રાફીનનો એક સ્તર દૂર કર્યો ન હતો કે ગ્રાફીન પરના સંશોધનમાં નવો વિકાસ થયો.

ફુલરીન (ડાબે) અને કાર્બન નેનોટ્યુબ (મધ્યમ) બંનેને કોઈક રીતે ગ્રાફીનના એક સ્તર દ્વારા વળેલું માનવામાં આવે છે, જ્યારે ગ્રેફાઇટ (જમણે) વાન ડેર વાલ્સ બળના જોડાણ દ્વારા ગ્રાફીનના બહુવિધ સ્તરો દ્વારા સ્ટેક થયેલ છે.

આજકાલ, ગ્રાફીન ઘણી રીતે મેળવી શકાય છે, અને વિવિધ પદ્ધતિઓના પોતાના ફાયદા અને ગેરફાયદા છે. ગેઇમ અને નોવોસેલોવે સરળ રીતે ગ્રાફીન મેળવ્યું. સુપરમાર્કેટમાં ઉપલબ્ધ પારદર્શક ટેપનો ઉપયોગ કરીને, તેઓએ ઉચ્ચ-ક્રમના પાયરોલિટીક ગ્રેફાઇટના ટુકડામાંથી ગ્રાફીન, કાર્બન પરમાણુઓના માત્ર એક સ્તરની જાડાઈ ધરાવતી ગ્રેફાઇટ શીટ, કાઢી નાખી. આ અનુકૂળ છે, પરંતુ નિયંત્રણક્ષમતા એટલી સારી નથી, અને 100 માઇક્રોન (મિલિમીટરનો દસમો ભાગ) કરતા ઓછા કદનું ગ્રાફીન ફક્ત મેળવી શકાય છે, જેનો ઉપયોગ પ્રયોગો માટે થઈ શકે છે, પરંતુ વ્યવહારિક એપ્લિકેશનો માટે તેનો ઉપયોગ કરવો મુશ્કેલ છે. રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપ ધાતુની સપાટી પર દસ સેન્ટિમીટરના કદ સાથે ગ્રાફીન નમૂનાઓ ઉગાડી શકે છે. જોકે સુસંગત દિશા સાથેનો વિસ્તાર ફક્ત 100 માઇક્રોન [3,4] છે, તે કેટલાક એપ્લિકેશનોની ઉત્પાદન જરૂરિયાતો માટે યોગ્ય રહ્યો છે. બીજી સામાન્ય પદ્ધતિ એ છે કે સિલિકોન કાર્બાઇડ (SIC) સ્ફટિકને શૂન્યાવકાશમાં 1100 ℃ થી વધુ ગરમ કરો, જેથી સપાટીની નજીકના સિલિકોન પરમાણુ બાષ્પીભવન થાય, અને બાકીના કાર્બન પરમાણુ ફરીથી ગોઠવાય, જે સારા ગુણધર્મોવાળા ગ્રાફીન નમૂનાઓ પણ મેળવી શકે છે.

ગ્રાફીન એક નવી સામગ્રી છે જેમાં અનન્ય ગુણધર્મો છે: તેની વિદ્યુત વાહકતા તાંબા જેટલી જ ઉત્તમ છે, અને તેની થર્મલ વાહકતા કોઈપણ જાણીતા પદાર્થ કરતાં વધુ સારી છે. તે ખૂબ જ પારદર્શક છે. ઊભી ઘટના દૃશ્યમાન પ્રકાશનો માત્ર એક નાનો ભાગ (2.3%) ગ્રાફીન દ્વારા શોષાય છે, અને મોટાભાગનો પ્રકાશ તેમાંથી પસાર થશે. તે એટલું ગાઢ છે કે હિલીયમ અણુઓ (સૌથી નાના ગેસ અણુઓ) પણ તેમાંથી પસાર થઈ શકતા નથી. આ જાદુઈ ગુણધર્મો સીધા ગ્રેફાઇટમાંથી નહીં, પરંતુ ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાંથી વારસામાં મળે છે. તેના અનન્ય વિદ્યુત અને ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો નક્કી કરે છે કે તેની વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ છે.

જોકે ગ્રેફિનને ફક્ત દસ વર્ષથી ઓછા સમય થયો છે, તેણે ઘણી તકનીકી એપ્લિકેશનો દર્શાવી છે, જે ભૌતિકશાસ્ત્ર અને ભૌતિક વિજ્ઞાનના ક્ષેત્રોમાં ખૂબ જ દુર્લભ છે. સામાન્ય સામગ્રીને પ્રયોગશાળામાંથી વાસ્તવિક જીવનમાં ખસેડવામાં દસ વર્ષથી વધુ કે દાયકાઓ પણ લાગે છે. ગ્રેફિનનો ઉપયોગ શું છે? ચાલો બે ઉદાહરણો જોઈએ.

નરમ પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડ
ઘણા વિદ્યુત ઉપકરણોમાં, પારદર્શક વાહક પદાર્થોનો ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ઉપયોગ કરવાની જરૂર પડે છે. ઇલેક્ટ્રોનિક ઘડિયાળો, કેલ્ક્યુલેટર, ટેલિવિઝન, લિક્વિડ ક્રિસ્ટલ ડિસ્પ્લે, ટચ સ્ક્રીન, સોલાર પેનલ અને અન્ય ઘણા ઉપકરણો પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડનું અસ્તિત્વ છોડી શકતા નથી. પરંપરાગત પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડ ઇન્ડિયમ ટીન ઓક્સાઇડ (ITO) નો ઉપયોગ કરે છે. ઊંચી કિંમત અને ઇન્ડિયમના મર્યાદિત પુરવઠાને કારણે, સામગ્રી બરડ અને લવચીકતાનો અભાવ છે, અને ઇલેક્ટ્રોડને શૂન્યાવકાશના મધ્ય સ્તરમાં જમા કરવાની જરૂર છે, અને કિંમત પ્રમાણમાં ઊંચી છે. લાંબા સમયથી, વૈજ્ઞાનિકો તેનો વિકલ્પ શોધવાનો પ્રયાસ કરી રહ્યા છે. પારદર્શિતા, સારી વાહકતા અને સરળ તૈયારીની જરૂરિયાતો ઉપરાંત, જો સામગ્રીની લવચીકતા સારી હશે, તો તે "ઇલેક્ટ્રોનિક પેપર" અથવા અન્ય ફોલ્ડેબલ ડિસ્પ્લે ઉપકરણો બનાવવા માટે યોગ્ય રહેશે. તેથી, લવચીકતા પણ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ પાસું છે. ગ્રાફીન એક એવી સામગ્રી છે, જે પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડ માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે.

દક્ષિણ કોરિયાની સેમસંગ અને ચેંગજુનગુઆન યુનિવર્સિટીના સંશોધકોએ રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપ દ્વારા 30 ઇંચની કર્ણ લંબાઈ સાથે ગ્રાફીન મેળવ્યું અને તેને 188 માઇક્રોન જાડા પોલિઇથિલિન ટેરેફ્થાલેટ (PET) ફિલ્મમાં સ્થાનાંતરિત કરીને ગ્રાફીન આધારિત ટચ સ્ક્રીન [4] બનાવી. નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, કોપર ફોઇલ પર ઉગાડવામાં આવતા ગ્રાફીનને પહેલા થર્મલ સ્ટ્રિપિંગ ટેપ (વાદળી પારદર્શક ભાગ) સાથે જોડવામાં આવે છે, પછી કોપર ફોઇલને રાસાયણિક પદ્ધતિ દ્વારા ઓગાળવામાં આવે છે, અને અંતે ગ્રાફીનને ગરમ કરીને PET ફિલ્મમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે.

નવા ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન સાધનો
ગ્રાફીનમાં ખૂબ જ અનોખા ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો છે. જોકે અણુઓનો માત્ર એક જ સ્તર હોય છે, તે દૃશ્યમાન પ્રકાશથી ઇન્ફ્રારેડ સુધીની સમગ્ર તરંગલંબાઇ શ્રેણીમાં ઉત્સર્જિત પ્રકાશના 2.3% શોષી શકે છે. આ સંખ્યાને ગ્રાફીનના અન્ય ભૌતિક પરિમાણો સાથે કોઈ લેવાદેવા નથી અને તે ક્વોન્ટમ ઇલેક્ટ્રોડાયનેમિક્સ [6] દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. શોષિત પ્રકાશ વાહકો (ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો) ના ઉત્પાદન તરફ દોરી જશે. ગ્રાફીનમાં વાહકોનું ઉત્પાદન અને પરિવહન પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર કરતા ખૂબ જ અલગ છે. આ ગ્રાફીનને અલ્ટ્રાફાસ્ટ ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન સાધનો માટે ખૂબ જ યોગ્ય બનાવે છે. એવો અંદાજ છે કે આવા ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન સાધનો 500GHz ની આવર્તન પર કાર્ય કરી શકે છે. જો તેનો ઉપયોગ સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન માટે કરવામાં આવે છે, તો તે 500 અબજ શૂન્ય અથવા એક સેકન્ડમાં ટ્રાન્સમિટ કરી શકે છે, અને એક સેકન્ડમાં બે બ્લુ રે ડિસ્કની સામગ્રીનું ટ્રાન્સમિશન પૂર્ણ કરી શકે છે.

યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં IBM થોમસ જે. વોટસન રિસર્ચ સેન્ટરના નિષ્ણાતોએ ગ્રાફીનનો ઉપયોગ કરીને 10GHz ફ્રીક્વન્સી પર કામ કરી શકે તેવા ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ડિવાઇસનું ઉત્પાદન કર્યું છે [8]. સૌપ્રથમ, "ટેપ ટીયરિંગ મેથડ" દ્વારા 300 nm જાડા સિલિકાથી ઢંકાયેલા સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર ગ્રાફીન ફ્લેક્સ તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા, અને પછી તેના પર 1 માઇક્રોનના અંતરાલ અને 250 nm પહોળાઈવાળા પેલેડિયમ ગોલ્ડ અથવા ટાઇટેનિયમ ગોલ્ડ ઇલેક્ટ્રોડ બનાવવામાં આવ્યા હતા. આ રીતે, ગ્રાફીન આધારિત ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ડિવાઇસ મેળવવામાં આવે છે.

ગ્રાફીન ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન સાધનો અને સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (SEM) ના વાસ્તવિક નમૂનાઓના ફોટાનું યોજનાકીય આકૃતિ. આકૃતિમાં કાળી ટૂંકી રેખા 5 માઇક્રોનને અનુરૂપ છે, અને ધાતુની રેખાઓ વચ્ચેનું અંતર એક માઇક્રોન છે.

પ્રયોગો દ્વારા, સંશોધકોએ શોધી કાઢ્યું કે આ મેટલ ગ્રાફીન મેટલ સ્ટ્રક્ચર ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ડિવાઇસ મહત્તમ 16 ગીગાહર્ટ્ઝની કાર્યકારી આવર્તન સુધી પહોંચી શકે છે, અને 300 nm (અલ્ટ્રાવાયોલેટની નજીક) થી 6 માઇક્રોન (ઇન્ફ્રારેડ) સુધીની તરંગલંબાઇ શ્રેણીમાં ઉચ્ચ ગતિએ કાર્ય કરી શકે છે, જ્યારે પરંપરાગત ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ટ્યુબ લાંબી તરંગલંબાઇ સાથે ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશનો પ્રતિસાદ આપી શકતી નથી. ગ્રાફીન ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન સાધનોની કાર્યકારી આવર્તનમાં હજુ પણ સુધારા માટે ઘણી જગ્યા છે. તેના શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શનને કારણે તેમાં સંદેશાવ્યવહાર, રિમોટ કંટ્રોલ અને પર્યાવરણીય દેખરેખ સહિત એપ્લિકેશન સંભાવનાઓની વિશાળ શ્રેણી છે.

અનન્ય ગુણધર્મો ધરાવતી નવી સામગ્રી તરીકે, ગ્રાફીનના ઉપયોગ પર સંશોધન એક પછી એક ઉભરી રહ્યું છે. અહીં તેમને ગણવું આપણા માટે મુશ્કેલ છે. ભવિષ્યમાં, રોજિંદા જીવનમાં ગ્રાફીનથી બનેલી ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્યુબ, ગ્રાફીનથી બનેલા મોલેક્યુલર સ્વીચો અને ગ્રાફીનથી બનેલા મોલેક્યુલર ડિટેક્ટર હોઈ શકે છે... પ્રયોગશાળામાંથી ધીમે ધીમે બહાર આવતું ગ્રાફીન રોજિંદા જીવનમાં ચમકશે.

આપણે અપેક્ષા રાખી શકીએ છીએ કે નજીકના ભવિષ્યમાં ગ્રાફીનનો ઉપયોગ કરતી મોટી સંખ્યામાં ઇલેક્ટ્રોનિક ઉત્પાદનો દેખાશે. વિચારો કે જો આપણા સ્માર્ટફોન અને નેટબુક્સને રોલ અપ કરી શકાય, કાન પર ચોંટાડી શકાય, ખિસ્સામાં ભરી શકાય, અથવા ઉપયોગમાં ન હોય ત્યારે આપણા કાંડાની આસપાસ લપેટી શકાય તો તે કેટલું રસપ્રદ રહેશે!