ग्राफीन का क्या उपयोग है? दो अनुप्रयोग उदाहरणों से आपको ग्राफीन के अनुप्रयोग की संभावनाओं को समझने में मदद मिलेगी।

2010 में, गेइम और नोवोसेलोव को ग्राफीन पर उनके शोध के लिए भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला। इस पुरस्कार ने कई लोगों पर गहरा प्रभाव छोड़ा। आखिरकार, नोबेल पुरस्कार के लिए मिलने वाला हर प्रायोगिक उपकरण चिपकने वाली टेप जितना आम नहीं होता, और हर शोध वस्तु "द्वि-आयामी क्रिस्टल" ग्राफीन जितनी जादुई और समझने में आसान नहीं होती। 2004 में किए गए शोध को 2010 में पुरस्कार मिलना, हाल के वर्षों में नोबेल पुरस्कार के इतिहास में एक दुर्लभ घटना है।

ग्राफीन एक प्रकार का पदार्थ है जो कार्बन परमाणुओं की एक परत से बना होता है, जो द्वि-आयामी मधुकोश षट्कोणीय जाली में सघन रूप से व्यवस्थित होते हैं। हीरे, ग्रेफाइट, फुलरीन, कार्बन नैनोट्यूब और अनाकार कार्बन की तरह, यह कार्बन तत्वों से बना एक पदार्थ (सरल पदार्थ) है। नीचे दिए गए चित्र में, फुलरीन और कार्बन नैनोट्यूब को ग्राफीन की एक परत से लिपटा हुआ देखा जा सकता है, जो ग्राफीन की कई परतों से बनी होती है। विभिन्न कार्बन सरल पदार्थों (ग्रेफाइट, कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन) के गुणों का वर्णन करने के लिए ग्राफीन के उपयोग पर सैद्धांतिक शोध लगभग 60 वर्षों से चल रहा है, लेकिन आमतौर पर यह माना जाता है कि ऐसे द्वि-आयामी पदार्थ अकेले स्थिर रूप से मौजूद नहीं रह सकते, केवल त्रि-आयामी सतह से जुड़े हुए या ग्रेफाइट जैसे पदार्थों के भीतर ही मौजूद रह सकते हैं। 2004 में आंद्रे गेम और उनके छात्र कॉन्स्टेंटिन नोवोसेलोव द्वारा प्रयोगों के माध्यम से ग्रेफाइट से ग्राफीन की एक परत को अलग करने के बाद ही ग्राफीन के शोध में नई प्रगति हुई।

फुलरीन (बाएं) और कार्बन नैनोट्यूब (मध्य) दोनों को किसी न किसी तरह से ग्राफीन की एक परत द्वारा लपेटा हुआ माना जा सकता है, जबकि ग्रेफाइट (दाएं) वैन डेर वाल्स बल के संबंध के माध्यम से ग्राफीन की कई परतों द्वारा स्टैक किया जाता है।

आजकल, ग्राफीन कई तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है, और विभिन्न विधियों के अपने-अपने फायदे और नुकसान हैं। गीम और नोवोसेलोव ने एक सरल तरीके से ग्राफीन प्राप्त किया। सुपरमार्केट में आसानी से उपलब्ध पारदर्शी टेप का उपयोग करके, उन्होंने उच्च-क्रम के पायरोलिटिक ग्रेफाइट के एक टुकड़े से ग्राफीन को अलग किया, जो कार्बन परमाणुओं की केवल एक परत वाली ग्रेफाइट शीट होती है। यह सुविधाजनक है, लेकिन नियंत्रण उतना अच्छा नहीं है, और केवल 100 माइक्रोन (एक मिलीमीटर का दसवां हिस्सा) से कम आकार का ग्राफीन ही प्राप्त किया जा सकता है, जिसका उपयोग प्रयोगों के लिए किया जा सकता है, लेकिन व्यावहारिक अनुप्रयोगों में इसका उपयोग करना मुश्किल है। रासायनिक वाष्प निक्षेपण द्वारा धातु की सतह पर दसियों सेंटीमीटर आकार के ग्राफीन के नमूने उगाए जा सकते हैं। हालांकि सुसंगत अभिविन्यास वाला क्षेत्र केवल 100 माइक्रोन [3,4] है, यह कुछ अनुप्रयोगों की उत्पादन आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त रहा है। एक अन्य सामान्य विधि सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) क्रिस्टल को निर्वात में 1100 ℃ से अधिक तापमान पर गर्म करना है, ताकि सतह के निकट के सिलिकॉन परमाणु वाष्पित हो जाएं और शेष कार्बन परमाणु पुनर्व्यवस्थित हो जाएं, जिससे अच्छे गुणों वाले ग्राफीन नमूने भी प्राप्त किए जा सकते हैं।

ग्राफीन एक नया पदार्थ है जिसके गुण अद्वितीय हैं: इसकी विद्युत चालकता तांबे के समान उत्कृष्ट है, और इसकी तापीय चालकता किसी भी ज्ञात पदार्थ से बेहतर है। यह अत्यंत पारदर्शी है। लंबवत आपतित दृश्य प्रकाश का केवल एक छोटा सा भाग (2.3%) ही ग्राफीन द्वारा अवशोषित होता है, और अधिकांश प्रकाश इससे होकर गुजरता है। यह इतना सघन है कि हीलियम के परमाणु (सबसे छोटे गैस अणु) भी इससे होकर नहीं गुजर सकते। ये अद्भुत गुण सीधे ग्रेफाइट से नहीं, बल्कि क्वांटम यांत्रिकी से प्राप्त हुए हैं। इसके अद्वितीय विद्युत और प्रकाशीय गुण इसकी व्यापक अनुप्रयोग संभावनाओं को निर्धारित करते हैं।

ग्राफीन को आए अभी दस साल भी नहीं हुए हैं, लेकिन इसने कई तकनीकी अनुप्रयोग दिखाए हैं, जो भौतिकी और पदार्थ विज्ञान के क्षेत्र में बहुत कम देखने को मिलते हैं। आम पदार्थों को प्रयोगशाला से वास्तविक जीवन में आने में दस साल या दशकों लग जाते हैं। ग्राफीन का क्या उपयोग है? आइए दो उदाहरण देखते हैं।

नरम पारदर्शी इलेक्ट्रोड
कई विद्युत उपकरणों में, इलेक्ट्रोड के रूप में पारदर्शी चालक पदार्थों का उपयोग करना आवश्यक होता है। इलेक्ट्रॉनिक घड़ियाँ, कैलकुलेटर, टेलीविजन, लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले, टच स्क्रीन, सौर पैनल और कई अन्य उपकरणों में पारदर्शी इलेक्ट्रोड का होना अनिवार्य है। पारंपरिक पारदर्शी इलेक्ट्रोड के रूप में इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) का उपयोग किया जाता है। इंडियम की उच्च कीमत और सीमित आपूर्ति के कारण, यह पदार्थ भंगुर और कम लचीला होता है, और इलेक्ट्रोड को निर्वात की मध्य परत में जमा करना पड़ता है, जिससे लागत अपेक्षाकृत अधिक हो जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इसके विकल्प की तलाश में हैं। पारदर्शिता, अच्छी चालकता और आसान निर्माण की आवश्यकताओं के अलावा, यदि पदार्थ स्वयं लचीला हो, तो यह "इलेक्ट्रॉनिक पेपर" या अन्य मोड़ने योग्य डिस्प्ले उपकरणों के निर्माण के लिए उपयुक्त होगा। इसलिए, लचीलापन भी एक बहुत महत्वपूर्ण पहलू है। ग्राफीन एक ऐसा पदार्थ है, जो पारदर्शी इलेक्ट्रोड के लिए बहुत उपयुक्त है।

सैमसंग और दक्षिण कोरिया के चेंगजुंगुआन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने रासायनिक वाष्प निक्षेपण द्वारा 30 इंच की विकर्ण लंबाई वाला ग्राफीन प्राप्त किया और इसे 188 माइक्रोन मोटी पॉलीइथिलीन टेरेफ्थालेट (पीईटी) फिल्म पर स्थानांतरित करके ग्राफीन आधारित टच स्क्रीन का निर्माण किया [4]। जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है, तांबे की पन्नी पर उगाए गए ग्राफीन को पहले थर्मल स्ट्रिपिंग टेप (नीला पारदर्शी भाग) के साथ जोड़ा जाता है, फिर तांबे की पन्नी को रासायनिक विधि द्वारा घोला जाता है, और अंत में ग्राफीन को गर्म करके पीईटी फिल्म पर स्थानांतरित किया जाता है।

नए फोटोइलेक्ट्रिक प्रेरण उपकरण
ग्राफीन में अद्वितीय प्रकाशीय गुण होते हैं। यद्यपि इसमें परमाणुओं की केवल एक परत होती है, फिर भी यह दृश्य प्रकाश से अवरक्त तक की संपूर्ण तरंगदैर्ध्य सीमा में उत्सर्जित प्रकाश का 2.3% अवशोषित कर सकता है। यह संख्या ग्राफीन के अन्य भौतिक मापदंडों से संबंधित नहीं है और क्वांटम विद्युतगतिकी द्वारा निर्धारित होती है [6]। अवशोषित प्रकाश वाहकों (इलेक्ट्रॉन और छिद्र) के निर्माण को प्रेरित करता है। ग्राफीन में वाहकों का निर्माण और परिवहन पारंपरिक अर्धचालकों से बहुत भिन्न होता है। यही कारण है कि ग्राफीन अति-तीव्र प्रकाश विद्युत प्रेरण उपकरणों के लिए अत्यंत उपयुक्त है। अनुमान है कि ऐसे प्रकाश विद्युत प्रेरण उपकरण 500GHz की आवृत्ति पर कार्य कर सकते हैं। यदि इसका उपयोग सिग्नल संचरण के लिए किया जाता है, तो यह प्रति सेकंड 500 अरब शून्य या एक संचारित कर सकता है और एक सेकंड में दो ब्लू-रे डिस्क की सामग्री का संचरण पूरा कर सकता है।

संयुक्त राज्य अमेरिका में आईबीएम थॉमस जे. वॉटसन रिसर्च सेंटर के विशेषज्ञों ने 10GHz आवृत्ति पर काम करने वाले फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरणों के निर्माण के लिए ग्राफीन का उपयोग किया है [8]। सबसे पहले, 300 एनएम मोटी सिलिका से ढके सिलिकॉन सब्सट्रेट पर "टेप टियरिंग विधि" द्वारा ग्राफीन फ्लेक्स तैयार किए गए, और फिर उस पर 1 माइक्रोन के अंतराल और 250 एनएम की चौड़ाई वाले पैलेडियम गोल्ड या टाइटेनियम गोल्ड इलेक्ट्रोड बनाए गए। इस तरह, ग्राफीन आधारित फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरण प्राप्त किया गया।

ग्राफीन फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरण का योजनाबद्ध आरेख और वास्तविक नमूनों की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) तस्वीरें। चित्र में काली छोटी रेखा 5 माइक्रोन को दर्शाती है, और धातु की रेखाओं के बीच की दूरी एक माइक्रोन है।

प्रयोगों के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह धातु-ग्राफीन धातु संरचना वाला फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरण अधिकतम 16GHz की कार्यशील आवृत्ति तक पहुँच सकता है और 300 एनएम (निकट पराबैंगनी) से 6 माइक्रोन (अवरक्त) तक की तरंगदैर्ध्य सीमा में उच्च गति से कार्य कर सकता है, जबकि पारंपरिक फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन ट्यूब लंबी तरंगदैर्ध्य वाले अवरक्त प्रकाश पर प्रतिक्रिया नहीं कर सकता है। ग्राफीन फोटोइलेक्ट्रिक इंडक्शन उपकरण की कार्यशील आवृत्ति में अभी भी सुधार की काफी गुंजाइश है। इसके उत्कृष्ट प्रदर्शन के कारण इसमें संचार, रिमोट कंट्रोल और पर्यावरण निगरानी सहित कई अनुप्रयोगों की व्यापक संभावनाएं हैं।

अद्वितीय गुणों वाली एक नई सामग्री के रूप में, ग्राफीन के अनुप्रयोगों पर अनुसंधान लगातार उभर रहा है। यहाँ उन सभी का वर्णन करना हमारे लिए कठिन है। भविष्य में, ग्राफीन से बने फील्ड इफेक्ट ट्यूब, ग्राफीन से बने मॉलिक्यूलर स्विच और ग्राफीन से बने मॉलिक्यूलर डिटेक्टर हमारे दैनिक जीवन का हिस्सा बन सकते हैं... प्रयोगशाला से बाहर निकलकर ग्राफीन धीरे-धीरे दैनिक जीवन में अपनी चमक बिखेरेगा।

हम उम्मीद कर सकते हैं कि निकट भविष्य में ग्राफीन का उपयोग करने वाले बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉनिक उत्पाद सामने आएंगे। सोचिए, यह कितना रोचक होगा अगर हमारे स्मार्टफोन और नेटबुक को इस्तेमाल न होने पर मोड़ा जा सके, कानों पर लगाया जा सके, जेब में रखा जा सके या कलाई पर लपेटा जा सके!