ഗ്രാഫീനിന്റെ ഉപയോഗം എന്താണ്? ഗ്രാഫീനിന്റെ പ്രയോഗ സാധ്യത മനസ്സിലാക്കാൻ രണ്ട് പ്രയോഗ കേസുകൾ നിങ്ങളെ അനുവദിക്കുന്നു.

ഗ്രാഫീനിലെ പ്രവർത്തനത്തിന് 2010-ൽ ഗൈമും നോവോസെലോവും ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിനുള്ള നോബൽ സമ്മാനം നേടി. ഈ അവാർഡ് പലരിലും ആഴത്തിലുള്ള മുദ്ര പതിപ്പിച്ചിട്ടുണ്ട്. എല്ലാ നോബൽ സമ്മാന പരീക്ഷണ ഉപകരണങ്ങളും പശ ടേപ്പ് പോലെ സാധാരണമല്ല, കൂടാതെ എല്ലാ ഗവേഷണ വസ്തുക്കളും "ദ്വിമാന ക്രിസ്റ്റൽ" ഗ്രാഫീൻ പോലെ മാന്ത്രികവും മനസ്സിലാക്കാൻ എളുപ്പവുമല്ല. 2004-ലെ കൃതി 2010-ൽ നൽകാം, ഇത് സമീപ വർഷങ്ങളിലെ നോബൽ സമ്മാനത്തിന്റെ റെക്കോർഡിൽ അപൂർവമാണ്.

ഗ്രാഫീൻ എന്നത് ഒരുതരം പദാർത്ഥമാണ്, അതിൽ കാർബൺ ആറ്റങ്ങളുടെ ഒരു പാളി ഒരു ദ്വിമാന ഹണികോമ്പ് ഷഡ്ഭുജ ലാറ്റിസിൽ അടുത്തായി ക്രമീകരിച്ചിരിക്കുന്നു. വജ്രം, ഗ്രാഫൈറ്റ്, ഫുള്ളറീൻ, കാർബൺ നാനോട്യൂബുകൾ, അമോർഫസ് കാർബൺ എന്നിവ പോലെ, ഇത് കാർബൺ മൂലകങ്ങൾ ചേർന്ന ഒരു പദാർത്ഥമാണ് (ലളിതമായ പദാർത്ഥം). ചുവടെയുള്ള ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഫുള്ളറീനുകളും കാർബൺ നാനോട്യൂബുകളും ഗ്രാഫീനിന്റെ ഒരു പാളിയിൽ നിന്ന് ചുരുട്ടിയതായി കാണാം, ഇത് പല പാളികളായ ഗ്രാഫീനുകളാൽ അടുക്കിയിരിക്കുന്നു. വിവിധ കാർബൺ ലളിതമായ പദാർത്ഥങ്ങളുടെ (ഗ്രാഫൈറ്റ്, കാർബൺ നാനോട്യൂബുകൾ, ഗ്രാഫീൻ) ഗുണങ്ങളെ വിവരിക്കുന്നതിന് ഗ്രാഫീനിന്റെ ഉപയോഗത്തെക്കുറിച്ചുള്ള സൈദ്ധാന്തിക ഗവേഷണം ഏകദേശം 60 വർഷമായി നീണ്ടുനിന്നു, എന്നാൽ അത്തരം ദ്വിമാന വസ്തുക്കൾ ഒറ്റയ്ക്ക് സ്ഥിരമായി നിലനിൽക്കാൻ പ്രയാസമാണെന്നും ത്രിമാന അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലത്തിലോ ഗ്രാഫൈറ്റ് പോലുള്ള പദാർത്ഥങ്ങൾക്കുള്ളിലോ മാത്രമേ ഘടിപ്പിച്ചിട്ടുള്ളൂ എന്നും പൊതുവെ വിശ്വസിക്കപ്പെടുന്നു. 2004 വരെ ആൻഡ്രെ ഗീമും അദ്ദേഹത്തിന്റെ വിദ്യാർത്ഥിയായ കോൺസ്റ്റാന്റിൻ നോവോസെലോവും പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ ഗ്രാഫൈനിൽ നിന്ന് ഒരു പാളി ഗ്രാഫീൻ നീക്കം ചെയ്തപ്പോഴാണ് ഗ്രാഫീനിനെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണം പുതിയ വികസനം നേടിയത്.

ഫുള്ളറിൻ (ഇടത്) ഉം കാർബൺ നാനോട്യൂബും (മധ്യത്തിൽ) ഏതെങ്കിലും വിധത്തിൽ ഗ്രാഫീനിന്റെ ഒരു പാളി ഉപയോഗിച്ച് ചുരുട്ടുന്നതായി കണക്കാക്കാം, അതേസമയം ഗ്രാഫൈറ്റ് (വലത്) വാൻ ഡെർ വാൽസ് ബലത്തിന്റെ കണക്ഷൻ വഴി ഒന്നിലധികം പാളികളുള്ള ഗ്രാഫീനുമായി അടുക്കിയിരിക്കുന്നു.

ഇക്കാലത്ത്, ഗ്രാഫീൻ പല തരത്തിൽ ലഭിക്കും, വ്യത്യസ്ത രീതികൾക്ക് അവരുടേതായ ഗുണങ്ങളും ദോഷങ്ങളുമുണ്ട്. ഗീമും നോവോസെലോവും ലളിതമായ രീതിയിലാണ് ഗ്രാഫീൻ നേടിയത്. സൂപ്പർമാർക്കറ്റുകളിൽ ലഭ്യമായ സുതാര്യമായ ടേപ്പ് ഉപയോഗിച്ച്, ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള പൈറോലൈറ്റിക് ഗ്രാഫൈറ്റിന്റെ ഒരു കഷണത്തിൽ നിന്ന് കാർബൺ ആറ്റങ്ങളുടെ ഒരു പാളി മാത്രം കട്ടിയുള്ള ഒരു ഗ്രാഫൈറ്റ് ഷീറ്റായ ഗ്രാഫൈൻ അവർ നീക്കം ചെയ്തു. ഇത് സൗകര്യപ്രദമാണ്, പക്ഷേ നിയന്ത്രണക്ഷമത അത്ര നല്ലതല്ല, 100 മൈക്രോണിൽ താഴെ (ഒരു മില്ലിമീറ്ററിന്റെ പത്തിലൊന്ന്) വലിപ്പമുള്ള ഗ്രാഫീൻ മാത്രമേ ലഭിക്കൂ, ഇത് പരീക്ഷണങ്ങൾക്ക് ഉപയോഗിക്കാം, പക്ഷേ പ്രായോഗിക പ്രയോഗങ്ങൾക്ക് ഇത് ഉപയോഗിക്കാൻ പ്രയാസമാണ്. രാസ നീരാവി നിക്ഷേപം ലോഹ പ്രതലത്തിൽ പതിനായിരക്കണക്കിന് സെന്റീമീറ്റർ വലിപ്പമുള്ള ഗ്രാഫീൻ സാമ്പിളുകൾ വളർത്താൻ കഴിയും. സ്ഥിരമായ ഓറിയന്റേഷനുള്ള വിസ്തീർണ്ണം 100 മൈക്രോൺ മാത്രമാണെങ്കിലും [3,4], ചില ആപ്ലിക്കേഷനുകളുടെ ഉൽപാദന ആവശ്യങ്ങൾക്ക് ഇത് അനുയോജ്യമാണ്. മറ്റൊരു സാധാരണ രീതി, ശൂന്യതയിൽ സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SIC) ക്രിസ്റ്റലിനെ 1100 ℃ ൽ കൂടുതൽ ചൂടാക്കുക എന്നതാണ്, അങ്ങനെ ഉപരിതലത്തിനടുത്തുള്ള സിലിക്കൺ ആറ്റങ്ങൾ ബാഷ്പീകരിക്കപ്പെടുകയും ശേഷിക്കുന്ന കാർബൺ ആറ്റങ്ങൾ പുനഃക്രമീകരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, ഇത് നല്ല ഗുണങ്ങളുള്ള ഗ്രാഫീൻ സാമ്പിളുകളും ലഭിക്കും.

ഗ്രാഫീൻ സവിശേഷ ഗുണങ്ങളുള്ള ഒരു പുതിയ വസ്തുവാണ്: അതിന്റെ വൈദ്യുതചാലകത ചെമ്പ് പോലെ മികച്ചതാണ്, കൂടാതെ അതിന്റെ താപചാലകത അറിയപ്പെടുന്ന ഏതൊരു വസ്തുവിനേക്കാളും മികച്ചതാണ്. ഇത് വളരെ സുതാര്യമാണ്. ലംബമായി വീഴുന്ന ദൃശ്യപ്രകാശത്തിന്റെ ഒരു ചെറിയ ഭാഗം (2.3%) മാത്രമേ ഗ്രാഫീൻ ആഗിരണം ചെയ്യുകയുള്ളൂ, മാത്രമല്ല പ്രകാശത്തിന്റെ ഭൂരിഭാഗവും അതിലൂടെ കടന്നുപോകുകയും ചെയ്യും. ഹീലിയം ആറ്റങ്ങൾക്ക് (ഏറ്റവും ചെറിയ വാതക തന്മാത്രകൾ) പോലും കടന്നുപോകാൻ കഴിയാത്തത്ര സാന്ദ്രമാണിത്. ഈ മാന്ത്രിക ഗുണങ്ങൾ ഗ്രാഫൈറ്റിൽ നിന്ന് നേരിട്ട് പാരമ്പര്യമായി ലഭിച്ചതല്ല, മറിച്ച് ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിൽ നിന്നാണ്. അതിന്റെ അതുല്യമായ വൈദ്യുത, ​​ഒപ്റ്റിക്കൽ ഗുണങ്ങൾ ഇതിന് വിശാലമായ പ്രയോഗ സാധ്യതകളുണ്ടെന്ന് നിർണ്ണയിക്കുന്നു.

ഗ്രാഫീൻ പ്രത്യക്ഷപ്പെട്ടിട്ട് പത്ത് വർഷത്തിൽ താഴെ മാത്രമേ ആയിട്ടുള്ളൂവെങ്കിലും, ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലും ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിലും ഇത് വളരെ അപൂർവമായ നിരവധി സാങ്കേതിക പ്രയോഗങ്ങൾ കാണിച്ചിട്ടുണ്ട്. സാധാരണ വസ്തുക്കൾ ലബോറട്ടറിയിൽ നിന്ന് യഥാർത്ഥ ജീവിതത്തിലേക്ക് മാറാൻ പത്ത് വർഷത്തിലധികമോ പതിറ്റാണ്ടുകളോ എടുക്കും. ഗ്രാഫീനിന്റെ ഉപയോഗം എന്താണ്? രണ്ട് ഉദാഹരണങ്ങൾ നോക്കാം.

മൃദുവായ സുതാര്യമായ ഇലക്ട്രോഡ്
പല വൈദ്യുത ഉപകരണങ്ങളിലും, സുതാര്യമായ ചാലക വസ്തുക്കൾ ഇലക്ട്രോഡുകളായി ഉപയോഗിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ഇലക്ട്രോണിക് വാച്ചുകൾ, കാൽക്കുലേറ്ററുകൾ, ടെലിവിഷനുകൾ, ലിക്വിഡ് ക്രിസ്റ്റൽ ഡിസ്പ്ലേകൾ, ടച്ച് സ്ക്രീനുകൾ, സോളാർ പാനലുകൾ തുടങ്ങി നിരവധി ഉപകരണങ്ങൾക്ക് സുതാര്യമായ ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ നിലനിൽപ്പ് ഉപേക്ഷിക്കാൻ കഴിയില്ല. പരമ്പരാഗത സുതാര്യമായ ഇലക്ട്രോഡ് ഇൻഡിയം ടിൻ ഓക്സൈഡ് (ITO) ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇൻഡിയത്തിന്റെ ഉയർന്ന വിലയും പരിമിതമായ വിതരണവും കാരണം, മെറ്റീരിയൽ പൊട്ടുന്നതും വഴക്കത്തിന്റെ അഭാവവുമാണ്, കൂടാതെ ഇലക്ട്രോഡ് വാക്വത്തിന്റെ മധ്യ പാളിയിൽ നിക്ഷേപിക്കേണ്ടതുണ്ട്, കൂടാതെ ചെലവ് താരതമ്യേന കൂടുതലാണ്. വളരെക്കാലമായി, ശാസ്ത്രജ്ഞർ അതിന്റെ പകരക്കാരനെ കണ്ടെത്താൻ ശ്രമിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്. സുതാര്യത, നല്ല ചാലകത, എളുപ്പത്തിലുള്ള തയ്യാറെടുപ്പ് എന്നിവയുടെ ആവശ്യകതകൾക്ക് പുറമേ, മെറ്റീരിയലിന്റെ വഴക്കം നല്ലതാണെങ്കിൽ, അത് "ഇലക്ട്രോണിക് പേപ്പർ" അല്ലെങ്കിൽ മറ്റ് മടക്കാവുന്ന ഡിസ്പ്ലേ ഉപകരണങ്ങൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിന് അനുയോജ്യമാകും. അതിനാൽ, വഴക്കവും വളരെ പ്രധാനപ്പെട്ട ഒരു വശമാണ്. ഗ്രാഫീൻ അത്തരമൊരു വസ്തുവാണ്, ഇത് സുതാര്യമായ ഇലക്ട്രോഡുകൾക്ക് വളരെ അനുയോജ്യമാണ്.

ദക്ഷിണ കൊറിയയിലെ സാംസങ്ങിലെയും ചെങ്‌ജുൻ‌ഗുവാൻ സർവകലാശാലയിലെയും ഗവേഷകർ രാസ നീരാവി നിക്ഷേപം വഴി 30 ഇഞ്ച് നീളമുള്ള ഡയഗണൽ ഗ്രാഫീൻ ശേഖരിച്ച് 188 മൈക്രോൺ കട്ടിയുള്ള പോളിയെത്തിലീൻ ടെറഫ്താലേറ്റ് (PET) ഫിലിമിലേക്ക് മാറ്റി ഗ്രാഫീൻ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒരു ടച്ച് സ്‌ക്രീൻ നിർമ്മിക്കുന്നു [4]. താഴെയുള്ള ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ചെമ്പ് ഫോയിലിൽ വളർത്തിയ ഗ്രാഫീൻ ആദ്യം തെർമൽ സ്ട്രിപ്പിംഗ് ടേപ്പുമായി (നീല സുതാര്യമായ ഭാഗം) ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു, തുടർന്ന് ചെമ്പ് ഫോയിൽ രാസ രീതി ഉപയോഗിച്ച് ലയിപ്പിക്കുന്നു, ഒടുവിൽ ഗ്രാഫീൻ ചൂടാക്കി PET ഫിലിമിലേക്ക് മാറ്റുന്നു.

പുതിയ ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണങ്ങൾ
ഗ്രാഫീനിന് വളരെ സവിശേഷമായ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഗുണങ്ങളുണ്ട്. ആറ്റങ്ങളുടെ ഒരു പാളി മാത്രമേ ഉള്ളൂവെങ്കിലും, ദൃശ്യപ്രകാശം മുതൽ ഇൻഫ്രാറെഡ് വരെയുള്ള മുഴുവൻ തരംഗദൈർഘ്യ ശ്രേണിയിലും പുറത്തുവിടുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ 2.3% ആഗിരണം ചെയ്യാൻ ഇതിന് കഴിയും. ഈ സംഖ്യയ്ക്ക് ഗ്രാഫീനിന്റെ മറ്റ് മെറ്റീരിയൽ പാരാമീറ്ററുകളുമായി യാതൊരു ബന്ധവുമില്ല, ഇത് ക്വാണ്ടം ഇലക്ട്രോഡൈനാമിക്സ് [6] വഴി നിർണ്ണയിക്കപ്പെടുന്നു. ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്ന പ്രകാശം കാരിയറുകളുടെ (ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും) ഉത്പാദനത്തിലേക്ക് നയിക്കും. ഗ്രാഫീനിലെ കാരിയറുകളുടെ ഉത്പാദനവും ഗതാഗതവും പരമ്പരാഗത സെമികണ്ടക്ടറുകളിൽ നിന്ന് വളരെ വ്യത്യസ്തമാണ്. ഇത് അൾട്രാഫാസ്റ്റ് ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഗ്രാഫീനെ വളരെ അനുയോജ്യമാക്കുന്നു. അത്തരം ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണങ്ങൾ 500ghz ആവൃത്തിയിൽ പ്രവർത്തിച്ചേക്കാമെന്ന് കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. സിഗ്നൽ ട്രാൻസ്മിഷനായി ഇത് ഉപയോഗിക്കുകയാണെങ്കിൽ, ഇതിന് 500 ബില്യൺ പൂജ്യങ്ങളോ ഒന്നോ പ്രക്ഷേപണം ചെയ്യാൻ കഴിയും, കൂടാതെ ഒരു സെക്കൻഡിൽ രണ്ട് ബ്ലൂ റേ ഡിസ്കുകളുടെ ഉള്ളടക്കങ്ങളുടെ സംപ്രേഷണം പൂർത്തിയാക്കാനും കഴിയും.

അമേരിക്കയിലെ ഐബിഎം തോമസ് ജെ. വാട്സൺ റിസർച്ച് സെന്ററിലെ വിദഗ്ധർ ഗ്രാഫീൻ ഉപയോഗിച്ച് 10GHz ഫ്രീക്വൻസിയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണങ്ങൾ നിർമ്മിച്ചു [8]. ആദ്യം, 300 nm കട്ടിയുള്ള സിലിക്ക കൊണ്ട് പൊതിഞ്ഞ ഒരു സിലിക്കൺ അടിവസ്ത്രത്തിൽ “ടേപ്പ് ടയറിംഗ് രീതി” ഉപയോഗിച്ച് ഗ്രാഫീൻ ഫ്ലേക്കുകൾ തയ്യാറാക്കി, തുടർന്ന് 1 മൈക്രോൺ ഇടവേളയും 250 nm വീതിയുമുള്ള പല്ലേഡിയം സ്വർണ്ണമോ ടൈറ്റാനിയം സ്വർണ്ണ ഇലക്ട്രോഡുകളോ അതിൽ നിർമ്മിച്ചു. ഈ രീതിയിൽ, ഗ്രാഫീൻ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഒരു ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണം ലഭിക്കും.

ഗ്രാഫീൻ ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണങ്ങളുടെയും യഥാർത്ഥ സാമ്പിളുകളുടെ സ്കാനിംഗ് ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പ് (SEM) ഫോട്ടോകളുടെയും സ്കീമാറ്റിക് ഡയഗ്രം. ചിത്രത്തിലെ കറുത്ത ഷോർട്ട് ലൈൻ 5 മൈക്രോണിന് തുല്യമാണ്, ലോഹ രേഖകൾക്കിടയിലുള്ള ദൂരം ഒരു മൈക്രോൺ ആണ്.

പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ, ഈ ലോഹ ഗ്രാഫീൻ ലോഹഘടന ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണത്തിന് പരമാവധി 16ghz പ്രവർത്തന ആവൃത്തിയിൽ എത്താൻ കഴിയുമെന്നും 300 nm (അൾട്രാവയലറ്റിന് സമീപം) മുതൽ 6 മൈക്രോൺ (ഇൻഫ്രാറെഡ്) വരെയുള്ള തരംഗദൈർഘ്യ പരിധിയിൽ ഉയർന്ന വേഗതയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയുമെന്നും ഗവേഷകർ കണ്ടെത്തി, അതേസമയം പരമ്പരാഗത ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ട്യൂബിന് കൂടുതൽ തരംഗദൈർഘ്യമുള്ള ഇൻഫ്രാറെഡ് പ്രകാശത്തോട് പ്രതികരിക്കാൻ കഴിയില്ല. ഗ്രാഫീൻ ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇൻഡക്ഷൻ ഉപകരണങ്ങളുടെ പ്രവർത്തന ആവൃത്തി ഇപ്പോഴും മെച്ചപ്പെടുത്താൻ വലിയ ഇടമുണ്ട്. ആശയവിനിമയം, റിമോട്ട് കൺട്രോൾ, പരിസ്ഥിതി നിരീക്ഷണം എന്നിവയുൾപ്പെടെ വിപുലമായ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ ഇതിന് ലഭിക്കാൻ ഇതിന്റെ മികച്ച പ്രകടനം സഹായിക്കുന്നു.

സവിശേഷ ഗുണങ്ങളുള്ള ഒരു പുതിയ വസ്തുവെന്ന നിലയിൽ, ഗ്രാഫീനിന്റെ പ്രയോഗത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ഗവേഷണങ്ങൾ ഒന്നിനുപുറകെ ഒന്നായി ഉയർന്നുവരുന്നു. അവ ഇവിടെ എണ്ണിപ്പറയാൻ പ്രയാസമാണ്. ഭാവിയിൽ, ഗ്രാഫീൻ കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ച ഫീൽഡ് ഇഫക്റ്റ് ട്യൂബുകൾ, ഗ്രാഫീൻ കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ച മോളിക്യുലാർ സ്വിച്ചുകൾ, ഗ്രാഫീൻ കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ച മോളിക്യുലാർ ഡിറ്റക്ടറുകൾ എന്നിവ ദൈനംദിന ജീവിതത്തിൽ ഉണ്ടായേക്കാം... ലബോറട്ടറിയിൽ നിന്ന് ക്രമേണ പുറത്തുവരുന്ന ഗ്രാഫീൻ ദൈനംദിന ജീവിതത്തിൽ തിളങ്ങും.

ഗ്രാഫീൻ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ധാരാളം ഇലക്ട്രോണിക് ഉൽപ്പന്നങ്ങൾ സമീപഭാവിയിൽ പുറത്തിറങ്ങുമെന്ന് നമുക്ക് പ്രതീക്ഷിക്കാം. നമ്മുടെ സ്മാർട്ട്‌ഫോണുകളും നെറ്റ്ബുക്കുകളും ചുരുട്ടിവെക്കാനോ, ചെവിയിൽ മുറുകെ പിടിക്കാനോ, പോക്കറ്റിൽ തിരുകാനോ, ഉപയോഗത്തിലില്ലാത്തപ്പോൾ കൈത്തണ്ടയിൽ ചുറ്റിവയ്ക്കാനോ കഴിയുമെങ്കിൽ എത്ര രസകരമാകുമെന്ന് ഒന്ന് ചിന്തിച്ചു നോക്കൂ!