ग्राफिनको उपयोगिता के हो? दुईवटा प्रयोगका केसहरूले तपाईंलाई ग्राफिनको प्रयोगको सम्भावना बुझ्न दिन्छन्।

२०१० मा, गेइम र नोभोसेलोभले ग्राफिनमा गरेको कामको लागि भौतिकशास्त्रमा नोबेल पुरस्कार जिते। यो पुरस्कारले धेरै मानिसहरूमा गहिरो छाप छोडेको छ। आखिर, प्रत्येक नोबेल पुरस्कार प्रयोगात्मक उपकरण टाँस्ने टेप जत्तिकै सामान्य हुँदैन, र प्रत्येक अनुसन्धान वस्तु "दुई-आयामी क्रिस्टल" ग्राफिन जत्तिकै जादुई र बुझ्न सजिलो हुँदैन। २००४ मा गरिएको काम २०१० मा प्रदान गर्न सकिन्छ, जुन हालका वर्षहरूमा नोबेल पुरस्कारको रेकर्डमा दुर्लभ छ।

ग्राफिन एक प्रकारको पदार्थ हो जसमा कार्बन परमाणुहरूको एकल तह हुन्छ जुन दुई-आयामी हनीकोम्ब हेक्सागोनल जालीमा नजिकबाट व्यवस्थित हुन्छ। हीरा, ग्रेफाइट, फुलरीन, कार्बन नानोट्यूब र अनाकार कार्बन जस्तै, यो कार्बन तत्वहरू मिलेर बनेको पदार्थ (सरल पदार्थ) हो। तलको चित्रमा देखाइएझैं, फुलरीन र कार्बन नानोट्यूबहरू ग्राफिनको एकल तहबाट कुनै न कुनै रूपमा गुंडालिएको देख्न सकिन्छ, जुन ग्राफिनका धेरै तहहरूले स्ट्याक गरिएको छ। विभिन्न कार्बन सरल पदार्थहरू (ग्रेफाइट, कार्बन नानोट्यूब र ग्राफिन) को गुणहरू वर्णन गर्न ग्राफिनको प्रयोगमा सैद्धान्तिक अनुसन्धान लगभग ६० वर्षदेखि चलेको छ, तर सामान्यतया यो विश्वास गरिन्छ कि यस्ता दुई-आयामी सामग्रीहरू एक्लै स्थिर रूपमा अवस्थित हुन गाह्रो हुन्छन्, केवल त्रि-आयामी सब्सट्रेट सतह वा ग्रेफाइट जस्ता भित्री पदार्थहरूमा जोडिएका हुन्छन्। २००४ सम्म आन्द्रे गेइम र उनका विद्यार्थी कोन्स्टान्टिन नोभोसेलोभले प्रयोगहरू मार्फत ग्राफिनबाट ग्राफिनको एकल तह हटाएनन् कि ग्राफिनको अनुसन्धानले नयाँ विकास हासिल गर्यो।

फुलरीन (बायाँ) र कार्बन नानोट्यूब (बीच) दुवैलाई कुनै न कुनै रूपमा ग्राफिनको एकल तहद्वारा बेरिएको मान्न सकिन्छ, जबकि ग्रेफाइट (दायाँ) भ्यान डेर वाल्स बलको जडान मार्फत ग्राफिनका धेरै तहहरूद्वारा स्ट्याक गरिएको हुन्छ।

आजकल, ग्राफिन धेरै तरिकाले प्राप्त गर्न सकिन्छ, र विभिन्न विधिहरूको आफ्नै फाइदा र बेफाइदाहरू छन्। Geim र Novoselov ले सरल तरिकाले ग्राफिन प्राप्त गरे। सुपरमार्केटहरूमा उपलब्ध पारदर्शी टेप प्रयोग गरेर, तिनीहरूले उच्च-अर्डर पाइरोलाइटिक ग्रेफाइटको टुक्राबाट कार्बन परमाणुहरूको केवल एक तह बाक्लो भएको ग्राफाइट पाना, ग्राफिन निकाले। यो सुविधाजनक छ, तर नियन्त्रणयोग्यता त्यति राम्रो छैन, र १०० माइक्रोन (मिलिमिटरको दशांश) भन्दा कम आकारको ग्राफिन मात्र प्राप्त गर्न सकिन्छ, जुन प्रयोगहरूको लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ, तर व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूको लागि प्रयोग गर्न गाह्रो छ। रासायनिक वाष्प निक्षेपणले धातुको सतहमा दशौं सेन्टिमिटरको आकारको ग्राफिन नमूनाहरू बढाउन सक्छ। यद्यपि सुसंगत अभिमुखीकरण भएको क्षेत्र केवल १०० माइक्रोन [३,४] हो, यो केही अनुप्रयोगहरूको उत्पादन आवश्यकताहरूको लागि उपयुक्त भएको छ। अर्को सामान्य विधि भनेको सिलिकन कार्बाइड (SIC) क्रिस्टललाई भ्याकुममा ११०० ℃ भन्दा बढीमा तताउनु हो, ताकि सतह नजिकका सिलिकन परमाणुहरू वाष्पीकरण हुन्छन्, र बाँकी कार्बन परमाणुहरू पुन: व्यवस्थित हुन्छन्, जसले राम्रो गुणहरू भएका ग्राफिन नमूनाहरू पनि प्राप्त गर्न सक्छ।

ग्राफिन अद्वितीय गुणहरू भएको नयाँ पदार्थ हो: यसको विद्युतीय चालकता तामा जत्तिकै उत्कृष्ट छ, र यसको तापीय चालकता कुनै पनि ज्ञात पदार्थ भन्दा राम्रो छ। यो धेरै पारदर्शी छ। ठाडो घटना दृश्य प्रकाशको सानो भाग (२.३%) मात्र ग्राफिन द्वारा अवशोषित हुनेछ, र धेरैजसो प्रकाश यसबाट पारित हुनेछ। यो यति घना छ कि हेलियम परमाणुहरू (सबैभन्दा सानो ग्यास अणुहरू) पनि पार गर्न सक्दैनन्। यी जादुई गुणहरू ग्रेफाइटबाट प्रत्यक्ष रूपमा होइन, तर क्वान्टम मेकानिक्सबाट प्राप्त हुन्छन्। यसको अद्वितीय विद्युतीय र अप्टिकल गुणहरूले यसको व्यापक प्रयोग सम्भावनाहरू निर्धारण गर्दछ।

ग्राफिन देखा परेको दस वर्षभन्दा कम समय भएको भए पनि, यसले धेरै प्राविधिक प्रयोगहरू देखाएको छ, जुन भौतिक विज्ञान र भौतिक विज्ञानको क्षेत्रमा धेरै दुर्लभ छ। प्रयोगशालाबाट वास्तविक जीवनमा सामान्य सामग्रीहरू सार्न दस वर्ष वा दशकौं भन्दा बढी समय लाग्छ। ग्राफिनको प्रयोग के हो? दुई उदाहरणहरू हेरौं।

नरम पारदर्शी इलेक्ट्रोड
धेरै विद्युतीय उपकरणहरूमा, पारदर्शी चालक सामग्रीहरू इलेक्ट्रोडको रूपमा प्रयोग गर्न आवश्यक पर्दछ। इलेक्ट्रोनिक घडीहरू, क्याल्कुलेटरहरू, टेलिभिजनहरू, तरल क्रिस्टल डिस्प्लेहरू, टच स्क्रिनहरू, सौर्य प्यानलहरू र अन्य धेरै उपकरणहरूले पारदर्शी इलेक्ट्रोडहरूको अस्तित्व छोड्न सक्दैनन्। परम्परागत पारदर्शी इलेक्ट्रोडले इन्डियम टिन अक्साइड (ITO) प्रयोग गर्दछ। उच्च मूल्य र इन्डियमको सीमित आपूर्तिको कारण, सामग्री भंगुर र लचिलोपनको अभाव छ, र इलेक्ट्रोडलाई भ्याकुमको बीचको तहमा जम्मा गर्न आवश्यक छ, र लागत अपेक्षाकृत उच्च छ। लामो समयदेखि, वैज्ञानिकहरूले यसको विकल्प खोज्ने प्रयास गरिरहेका छन्। पारदर्शिता, राम्रो चालकता र सजिलो तयारीको आवश्यकताहरूको अतिरिक्त, यदि सामग्रीको लचिलोपन आफैं राम्रो छ भने, यो "इलेक्ट्रोनिक पेपर" वा अन्य फोल्डेबल डिस्प्ले उपकरणहरू बनाउनको लागि उपयुक्त हुनेछ। त्यसकारण, लचिलोपन पनि एक धेरै महत्त्वपूर्ण पक्ष हो। ग्राफिन यस्तो सामग्री हो, जुन पारदर्शी इलेक्ट्रोडहरूको लागि धेरै उपयुक्त छ।

दक्षिण कोरियाको सामसुङ र चेङजुङगुआन विश्वविद्यालयका अनुसन्धानकर्ताहरूले रासायनिक वाष्प निक्षेपणद्वारा ३० इन्चको विकर्ण लम्बाइ भएको ग्राफिन प्राप्त गरे र ग्राफिनमा आधारित टच स्क्रिन उत्पादन गर्न १८८ माइक्रोन बाक्लो पोलिथिलीन टेरेफ्थालेट (PET) फिल्ममा स्थानान्तरण गरे [४]। तलको चित्रमा देखाइएझैं, तामाको पन्नीमा उब्जाइएको ग्राफिनलाई पहिले थर्मल स्ट्रिपिङ टेप (नीलो पारदर्शी भाग) सँग बाँधिन्छ, त्यसपछि तामाको पन्नीलाई रासायनिक विधिद्वारा विघटन गरिन्छ, र अन्तमा ग्राफिनलाई तताएर PET फिल्ममा स्थानान्तरण गरिन्छ।

नयाँ फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरण
ग्राफिनमा धेरै अद्वितीय अप्टिकल गुणहरू छन्। यद्यपि परमाणुहरूको एउटा मात्र तह हुन्छ, यसले दृश्य प्रकाशदेखि इन्फ्रारेडसम्मको सम्पूर्ण तरंगदैर्ध्य दायरामा उत्सर्जित प्रकाशको २.३% अवशोषित गर्न सक्छ। यो संख्याको ग्राफिनको अन्य भौतिक प्यारामिटरहरूसँग कुनै सम्बन्ध छैन र यो क्वान्टम इलेक्ट्रोडायनामिक्स [6] द्वारा निर्धारण गरिन्छ। अवशोषित प्रकाशले वाहकहरू (इलेक्ट्रोन र प्वालहरू) को उत्पादनमा नेतृत्व गर्नेछ। ग्राफिनमा वाहकहरूको उत्पादन र ढुवानी परम्परागत अर्धचालकहरूमा भन्दा धेरै फरक छ। यसले ग्राफिनलाई अल्ट्राफास्ट फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरणहरूको लागि धेरै उपयुक्त बनाउँछ। यस्तो फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरणहरूले ५००ghz को फ्रिक्वेन्सीमा काम गर्न सक्ने अनुमान गरिएको छ। यदि यसलाई सिग्नल प्रसारणको लागि प्रयोग गरिन्छ भने, यसले प्रति सेकेन्ड ५०० अर्ब शून्य वा एक प्रसारण गर्न सक्छ, र एक सेकेन्डमा दुई ब्लु रे डिस्कहरूको सामग्रीको प्रसारण पूरा गर्न सक्छ।

संयुक्त राज्य अमेरिकाको IBM थोमस जे. वाटसन अनुसन्धान केन्द्रका विज्ञहरूले ग्राफिन प्रयोग गरेर १०GHz फ्रिक्वेन्सीमा काम गर्न सक्ने फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरणहरू निर्माण गरेका छन् [8]। पहिले, "टेप टियरिङ मेथड" द्वारा ३०० एनएम बाक्लो सिलिकाले ढाकिएको सिलिकन सब्सट्रेटमा ग्राफिन फ्लेक्सहरू तयार पारिएका थिए, र त्यसपछि १ माइक्रोनको अन्तराल र २५० एनएम चौडाइ भएका प्यालेडियम सुन वा टाइटेनियम सुन इलेक्ट्रोडहरू बनाइएका थिए। यस तरिकाले, ग्राफिनमा आधारित फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरण प्राप्त गरिन्छ।

ग्राफिन फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरण र स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप (SEM) को वास्तविक नमूनाहरूको तस्बिरहरूको योजनाबद्ध रेखाचित्र। चित्रमा रहेको कालो छोटो रेखा ५ माइक्रोनसँग मेल खान्छ, र धातु रेखाहरू बीचको दूरी एक माइक्रोन हो।

प्रयोगहरू मार्फत, अनुसन्धानकर्ताहरूले पत्ता लगाए कि यो धातु ग्राफिन धातु संरचना फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरणले अधिकतम १६ गीगाहर्जको कार्य आवृत्तिसम्म पुग्न सक्छ, र ३०० एनएम (अल्ट्राभायोलेट नजिक) देखि ६ माइक्रोन (इन्फ्रारेड) सम्म तरंगदैर्ध्य दायरामा उच्च गतिमा काम गर्न सक्छ, जबकि परम्परागत फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन ट्यूबले लामो तरंगदैर्ध्यको साथ इन्फ्रारेड प्रकाशलाई प्रतिक्रिया दिन सक्दैन। ग्राफिन फोटोइलेक्ट्रिक इन्डक्सन उपकरणको कार्य आवृत्तिमा अझै पनि सुधारको लागि ठूलो ठाउँ छ। यसको उत्कृष्ट प्रदर्शनले यसमा सञ्चार, रिमोट कन्ट्रोल र वातावरणीय अनुगमन सहित अनुप्रयोग सम्भावनाहरूको विस्तृत दायरा बनाउँछ।

अद्वितीय गुणहरू भएको नयाँ सामग्रीको रूपमा, ग्राफिनको प्रयोगमा अनुसन्धान एकपछि अर्को देखा पर्दैछ। यहाँ तिनीहरूलाई गणना गर्न हामीलाई गाह्रो छ। भविष्यमा, दैनिक जीवनमा ग्राफिनबाट बनेका फिल्ड इफेक्ट ट्यूबहरू, ग्राफिनबाट बनेका आणविक स्विचहरू र ग्राफिनबाट बनेका आणविक डिटेक्टरहरू हुन सक्छन्... प्रयोगशालाबाट बिस्तारै निस्कने ग्राफिन दैनिक जीवनमा चम्किनेछ।

हामी आशा गर्न सक्छौं कि निकट भविष्यमा ग्राफिन प्रयोग गर्ने ठूलो संख्यामा इलेक्ट्रोनिक उत्पादनहरू देखा पर्नेछन्। सोच्नुहोस् त कति रोचक हुन्थ्यो होला यदि हाम्रा स्मार्टफोनहरू र नेटबुकहरू बेरिएर, कानमा बाँधेर, खल्तीमा भरेर वा प्रयोगमा नभएको बेला नाडीमा बेरिएर राख्न सकियो भने!