You are here

आण्विक हायड्रोजनच्या मदतीने ग्राफीनची निर्मिती

  • अलेक्झांड्रा एआययूएस (विकिमिडिया कॉमन्स)
    अलेक्झांड्रा एआययूएस (विकिमिडिया कॉमन्स)

कार्बनचाच एक प्रकार असलेला ग्राफीन हा पत्र्यासारखा द्विमितीय पदार्थ, विज्ञान आणि अभियांत्रिकी क्षेत्रात बराच हवाहवासा आहे. शास्त्रज्ञ त्याचे गुणधर्म तपासून त्यांचा उपयोग कसा करून घेता येईल  याचा अभ्यास करत आहेतच शिवाय हा पदार्थ तयार करायच्या कार्यक्षम व कमी खर्चाच्या पद्धती देखील शोधत आहेत. नुकत्याच प्रसिद्ध करण्यात आलेल्या अभ्यासानुसार, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील प्राध्यापक राजीव दुसाने आणि डॉ. शिल्पा रामकृष्णन् यांनी नेहेमीच्या ठराविक पद्धतीपेक्षा कमी तापमानात आण्विक हायड्रोजनच्या मदतीने तांब्याच्या पत्र्यावर नॅनोग्राफीन आवरण तयार करण्याची नवीन पद्धत विकसित केली आहे.

२००४ मध्ये ग्राफीनची ओळख निर्विवादपणे पटल्यावर व ते सर्वप्रथम तयार केल्यापासून त्याचा मोठ्या प्रमाणावर अभ्यास चालू आहे कारण त्याचे यांत्रिक आणि विद्युतसंबंधित गुणधर्म विशेष आहेत. ग्राफीन तयार करण्यासाठी वापरलेले एक प्राथमिक तंत्र म्हणजे केमिकल व्हेपर डीपॉझीशन (रासायनिक बाष्प निक्षेपण). त्यासाठी कार्बन असलेले मिथेनसारखे संयुग १००० अंश सेल्सियस इतक्या जास्त तापमानाला तापवले जाते. उष्णतेमुळे कार्बनचे अणू मोकळे होतात आणि कार्यद्रव्य (किंवा सबस्ट्रेट - म्हणजे ज्या पदार्थाच्या पृष्ठभागावर क्रिया घडते तो) पट्टीवर जमतात. बहुतेक वेळेस योग्य औष्णिक गुणधर्मांमुळे तांबे हेच कार्यद्रव्य म्हणून वापरले जाते. 

मात्र या पद्धतीचा मोठा तोटा म्हणजे या पद्धतीत कार्यद्रव्यदेखील उच्च तापमानाला तापवून त्या तापमानाला टिकवून ठेवावे लागते. “उच्च तापमानामुळे इतर कोणत्याही प्रकारचे पदार्थ कार्यद्रव्य म्हणून वापरता येत नाहीत. तसेच उच्च तापमानाची गरज असणाऱ्या प्रक्रियेत साधनांच्या जुळणीचा आणि त्यांच्या निगराणीचा खर्च बराच असतो.” असे डॉ. शिल्पा सांगतात. मात्र हे तापमान कमी करणे योग्य ठरत नाही कारण कार्यद्रव्याचे तापमान कमी असेल तर जमलेला कार्बन अस्फटिक अवस्थेत राहतो आणि ग्राफीनचे स्फटिक तयार होत नाहीत.

पूर्वी झालेल्या अभ्यासावरून कोणत्याही कार्यद्रव्याच्या पृष्ठभागावर हिऱ्याचे आणि बहुवारिक (पॉलिमेरिक) पदार्थांचे आवरण जमा होण्यात आण्विक हायड्रोजनची भूमिका किती महत्वाची असते याची कल्पना आली होती. त्यावरून प्रेरणा घेऊन वरील संशोधकांनी तशाप्रकारची पद्धत वापरण्याचे ठरवले. त्यांचा हा शोधनिबंध मटेरीअल्स केमिस्ट्री अॅण्ड फिजिक्स या नियतकालिकात प्रसिद्ध झाला आहे. त्यांनी सांगितलेल्या पद्धतीनुसार तांब्याचे कार्यद्रव्य उच्च तापमानाला नेण्याऐवजी त्यांनी ते ६०० अंश सेल्सियस इतक्याच तापमानाला ठेवले आणि त्यावर २००० अंश तापमान असलेली टंगस्टनची तार ठेवली. मग त्या जुळणीतून मिथेन वायू सोडण्यात आला. याचा परिणाम म्हणजे अस्फटिक स्वरूपातील कार्बनचा एक थर तांब्याच्या पृष्ठभागावर जमा झाला. त्यानंतर टंगस्टनच्या तारेवरून हायड्रोजन वायू सोडण्यात आला. तेव्हा तेथे हायड्रोजनच्या अणूंचे विभाजन होऊन त्यांची अस्फटिक स्वरूपातील कार्बनबरोबर अभिक्रिया घडून आली आणि त्या कार्बनचे रुपांतर ग्राफीनमध्ये झाले.

संशोधकांनी सुचवलेल्या या पद्धतीला हॉट वायर केमिकल व्हेपर डीपॉझीशन (तप्ततार रासायनिक बाष्प निक्षेपण) असे म्हणतात. पारंपारिक पद्धतींपेक्षा ही पद्धत अनेक बाबतीत चांगली आहे. मिथेनच्या रेणूंचे विभाजन किंवा निक्षेपण होण्याची प्रक्रिया अत्यंत कार्यक्षम असते. त्यामुळे इतर पारंपारिक पद्धतींच्या तुलनेत या पद्धतीत बऱ्याच कमी तीव्रतेचा मिथेन वायू वापरता येतो. तसेच तार तापवायला लागणारी उर्जादेखील कमी असते. त्यामुळे एरवी ग्राफीनच्या वाढीसाठी लागणारे कार्यद्रव्याचे उच्च तापमान मोठ्या प्रमाणात कमी होण्यास मदत होते. या कारणांमुळे ग्राफीन निर्मितीचा एकूण खर्च कमी होतो.

तयार झालेल्या ग्राफीनचा नॅनो प्रमाणात अभ्यास केल्यावर असे दिसले की, हायड्रोजनची तीव्रता आणि संपर्काचा कालावधी कमीजास्त करून ग्राफीनची वाढ नियंत्रित करता येते. कार्यद्रव्य आणि कार्बन यांच्या परस्परप्रक्रियेऐवजी आण्विक हायड्रोजन वापरून ग्राफीनच्या आवरणाचे गुणधर्म शोधता यावेत यासाठीच्या अभ्यासात वरील संशोधनामुळे मदत होऊ शकते.

प्राध्यापक दुसाने आणि त्यांचे सहकारी यापुढे ग्राफीन निर्मितीची सर्वसमावेशक प्रक्रिया तयार करण्याच्या मागे आहेत. “आण्विक हायड्रोजनचे रासायनिक गुणधर्म वापरून कमी तापमानात हॉट वायर केमिकल व्हेपर पद्धतीने ग्राफीन निर्मितीची आणखी सुधारीत पद्धत तयार करण्याचा आमचा मानस आहे”, असे प्राध्यापक दुसाने म्हणतात.