ગ્રાફીનનો ઉપયોગ શું છે?બે એપ્લિકેશન કેસ તમને ગ્રાફીનની એપ્લિકેશનની સંભાવનાને સમજવા દે છે

2010 માં, જીમ અને નોવોસેલોવને ગ્રાફીન પરના તેમના કાર્ય માટે ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર મળ્યો.આ એવોર્ડે ઘણા લોકો પર ઊંડી છાપ છોડી છે.છેવટે, દરેક નોબેલ પારિતોષિક પ્રાયોગિક સાધન એડહેસિવ ટેપ જેટલું સામાન્ય નથી અને દરેક સંશોધન ઑબ્જેક્ટ "દ્વિ-પરિમાણીય સ્ફટિક" ગ્રાફીન જેટલું જાદુઈ અને સમજવામાં સરળ નથી.2004 માં કામ 2010 માં એનાયત કરી શકાય છે, જે તાજેતરના વર્ષોમાં નોબેલ પુરસ્કારના રેકોર્ડમાં દુર્લભ છે.

ગ્રાફીન એ એક પ્રકારનો પદાર્થ છે જેમાં દ્વિ-પરિમાણીય હનીકોમ્બ હેક્સાગોનલ જાળીમાં નજીકથી ગોઠવાયેલા કાર્બન અણુઓના એક સ્તરનો સમાવેશ થાય છે.હીરા, ગ્રેફાઇટ, ફુલેરીન, કાર્બન નેનોટ્યુબ અને આકારહીન કાર્બનની જેમ, તે કાર્બન તત્વોથી બનેલો પદાર્થ (સરળ પદાર્થ) છે.નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, ફુલરેન્સ અને કાર્બન નેનોટ્યુબને ગ્રેફિનના એક સ્તરમાંથી અમુક રીતે વળેલું જોઈ શકાય છે, જે ગ્રેફિનના ઘણા સ્તરો દ્વારા સ્ટેક થયેલ છે.વિવિધ કાર્બન સાદા 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 પદાર્થોનું એકલા અસ્તિત્વમાં રહેવું મુશ્કેલ છે, માત્ર ત્રિ-પરિમાણીય સબસ્ટ્રેટ સપાટી સાથે અથવા ગ્રેફાઇટ જેવા અંદરના પદાર્થો સાથે જોડાયેલ છે.2004 સુધી આન્દ્રે ગેઇમ અને તેના વિદ્યાર્થી કોન્સ્ટેન્ટિન નોવોસેલોવે પ્રયોગો દ્વારા ગ્રેફાઇટમાંથી ગ્રાફીનનું એક સ્તર છીનવી લીધું હતું કે ગ્રાફીન પરના સંશોધને નવો વિકાસ હાંસલ કર્યો હતો.

ફુલેરીન (ડાબે) અને કાર્બન નેનોટ્યુબ (મધ્યમ) બંનેને કોઈ રીતે ગ્રાફીનના એક સ્તર દ્વારા વળેલું માનવામાં આવે છે, જ્યારે ગ્રેફાઈટ (જમણે) વાન ડેર વાલ્સ બળના જોડાણ દ્વારા ગ્રાફીનના બહુવિધ સ્તરો દ્વારા સ્ટેક કરવામાં આવે છે.

આજકાલ, ગ્રાફીન ઘણી રીતે મેળવી શકાય છે, અને વિવિધ પદ્ધતિઓના પોતાના ફાયદા અને ગેરફાયદા છે.જીમ અને નોવોસેલોવે સરળ રીતે ગ્રાફીન મેળવ્યું.સુપરમાર્કેટ્સમાં ઉપલબ્ધ પારદર્શક ટેપનો ઉપયોગ કરીને, તેઓએ ઉચ્ચ-ક્રમના પાયરોલિટીક ગ્રેફાઇટના ટુકડામાંથી ગ્રાફીન, કાર્બન અણુઓની જાડાઈવાળી ગ્રેફાઇટ શીટને છીનવી લીધી.આ અનુકૂળ છે, પરંતુ નિયંત્રણક્ષમતા એટલી સારી નથી, અને 100 માઈક્રોન (મિલિમીટરનો દસમો ભાગ) કરતા ઓછા કદવાળા ગ્રાફીન જ મેળવી શકાય છે, જેનો પ્રયોગો માટે ઉપયોગ કરી શકાય છે, પરંતુ વ્યવહારિક રીતે તેનો ઉપયોગ કરવો મુશ્કેલ છે. એપ્લિકેશન્સરાસાયણિક વરાળનું સંચય ધાતુની સપાટી પર દસ સેન્ટિમીટરના કદ સાથે ગ્રેફિનના નમૂનાઓ ઉગાડી શકે છે.જો કે સુસંગત અભિગમ સાથેનો વિસ્તાર માત્ર 100 માઇક્રોન [3,4] છે, તે કેટલીક એપ્લિકેશનોની ઉત્પાદન જરૂરિયાતો માટે યોગ્ય છે.બીજી સામાન્ય પદ્ધતિ એ છે કે સિલિકોન કાર્બાઇડ (SIC) ક્રિસ્ટલને વેક્યૂમમાં 1100 ℃ કરતાં વધુ ગરમ કરવું, જેથી સપાટીની નજીકના સિલિકોન પરમાણુઓ બાષ્પીભવન થઈ જાય, અને બાકીના કાર્બન અણુઓને ફરીથી ગોઠવવામાં આવે છે, જે સારા ગુણો સાથે ગ્રાફીન નમૂનાઓ પણ મેળવી શકે છે.

ગ્રાફીન એ અનન્ય ગુણધર્મો સાથે નવી સામગ્રી છે: તેની વિદ્યુત વાહકતા તાંબા જેટલી ઉત્તમ છે, અને તેની થર્મલ વાહકતા કોઈપણ જાણીતી સામગ્રી કરતાં વધુ સારી છે.તે ખૂબ જ પારદર્શક છે.વર્ટિકલ ઘટના દૃશ્યમાન પ્રકાશનો માત્ર એક નાનો ભાગ (2.3%) ગ્રાફીન દ્વારા શોષવામાં આવશે, અને મોટાભાગનો પ્રકાશ તેમાંથી પસાર થશે.તે એટલું ગાઢ છે કે હિલીયમ પરમાણુ (સૌથી નાના ગેસના અણુઓ) પણ તેમાંથી પસાર થઈ શકતા નથી.આ જાદુઈ ગુણધર્મો સીધા ગ્રેફાઇટમાંથી વારસામાં નથી મળતા, પરંતુ ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાંથી મળે છે.તેના અનન્ય વિદ્યુત અને ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો નિર્ધારિત કરે છે કે તેની વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ છે.

ગ્રાફીન માત્ર દસ વર્ષથી ઓછા સમય માટે દેખાયું હોવા છતાં, તેણે ઘણી તકનીકી એપ્લિકેશનો દર્શાવી છે, જે ભૌતિકશાસ્ત્ર અને ભૌતિક વિજ્ઞાનના ક્ષેત્રોમાં ખૂબ જ દુર્લભ છે.સામાન્ય સામગ્રીને પ્રયોગશાળામાંથી વાસ્તવિક જીવનમાં ખસેડવામાં દસ વર્ષ અથવા તો દાયકા કરતાં વધુ સમય લાગે છે.ગ્રાફીનનો ઉપયોગ શું છે?ચાલો બે ઉદાહરણો જોઈએ.

નરમ પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડ
ઘણા વિદ્યુત ઉપકરણોમાં, પારદર્શક વાહક સામગ્રીનો ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ઉપયોગ કરવાની જરૂર છે.ઇલેક્ટ્રોનિક ઘડિયાળો, કેલ્ક્યુલેટર, ટેલિવિઝન, લિક્વિડ ક્રિસ્ટલ ડિસ્પ્લે, ટચ સ્ક્રીન, સોલાર પેનલ અને અન્ય ઘણા ઉપકરણો પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડના અસ્તિત્વને છોડી શકતા નથી.પરંપરાગત પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોડ ઇન્ડિયમ ટીન ઓક્સાઇડ (ITO) નો ઉપયોગ કરે છે.ઇન્ડિયમની ઊંચી કિંમત અને મર્યાદિત પુરવઠાને કારણે, સામગ્રી બરડ છે અને લવચીકતાનો અભાવ છે, અને ઇલેક્ટ્રોડને શૂન્યાવકાશના મધ્ય સ્તરમાં જમા કરવાની જરૂર છે, અને તેની કિંમત પ્રમાણમાં વધારે છે.લાંબા સમયથી વૈજ્ઞાનિકો તેનો વિકલ્પ શોધવાનો પ્રયાસ કરી રહ્યા છે.પારદર્શિતા, સારી વાહકતા અને સરળ તૈયારીની આવશ્યકતાઓ ઉપરાંત, જો સામગ્રીની સુગમતા સારી હોય, તો તે "ઇલેક્ટ્રોનિક કાગળ" અથવા અન્ય ફોલ્ડ કરી શકાય તેવા 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.

સેમસંગ અને દક્ષિણ કોરિયાની ચેંગજંગુઆન યુનિવર્સિટીના સંશોધકોએ રાસાયણિક વરાળના સંચય દ્વારા 30 ઇંચની ત્રાંસા લંબાઈ ધરાવતું ગ્રાફીન મેળવ્યું અને તેને 188 માઇક્રોન જાડા પોલિઇથિલિન ટેરેફ્થાલેટ (PET) ફિલ્મમાં ગ્રાફીન આધારિત ટચ સ્ક્રીન બનાવવા માટે ટ્રાન્સફર કર્યું [4].નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, કોપર ફોઇલ પર ઉગાડવામાં આવેલા ગ્રાફીનને પ્રથમ થર્મલ સ્ટ્રીપિંગ ટેપ (વાદળી પારદર્શક ભાગ) સાથે જોડવામાં આવે છે, પછી કોપર ફોઇલને રાસાયણિક પદ્ધતિ દ્વારા ઓગળવામાં આવે છે, અને અંતે ગ્રેફિનને ગરમ કરીને પીઇટી ફિલ્મમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે. .

નવા ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન સાધનો
ગ્રાફીન ખૂબ જ અનન્ય ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો ધરાવે છે.અણુઓનો માત્ર એક સ્તર હોવા છતાં, તે દૃશ્યમાન પ્રકાશથી ઇન્ફ્રારેડ સુધીની સમગ્ર તરંગલંબાઇની શ્રેણીમાં ઉત્સર્જિત પ્રકાશના 2.3% ગ્રહણ કરી 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) ની પેઢી તરફ દોરી જશે.ગ્રાફીનમાં કેરિયર્સનું ઉત્પાદન અને પરિવહન પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર કરતાં 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 કામ કરી શકે છે.જો તેનો ઉપયોગ સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન માટે કરવામાં આવે છે, તો તે પ્રતિ સેકન્ડમાં 500 બિલિયન શૂન્ય અથવા એકને 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 ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ડિવાઇસના ઉત્પાદન માટે ગ્રાફીનનો ઉપયોગ કર્યો છે જે 10GHz ફ્રિક્વન્સી [8] પર કામ કરી શકે છે.સૌપ્રથમ, “ટેપ ફાડવાની પદ્ધતિ” દ્વારા 300 nm જાડા સિલિકાથી આવરી લેવામાં આવેલા સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર ગ્રાફીન ફ્લેક્સ તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા, અને પછી તેના પર 1 માઇક્રોનના અંતરાલ અને 250 એનએમની પહોળાઈ સાથે પેલેડિયમ ગોલ્ડ અથવા ટાઇટેનિયમ ગોલ્ડ ઇલેક્ટ્રોડ બનાવવામાં આવ્યા હતા.આ રીતે, ગ્રાફીન આધારિત ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ઉપકરણ મેળવવામાં આવે છે.

ગ્રાફીન ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ઇક્વિપમેન્ટ અને સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (SEM) વાસ્તવિક નમૂનાઓના ફોટાનો યોજનાકીય આકૃતિ.આકૃતિમાં કાળી ટૂંકી રેખા 5 માઇક્રોનને અનુરૂપ છે, અને મેટલ લાઇન વચ્ચેનું અંતર એક માઇક્રોન છે.

પ્રયોગો દ્વારા, સંશોધકોએ શોધી કાઢ્યું કે આ મેટલ ગ્રાફીન મેટલ સ્ટ્રક્ચર ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ઉપકરણ મહત્તમ 16GHz ની કાર્યકારી આવર્તન સુધી પહોંચી શકે છે, અને 300 nm (અલ્ટ્રાવાયોલેટની નજીક) થી 6 માઇક્રોન (ઇન્ફ્રારેડ) તરંગલંબાઇની શ્રેણીમાં ઉચ્ચ ઝડપે કામ કરી શકે છે, જ્યારે પરંપરાગત ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન ટ્યુબ લાંબા તરંગલંબાઇ સાથે ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશને પ્રતિસાદ આપી શકતી નથી.ગ્રાફીન ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઇન્ડક્શન સાધનોની કાર્યકારી આવર્તનમાં હજુ પણ સુધારણા માટે મોટી જગ્યા છે.તેની શ્રેષ્ઠ કામગીરી તેને સંચાર, રીમોટ કંટ્રોલ અને પર્યાવરણીય દેખરેખ સહિત એપ્લિકેશનની સંભાવનાઓની વિશાળ શ્રેણી બનાવે છે.

અનન્ય ગુણધર્મો સાથે નવી સામગ્રી તરીકે, ગ્રાફીનના ઉપયોગ પર સંશોધન એક પછી એક ઉભરી રહ્યું છે.અહીં તેમની ગણતરી કરવી અમારા માટે મુશ્કેલ છે.ભવિષ્યમાં, રોજિંદા જીવનમાં ગ્રાફીનથી બનેલી ફીલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્યુબ, ગ્રાફીનથી બનેલી મોલેક્યુલર સ્વીચો અને ગ્રાફીનથી બનેલા મોલેક્યુલર ડિટેક્ટર હોઈ શકે છે… લેબોરેટરીમાંથી ધીમે ધીમે બહાર આવતા ગ્રાફીન રોજિંદા જીવનમાં ચમકશે.

અમે અપેક્ષા રાખી શકીએ છીએ કે નજીકના ભવિષ્યમાં ગ્રેફિનનો ઉપયોગ કરીને મોટી સંખ્યામાં ઇલેક્ટ્રોનિક ઉત્પાદનો દેખાશે.વિચારો કે જો આપણા સ્માર્ટફોન અને નેટબુક ઉપયોગમાં ન હોય ત્યારે આપણાં સ્માર્ટફોન અને નેટબુકને ફેરવી શકાય, કાન પર બાંધી શકાય, ખિસ્સામાં ભરી શકાય અથવા કાંડા પર લપેટવામાં આવે તો તે કેટલું રસપ્રદ રહેશે!