ग्राफीन ः वज्राहून कठोर, फुलांहून मृदू

विविध गुणांनी युक्त असलेला ग्राफीन नावाचा पदार्थ म्हणजे कार्बनचे अब्जांश रूप. संशोधनाची नवी दालने खुली करणारे हे ग्राफीन शास्त्रज्ञांच्या गळ्यातील ताईत बनले नसते तरच नवल.

१. मागच्याच महिन्यात अमेरिकेतील एका विद्यापीठात संशोधकांनी केस रंगविण्यासाठी असा हेअरडाय तयार केला आहे, ज्याचा काळा रंग ३० वेळा केस धुवेपर्यंत फिका होणार नाही. ज्याच्यामुळे केस तुटणार नाहीत व जो प्रकृतीला हानिकारक नाही.
२. ऑस्ट्रियामधील एका कंपनीने ताकदवान; पण तरीही लवचिक टेनिस रॅकेट्‌स बनविण्याचे पेटंट घेऊन तशा रॅकेट्‌सचे उत्पादन सुरू केले आहे. इंग्लडमधील काही शास्त्रज्ञांनी याच रॅकेट्‌सच्या अंतर्गत रचनेचा वेध घेऊन त्यावर आधारित शोधनिबंध प्रकाशित केला आहे.
३. भारतीय संशोधकांचे ‘सुपरकपॅसिटर’वरील संशोधन ऊर्जा क्षेत्रात या युगातील महत्त्वाचे पाऊल आहे. तसे पाहायला गेले तर वरील तिन्ही बातम्या संशोधनाच्या वेगवेगळ्या क्षेत्रांशी संबंधित आहेत; पण या सगळ्यांना जोडणारा दुवा म्हणजे हे सर्व संशोधन ‘ग्राफीन’ या पदार्थावर आधारित आहे. काय असते बरे हे ‘ग्राफीन’?
सर्व मूलद्रव्यांमध्ये ‘कार्बन’ या मूलद्रव्याला अनन्यसाधारण महत्त्व आहे. ‘हिरा’ व ‘ग्राफाइट’ ही कार्बनची पूर्ण परस्परविरोधी दिसणारी दोन रूपे तेजस्वी व अत्यंत कठीण असलेल्या हिऱ्याच्या लकाकीचा सर्वांना मोह पडतो. ग्राफाइटचा परिचय तर आजकाल शालेय वयातच होतो. पांढऱ्या शुभ्र कागदावर आपण पेन्सिलने काळी कुळकुळीत रेघ मारतो, तेव्हा कागदावर आपण अलगदपणे ग्राफाइट उतरवत असतो.
ग्राफाइट कार्बन अणूंच्या अनेक थरांनी बनलेले असते, जे थर ‘व्हॅन डर वाल’ या क्षीण बलाने जोडलेले असतात. बलाच्या क्षीणतेमुळे हे थर एकमेकांवर सरकू शकतात. यातील प्रत्येक थर किंवा पापुद्रा म्हणजे ग्राफीन नावाचा पदार्थ. हा पदार्थ म्हणजे आपल्या ‘विविध गुणदर्शना’ने शास्त्रज्ञांच्या गळ्यातील ताईत बनलेले कार्बनचं अब्जांशरूप. ग्राफीनविषयी विस्तृतपणे जाणून घेण्यापूर्वी आपण अब्जांश -पदार्थ म्हणजे काय हे समजून घेऊया.

‘अब्जांश-पदार्थ’ हा इंग्रजीतील ‘नॅनो मटेरिअल’ या शब्दाचा प्रतिशब्द आहे. ‘नॅनो’ हा मुळातून ग्रीक शब्द आहे. ज्याचा अर्थ आहे ‘छोटा’. ‘सेंटी’, ‘मायक्रो’प्रमाणे ‘नॅनो’ हा एक उपसर्ग म्हणून वापरतात. ज्याप्रमाणे एक सेंटिमीटर हा एक मीटरचा शंभरावा भाग आहे; त्याचप्रमाणे एक नॅनोमीटर हा एक मीटरचा अब्जांशावा भाग आहे. त्यामुळेच ‘नॅनो’ या शब्दासाठी मराठीत ‘अब्जांश’ असा प्रतिशब्द आहे. एक अब्जांश मीटर हे खूपच लघुपरिमाण आहे. एक केस अंदाजे ९० हजार अब्जांश मीटर जाडीचा असतो. ‘अब्जांश-संरचना’ किंवा ‘नॅनोस्ट्रक्‍चर’ची व्याख्या पुढीलप्रमाणे करतात- ‘अशी संरचना जिच्या लांबी, रुंदी, जाडीपैकी किमान एक तरी १ ते १०० अब्जांश मीटरमध्ये आहे. इतकी छोटी संरचना बघण्यासाठी इलेक्‍ट्रॉन सूक्ष्मदर्शक किंवा तत्सम यंत्रे लागतात. काही निसर्गनिर्मित तसेच मानवनिर्मित अब्जांशपदार्थ शतकानुशतके अस्तित्वात आहेत; पण ते पाहण्यासाठी आवश्‍यक सूक्ष्मदर्शकांची निर्मिती व विकास विसाव्या शतकात झाल्याने त्यानंतर अब्जांशविज्ञान व अब्जांश तंत्रज्ञानाचे जणू युगच सुरू झाले. अब्जांश पदार्थांना इतकं महत्त्व मिळण्याचे कारण म्हणजे त्यांचे वैशिष्ट्यपूर्ण व ‘ट्युनेबल’ गुणधर्म. ‘अब्जांश-संरचनां’चे मापदंड (बदलले) की त्यानुसार त्यांचे गुणधर्मही बदलतात. याच कारणामुळे अब्जांश पदार्थांचे अनंत उपयोग आहेत. टेनिस रॅकेटपासून सनस्क्रीन लोशनसारख्या असंख्य उत्पादनांत त्यांचा वापर होतो आहे. वैद्यकीय क्षेत्र, ऊर्जा व पर्यावरण क्षेत्र, कृषी क्षेत्र व इतर अनेक उद्योग क्षेत्रांसाठी अब्जांश पदार्थ उपयोगी आहेत.

सर्वांत उपयोगी अब्जांश पदार्थांची यादी करायची ठरविली तर त्यात कार्बनच्या अब्जांश रूपांचा क्रमांक वरचा लागेल. फुलरीन, कार्बन नळ्या व ग्राफीन ही कार्बनची मुख्य अब्जांश रूपे मानली जातात. यातील ग्राफीन हे अब्जांश रूप खरे तर फुलरीन व कार्बन नळ्या यांची जननी आहे. वर उल्लेख केल्याप्रमाणे ग्राफाइटमधील प्रत्येक थर किंवा पापुद्रा म्हणजे ग्राफीन. हे असे थर वेगवेगळे करणे हे शास्त्रज्ञांपुढील एक आव्हान होते. गेम व नोव्होसेलोव्ह या रशियन संशोधकांनी चिकटपट्टीचा वापर करून हे थर वेगवेगळे केले व २०१० मधील भौतिकशास्त्रासाठीचे ‘नोबेल’ पारितोषिक पटकावले.

या लेखात प्रसिद्ध केलेल्या चित्रात ग्राफीनची रचना दिसते. कार्बनचे ६ अणू जोडून एक षट्‌कोनी बंद साखळी तयार होते. असे अनेक षट्‌कोन एकमेकांना जोडल्यावर मधमाश्‍यांच्या पोळ्यासारखा ‘हनीकोंब’ रचनेचा पापुद्रा आकार घेतो. कार्बन अणूंची ही द्विमितीय रचना म्हणजे ग्राफीन नावाचे स्फटिक. हे ग्राफीन गुंडाळून एकमितीय कार्बन नळ्या बनविता येतात. कार्बन नळ्या कशा रीतीने गुंडाळल्या आहेत, यावरून त्यांचे गुणधर्म व प्रकार ठरतात. १९९१ मध्ये ईजिमा नावाच्या शास्त्रज्ञाने या नळ्यांचा शोध लावला. तत्पूर्वी ‘फुलरीन’ हे आर्किटेक्‍ट बक मिनस्टर फुलरीनने बनविलेल्या घुमटाची आठवण करून देणारे कार्बनचं शून्यमितीय अब्जांशरूप संशोधनाचा केंद्रबिंदू होते. फुलरीन म्हणजे ६० कार्बन अणू अग्रबिंदूला असलेली, २० षट्‌कोन व १२ पंचकोन यांनी बनलेली, पोकळ व बंद पिंजऱ्यासारखी रचना. फुलरीन व कार्बन नळ्यांचा उपयोग आजही होत असला तरी आपल्या अजोड गुणांमुळे त्यांची जननी ग्राफीन ‘सवाई’ असल्याचे दिसून येतेय.

ग्राफीनच्या वैशिष्ट्यपूर्ण संरचनेमुळे ते बहुगुणी बनले आहे. किंबहुना ग्राफीनचे गुणधर्म पाहून ‘वज्रादपि कठोर, मृदुनि कुसुमादपि’ (वज्राहून कठोर व फुलांहून मृदू) या महामानवांच्या स्वभावासाठी वापरल्या जाणाऱ्या ओळींची आठवण होईल. कारण ग्राफीन एकाच वेळी अत्यंत कठीण व लवचिक आहे; अतिशय मजबूत तसेच अतिशय हलके आहे; अत्यंत घन तरीही अत्यंत पातळ आहे; पारदर्शक असण्याबरोबरच उष्णता व वीज यांचा उत्तम वाहकही आहे. या विशेष गुणधर्मांमुळे अर्थातच ग्राफीनचे अनेक उपयोग आहेत. उत्तम वीजवाहक असल्यामुळे ग्राफीन इलेक्‍ट्रॉनिक्‍स व संवेदन क्षेत्रासाठी महत्त्वाचे आहे. पारदर्शकतेमुळे ग्राफीनचा वापर सौरऊर्जेसारख्या पर्यावरणपूरक क्षेत्रात होऊ लागला आहे. संपूर्णपणे कार्बनचे बनलेले असल्यामुळे ग्राफीन वैद्यकीय क्षेत्रासाठीही उपयोगी आहे. इथे उल्लेख केलेले हे उपयोग म्हणजे निव्वळ हिमनगाचे टोक; किंबहुना ग्राफीनच्या एकूण उपयुक्ततेचा फक्त ‘अब्जांशावा’ भाग!
नारळाच्या झाडाला त्याच्या अनेक उपयोगांमुळे ‘कल्पवृक्ष’ असे संबोधले जाते. त्या धर्तीवर कल्पनातीत प्रगतीची वाट दाखविणाऱ्या बहुगुणी ग्राफीनला ‘कल्पपदार्थ’ म्हणून संबोधले जाऊ लागले तर नवल वाटायला नको!