द्विमितीय पदार्थ व्यापताहेत तंत्रज्ञानाचे अवकाश

Vidnyan-kshitij.
Vidnyan-kshitij.

तिसरी औद्योगिक क्रांती घडवून आणण्याची क्षमता असणाऱ्या नॅनो तंत्रज्ञानाची मध्यवर्ती संकल्पना अशी आहे की पदार्थाचा आकार, म्हणजे त्याची लांबी, रुंदी आणि जाडी, यापैकी कोणतीही एक किंवा दोन अथवा तिन्ही मिती शंभर नॅनोमीटरपेक्षा कमी केल्यावर त्या पदार्थाचे गुणधर्म लक्षणीयरीत्या आणि बऱ्याच वेळा अपेक्षित रीतीने बदलतात. उदा. सोने नॅनो पातळीवर लाल दिसते, तर चांदी निळी; शिवाय नॅनो पातळीवर कार्बन हा जगातला सर्वात मजबूत पदार्थ बनतो. फक्त एकच मिती, म्हणजे जाडी शंभर नॅनोमीटरपेक्षा कमी केल्यावर, ती नसल्यातच जमा धरली जाते आणि उरलेल्या फक्त लांबी आणि रुंदी असणाऱ्या पदार्थांना द्विमितीय पदार्थ म्हटले जाते. 
या द्विमितीय पदार्थांचा पहिला अवतार म्हणजे ग्राफाईटचे द्विमितीय प्रतिरूप असलेला ग्राफिन. पाच दशकांच्या अथक परिश्रमानंतर 2004 मध्ये भौतिकशास्त्रज्ञांना ग्राफिन तयार करण्यात यश आले. त्यानंतर मात्र ग्राफिन हा या दशकातील सर्वाधिक प्रसिद्ध आणि सर्वाधिक अभ्यासलेला पदार्थ ठरला आहे. गेल्या चौदा वर्षांत ग्राफिनवर प्रसिद्ध झालेल्या संशोधनपत्रिकांची संख्या दीड लाख आहे आणि अजूनही तो वेग मंदावलेला नाही. या अफाट संशोधनातून ग्राफिनचे अनेकविध, विलक्षण आणि कमालीचे उपयुक्त गुणधर्म लक्षात आलेले आहेत. ग्राफिनची अणूसंरचना षटकोनी, मधाच्या पोवळ्यासारखी, स्फटिकवत, मात्र कमालीची निर्दोष आणि परिपूर्ण आहे; इतकी की ग्राफिनमध्ये इलेक्‍ट्रॉन्स अडथळ्याविना आणि म्हणूनच कमालीच्या वेगाने म्हणजे प्रकाशाशी स्पर्धा करत धावतात. याच निर्दोष रचनेमुळे ग्राफिनला प्रदूषण करणाऱ्या पदार्थांचा अगदी एक अणुदेखील संवेदता येतो. आजमितीला ग्राफिन हा जगातला सर्वात मजबूत तरीही कमालीचा लवचिक पदार्थ ठरलेला आहेच, पण सर्वोत्तम विद्युतवाहक, सर्वोत्तम उष्णतावाहक आणि तरीही प्रकाशाला पारदर्शी असल्याचेही सिद्ध झालेले आहे. ग्राफिनमध्ये विद्युतवहन हे ऋण, तसेच धनभारीत कणांमुळेदेखील होते. मॅंचेस्टरमध्ये विद्यापीठात संशोधन करणारे आंद्रे गिएम आणि कॉंस्टेंटीन नोवोसेलॉफ हे भौतिकशास्त्रज्ञ ग्राफिनचे जन्मदाते; त्यांना 2010चे नोबेल पारितोषिक देऊन गौरवण्यात आले आहे. 

केवळ एक मिती शंभर नॅनोमीटरपेक्षा कमी केल्यावर, ग्राफिन असे आश्‍चर्यकारक गुणधर्म दाखवू शकतो, तर निसर्गातील इतरही पदार्थांची द्विमितीय प्रतिरूपे शक्‍य आहेत काय, या प्रश्नाचे उत्तर भौतिकशास्त्रज्ञांनी निसर्गाकडून "होय' असे मिळवले आहे आणि त्यातूनच ग्राफिन हा ज्याचा कुटुंबप्रमुख आहे अशा द्विमितीय पदार्थांचे कुटुंबच जन्माला आलेले आहे. सिलिकॉनने इलेक्‍ट्रॉनिक्‍समध्ये स्वतःचे भक्कम स्थान निर्माण केलेले आहेच. त्याचेच द्विमितीय प्रतिरूप, म्हणजे सिलिकीन 2010मध्ये जन्माला आले. 

सिलिकीनची संरचनादेखील ग्राफिनसारखी षटकोनी आणि मधाच्या पोवळ्यासारखी आहे. फरक एवढाच की ग्राफिन पूर्ण सपाट, तर सिलिकीन काहीसा वक्रीभूत, पण त्यामुळेच अधिक स्थिर आणि काही बाबतीत ग्राफिनला वरचढ! सिलिकीनवर आधारित पहिला ट्रान्सिस्टर 2015 मध्ये निदर्शित केला गेला. 
सिलिकिनवर विविध भौतिक आणि रासायनिक प्रक्रिया करून, तसेच इतर पदार्थांबरोबर संमिलीत करून त्यामध्ये उपयुक्त असे विद्युत आणि चुंबकीय गुणधर्म प्रवर्तित केले जात आहेत. किंबहुना सिलिकीनचा हायड्रोजनबरोबर संयोग करून सिलिकेन हे वेगळेच प्रतिरूप भौतिकशास्त्रज्ञांनी जन्माला घातलेले आहे आणि 
त्याचा हायड्रोजन या सक्षम, पण ज्वालाग्राही इंधनाची साठवणूक करण्यासाठी होऊ शकत असल्याचे आढळले आहे. कार्बन नॅनो ट्युब्सच्या धर्तीवर सिलिकीन नॅनो ट्युब्स बनवण्याचेही प्रयत्न चालू आहेत. ग्राफिन आणि सिलिकीनसदृश असलेले आणि जवळपास तसेच गुणधर्म असलेले जरमॅनीन हे जरमॅनियमचे प्रतिरूपही 2014 पासून संशोधनाच्या टप्प्यात आलेले आहे. टीनचे द्विमितीय प्रतिरूप स्टॅनीन 2011 मध्ये शोधले गेले आणि त्याचा प्रदूषण नियंत्रणासाठी उपयोग होऊ शकतो. बोरॉनचे द्विमितीय प्रतिरूप बोरोफिन 2014 मध्ये अस्तित्वात आले आणि त्याची विद्युतवाहकता धातूंच्या तोडीस तोड आहे. 2014 मध्येच अस्तित्वात आलेले फॉस्फरीन हे फॉस्फरसचे द्विमितीय प्रतिरूप अतिसंवाहकता दाखवते, तसेच प्रकाश आणि अतिनील किरणांना उत्तम प्रतिसाद देते. संयुगांचीही द्विमितीय प्रतिरूपे प्रत्यक्षात येऊ पाहताहेत! 

एकंदरीतच द्विमितीय पदार्थांचे कुटुंब वाढतच चालले आहे. फक्त एक मिती शंभर नॅनोमीटरपेक्षा कमी केल्यावर पदार्थाचे गुणधर्म इतके बदलतात तरी का? याची तीन कारणे आहेत. एक म्हणजे पदार्थ जसजसा लहान होतो, तसा त्याचा पृष्ठभाग हा त्याच्या आकारमानापेक्षा मोठा होतो, ज्यामुळे तो पदार्थ अधिक क्रियाशील होतो. दुसरे म्हणजे नॅनो पातळीवर पदार्थांचे गुणधर्म क्वांटम भौतिकशास्त्र नियंत्रित करते, जे दैनंदिन भौतिकशास्त्रापेक्षा अतिशय वेगळे आहे. तिसरे म्हणजे द्विमितीय पदार्थ एकस्तरीय असल्यामुळे त्यांच्यात आंतरस्तरीय बल नसल्यातच जमा असते. 
या विलक्षण गुणधर्मांमुळेच द्विमितीय पदार्थांचे अनेकविध संभाव्य उपयोग दृष्टिपथात येताहेत. सर्वात महत्त्वाचे क्षेत्र म्हणजे इलेक्‍ट्रॉनिक्‍स आणि त्याला समांतर असलेल्या स्पिन्ट्रॉनिक्‍स आणि फोटॉनिक्‍स या शाखा, विद्युत, जैव, रासायनिक अभियांत्रिकी, स्वस्त आणि प्रदूषणविरहित उर्जा या आणि इतरही क्षेत्रांत द्विमितीय पदार्थ महत्त्वाची भूमिका बजावतील. ट्रान्सिस्टर, एलईडी, विविध प्रकारचे संवेदक, क्वांटमसंगणक, 
इंधनघट, विद्युतघट, सौरविद्युतघट, प्रभावी उत्प्रेरके, शिवाय विविध संयुगे आणि संमिश्र पदार्थ, तसेच प्रदूषण नियंत्रण ही वानगीदाखल उदाहरणे! 
अर्थात द्विमितीय पदार्थांचा संशोधनाच्या पातळीपासून ते दैनंदिन आयुष्यात प्रत्यक्ष उपयोग हा प्रवास पूर्ण होण्यासाठी, भौतिकशास्त्रज्ञांना काही आव्हानेदेखील पेलायची आहेत. द्विमितीय पदार्थ तयार करण्यासाठी लागणारी कमालीची निर्वात जागा, त्यांचे हवेबरोबर संयोग झाल्यास होणारे निचयन, ते निर्दोष स्वरुपात मिळवणे आणि त्यांना नेहमीच्या त्रिमितीय उपकरणांमध्ये सुसंगतरीत्या बसवता येणे अशी अनेक आव्हाने आहेत. द्विमितीय पदार्थांचे औद्योगीकरण आणि व्यापारीकरण हे अजून एक मोठे आव्हान. त्यासाठी मात्र भौतिकशास्त्रज्ञ आणि अभियंते यांच्यामध्ये भक्कम सहयोगाची आवश्‍यकता आहे. 
 

Read latest Marathi news, Watch Live Streaming on Esakal and Maharashtra News. Breaking news from India, Pune, Mumbai. Get the Politics, Entertainment, Sports, Lifestyle, Jobs, and Education updates. And Live taja batmya on Esakal Mobile App. Download the Esakal Marathi news Channel app for Android and IOS.

Related Stories

No stories found.
Esakal Marathi News
www.esakal.com