esakal | शुद्ध पाण्यासाठीचा ‘फिल्टर’

बोलून बातमी शोधा

graphene}

विज्ञानरंग
एकविसाव्या शतकातील सर्वांत स्मार्ट घटक कुठला? असं जर कुणाला विचारलं तर, त्याचं उत्तर सहज व सरळ आहे. ज्यानं विसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात शेवटी पावलं उमटवली आणि एकविसाव्या शतकाच्या सुरुवातीलाच आपलं देखणं रूप घेऊन आला तो म्हणजे ग्राफिन.

शुद्ध पाण्यासाठीचा ‘फिल्टर’
sakal_logo
By
डॉ. संजय ढोले saptrang@esakal.com

एकविसाव्या शतकातील सर्वांत स्मार्ट घटक कुठला? असं जर कुणाला विचारलं तर, त्याचं उत्तर सहज व सरळ आहे. ज्यानं विसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात शेवटी पावलं उमटवली आणि एकविसाव्या शतकाच्या सुरुवातीलाच आपलं देखणं रूप घेऊन आला तो म्हणजे ग्राफिन. गेल्या शतकात सिलिकॉन या पदार्थानं मोठीच किमया केली होती आणि त्याची अतिसूक्ष्म तंत्रज्ञानापर्यंत मजल जाऊन, या शतकातही त्याचे पडसाद उमटत आहेत. याच पार्श्वभूमीवर ग्राफिन या पदार्थाचा उदय झाला आणि त्यानं एकविसावं शतक व्यापून घेण्याचं दिव्य केलं. त्याला कारण म्हणजे त्याचे सक्षम गुणधर्म, ते म्हणजे रासायनिक भौतिक, औष्णिक, लवचिक, यांत्रिक, इलेक्ट्रॉनिक, प्रकाशकीय असे त्याचे भरपूर गुणधर्म पुढे घेत आहेत. ग्राफिनचे गुणधर्म पाहता तो या शतकातील गुणवान पदार्थ ठरेल हे निश्चित. कारण त्याच्यात संपूर्ण नवीन तंत्रज्ञान विकसित करण्याची ताकद आहे.

ग्राफिनची आठवण येण्याचं कारण म्हणजे, ग्राफिनचा उपयोग सक्षम व परिणामकारकपणे पाणी शुद्धीकरणासाठी होऊ शकतो असा दावा ‘मॅसाच्युसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी’मधील पदार्थ विज्ञान शास्त्रज्ञ प्रा. मुचुन लिऊ यांनी नुकताच केला आहे. ग्राफिनच्या गुणधर्मांना मिळालेला हा एक वेगळा आयाम आहे असं समजलं जात आहे. नेमकं हे पाण्याचं शुद्धीकरण किंवा त्यातील घाण काढण्याचे कार्य ग्राफिन कसे करते हे समजून घेण्याआधी ग्राफिनबद्दल थोडं जाणून घेऊ या.

ताज्या बातम्यांसाठी डाऊनलोड करा ई-सकाळचे ऍप

तसं पाहिलं तर ग्राफिन हे कार्बनच्या ग्रॅफाईट व कोळशाचे बहुरुपक आहे. कार्बनचेच मूळ संरचनात्मक रुप आहे. प्रथम १८५९ मध्ये बेंजामिन कोलिन्स ब्रोडी यांनी औष्णिक घटातून निर्माण झालेल्या ग्रॅफाईट ऑक्साईडच्या संरचनेची नोंद केली. त्यानंतर १९१६ मध्ये ग्रॅफाईटच्या संरचनेचा शोध लागला. याच संरचनेची इत्थंभूत माहिती १९१८ मध्ये कोहालाटर आणि हानी यांनी घेतली. नंतर १९४० मध्ये बालेख यानी ग्राफिनचा सैद्धांतिक शोध घेतला आणि त्रिमितीय ग्रॅफाइटच्या इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्माबद्दल भाष्य केले. 

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकेच्या साहाय्याने रुस व व्होगट यांनी १९४८ मध्ये ग्रॅफाईटमधील विविध थर पाहिले. हे थर ग्राफिनचे पापुद्रे होते. ग्रॅफाईटमधील या साम्यामुळे हान्स पीटर बोहम यांनी १९६१-६२ च्या दरम्यान प्रथमच ग्राफिन या शब्दाचा उल्लेख केला. ओशिमा यांनी १९७० मध्ये कार्बन अणूंचा एक थर दुसऱ्या एका पदार्थावर प्रस्थापित करून, निरीक्षण केले. ग्राफिन या शब्दाचा पुन्हा एकदा १९८७ मध्ये वापर झाला आणि १९९४ मध्ये बोहम यांनी त्याचं नाव दृगोचर करून शिक्कामोर्तब केले. त्याचा वापर कार्बन सूक्ष्म नलिकेच्या स्फटिकीकरणासाठी सापतो यांनी याच काळात केला. २००२ मध्ये मात्र रॉबर्ट रुदरफोर्ड आणि रिचर्ड ड्रडमन यांनी ग्राफिन तयार करण्याचा एका पद्धतीचे पेटंट अमेरिकेत नोंदविले. त्याची जाडी होती ०.००००१ इंच. पुढे मँचेस्टर विद्यापीठातील गीम व नोव्होसेलोव्ह या द्वयींनी २००४ मध्ये, जसे कागदावर पेन्सिलीचे थर उमटतात, अगदी तसेच ग्राफिनच्या निर्मितीसाठी शिसपेन्सिलचे टोक सतत सेलोफनबर्गिय चिकटपट्टीला चिकटवले आणि त्या छाप्याचे इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकेच्या साहाय्याने निरीक्षण केले आणि सततच्या प्रयत्नांनी त्यांना ग्राफिनची संरचना उद्‍धृत होतांना दिसली व गुणधर्म पडताळून पाहिले. शिवाय २००७ मध्ये त्यांनी लेखही प्रसिद्ध केला.

- पुण्याच्या बातम्या वाचण्यासाठी येथे ► क्लिक करा

या ग्राफिनच्या अतिशय सोप्या पद्धतीच्या निर्मितीबहल या व्दयींना २०१०चा नोबेल पुरस्कारही देण्यात आला. मुळात ग्राफिन हे कार्बनच्या सहा अणूंनी बनलेले असून, घटकोनात परिबद्ध असतात आणि त्यांचा परस्पर अणूंमधील अंतर हे ०.१४२ नॅनोमीटर एवढे असते, असे अनेक घटकोन एकत्र येऊन त्याचा थर निर्माण होतो आणि तीच खरी ग्राफिनची द्विमितीय स्थिती असते. या ग्राफिनचे गुणधर्म हलका, वीजवाहक, लवचिक असल्याने त्याचे विविध क्षेत्रात म्हणजे भ्रमणध्वनी, संगणक, दूरचित्रवाणी, सौरपंखे, सौरघट, सौरउर्जा, गंजरोधक, कृत्रिम मासपेशी, सपुरकपॅसिटर असे अगणित भौतिकी, रसायन व जैविक उपयोग होत आहेत. 

शुद्ध पाणी मिळविण्यासाठी ग्राफिनचा उपयोग करण्याचा प्रयत्न शास्त्रज्ञांनी केला. मुख्यत्वे ग्राफिनमधून पाणी आणि हायड्रोजनचे अणू सहजपणे जाऊ शकतात. पण इतर अणू मात्र जाऊ शकत नाहीत. ग्राफिनमध्ये वर्धनशील व लवचिकतेचा गुणधर्म असल्याने, पाणी शुद्धीकरणासाठी त्याचा वापर शास्त्रज्ञांनी बेमालूमपणे केला. ग्राफिनमध्ये ‘बॉडर बॉल गॅप’ आणि त्याचा शोषणाचे महत्त्व अधोरेखित केले आहे. द्विमितीय नॅनोपदार्थाचे जेव्हा एकमेकांवर थर लावले जातात, तेव्हा त्यामध्ये निर्माण होणाऱ्या रिकाम्या जागेला ‘बॉडर वॉल गॅप’ असे म्हणतात. आणि पाणी गाळणीच्या दृष्टीने ती फट अतिशय महत्त्वाची मानली जात आहे. या अशा निर्माण होणाऱ्या नॅनो चॅनल्सचा उपयोग कसा करता येईल, याचा शास्त्रज्ञ शोध घेत आहेत. पण गाळणी म्हणून वापरासाठी ग्राफिनचा बारीकपणाच मुख्यत्वे अडचण निर्माण करीत आहे. द्रवांना उभ्या दिशेपेक्षा आडव्या दिशेला जायला खूपच वेळ द्यावा लागत असल्याने गाळणी होण्यासाठी अडसर होत आहे.

हा प्रश्न सोडविण्यासाठी शास्त्रज्ञांनी लवचिक पदार्थ घेऊन, त्यावर ग्राफिनचा थर चिरडून सूक्ष्म पातळीवर सलग उंच व खोलगट भाग (शिखरे व दऱ्या) निर्माण केला. याचा अर्थ द्रव पदार्थ हा आडव्या दिशेने जाण्याऐवजी शिखराच्या किंवा उंचवट्याच्या उभ्या बाजूने वेगाने पुढे जातो. हे सर्व अतिसूक्ष्म पातळीवर घडते. जेव्हा तुम्ही ग्राफिन सुरकुतायला सुरुवात करता, तेव्हाच खऱ्या अर्थाने पदार्थ वाकवून, चॅनेल्स पृष्ठभागाच्या बाहेर डोकावू लागतात. शिखरे व दऱ्या सुव्यवस्थित करण्यासाठी मात्र एखाद्या चिवट पदार्थाने ग्राफिन व मूळ पदार्थ यांची सांगड घालून, द्रव्य किंवा पाणी वेगाने जाते व त्याचे रुपांतर सक्षम गाळणीमध्ये होते. त्यामुळे शुद्ध पाणी मिळण्याचा मार्ग मोकळा होतो. आता शास्त्रज्ञ नवीन पदार्थाच्या शोधात असून, जेणे करुन अतिशय छोटे आणि अरुंद असे ‘चॅनेल’ निर्माण करून, पाण्यातील घाणच नाहीतर, मानवी शरीरातील घातक असणारे रेणूही अडवता येतील का याचा विचार होतो आहे. सुरकुतलेल्या ग्राफिनचा त्यासाठी वापर होणार असून, शास्त्रज्ञ त्या दिशेने प्रयत्नशील आहेत. सुरकुतलेल्या ग्राफिनवर आधारित ही गाळणी निश्‍चित शुद्ध पाण्याचा झरा म्हणून मानवी जीवनास उपयुक्त ठरणार आहे. शिवाय ती माफक दरात उपलब्ध होणार आहे.

Edited By - Prashant Patil