फॉस्फरस या अधातूवर्गीय मूलद्रव्याची पिवळा, तांबडा, सिंधुरी, जांभळा आणि काळा अशी अनेक रंगांची बहुरूपकत्वे निसर्गात आढळतात. त्यांपैकी काळ्या फॉस्फरसपासून फॉस्फोरिनचे (Phosphorene) द्विमितीय अब्जांश कण तयार केले जातात.
फॉस्फोरिनची संरचना : काळा फॉस्फरस रासायनिकदृष्ट्या फारसा क्रियाशील नाही. तो स्फटिकरूपात आढळतो. याला बीटा मेटॅलिक फॉस्फरस असे म्हणतात. यापासून फॉस्फोरिन हा इलेक्ट्रॉनिक क्षेत्रामध्ये उपयुक्त असणारा पदार्थ बनवता येतो. काही रासायनिक पदार्थांचा लहानात लहान पातळ पापुद्रा तयार करता आला तर त्याचे गुणधर्म खूप वेगळे आणि उपयुक्त असू शकतात. ब्रिटनच्या मँचेस्टर विद्यापीठातील जॅक ब्रँट यांनी प्रथम काळ्या स्फटिकरूपी फॉस्फरसपासून एक अतिशय पातळ पापुद्रा असलेला पदार्थ २०१४ मध्ये तयार केला. फॉस्फरसचे हे पातळ पापुद्रे ‘व्हन डर वाल्स’ (Van der Waals forces) वर्गीय बंधनाने एकत्रित राहतात. त्याची जाडी खूपच कमी म्हणजे १.३—४.३ नॅनोमीटर इतकी असते. फॉस्फोरिनची संरचना करवतीच्या पात्याप्रमाणे दातेरी दिसते. त्याची लांबी साधारणत: २१० नॅनोमीटर असते. साहजिकच असा पदार्थ द्विमितीय वर्गीय असतो. या पदार्थाला फॉस्फोरिन असे नाव देण्यात आले.
फॉस्फोरिनची निर्मिती : प्रयोगशाळेत फॉस्फोरिन तयार करण्याच्या दोन पद्धती आहेत. स्फटिकरूपी काळा फॉस्फरस तयार करण्यासाठी मूळ फॉस्फरसवर प्रचंड दाब द्यावा लागतो. तयार झालेल्या स्फटिकरूपी काळ्या रंगाच्या फॉस्फोरसला बीटा मेटॅलिक फॉस्फरस म्हणतात. त्यापासून फॉस्फोरिने बनवण्यासाठी स्कॉच टेप (Scotch Tape) नावाची एक पद्धत आहे. यात स्फटिकरूपी काळ्या फॉस्फरसचे १८०० से. तापमानाला यांत्रिक पद्धतीने रेणू सदृश्य पातळ तुकडे किंवा काप केले जातात. याला मायक्रो-क्लिव्हेज (Micro Cleavage) म्हणतात. त्याचा वापर इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रात वापरण्यात येणाऱ्या विद्युत् मंडलामध्ये करायचा असतो. यामुळे ॲसिटोन, आयसोप्रॉपिल अल्कोहोल आणि मेथॅनॉल या सेंद्रीय विद्राव्यकांच्या साहाय्याने फॉस्फोरिन अत्यंत स्वच्छ केले जाते.
फॉस्फोरिन निर्मितीच्या दुसऱ्या पद्धतीला लिक्विड एक्स-फॉलिएशन (Liquid Exfoliation Method) म्हणतात. या पद्धतीत ध्वनी लहरींच्या अत्युच्च वारंवारितेचा (Frequency) म्हणजे अल्ट्रासॉनिकेशनच्या तंत्राचा वापर केला जातो. संशोधकांनी तीन ते पाच फॉस्फरस अणूंच्या जाडीचे पापुद्रे तयार करून त्याचे गुणधर्म पडताळून पाहिले आहेत.
फॉस्फोरिनचे गुणधर्म आणि उपयोग : आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये सूक्ष्म आकाराचे अर्धसंवाहक मोठ्या प्रमाणात वापरले जातात. विद्युत् प्रवाह थोपवणे, त्याचे प्रवर्धन करणे, नियंत्रण करणे आदी कार्यांसाठी अर्धसंवाहकांची गरज असते. “बँड-गॅप” हे अर्धसंवाहकाचे एक वैशिष्ट्य असते. बँड-गॅप म्हणजे अशी जागा की जेथून इलेक्ट्रॉन मुक्त होण्यासाठी अत्यंत कमी ऊर्जा लागते. फॉस्फोरिनमध्ये योग्य अशी बँड-गॅप असते. त्यामुळे मुक्त झालेले इलेक्ट्रॉन सुलभपणे विद्युत्-वहन करतात. या गुणधर्माला “इलेक्ट्रॉन-मोबिलिटी” म्हणतात. यामुळे अर्धसंवाहकामधून विद्युत् प्रवाह वेगाने वहन करत नाही. तसेच तो अतिशय सावकाशपणे वहन करत नाही. परिणामत: यातून वाहणाऱ्या विद्युत् प्रवाहावर नियंत्रण करता येते. साहजिक फॉस्फोरिनपासून उच्च दर्जाचे व कार्यक्षम असे ट्रान्झिस्टर आणि मायक्रो प्रोसेसर तयार होऊ शकतात. ते अतिसूक्ष्म असल्यामुळे वजनाला हलके असतात.
सध्या प्रकाश-संवेदक (Photo detector) म्हणून जर्मेनियम धातूचा वापर सिलिकॉन चिपमध्ये केला जातो. हे कार्य फॉस्फोरिन देखील उत्तमप्रकारे करू शकते. फॉस्फोरिनच्या प्रकाशकीय (Optical) गुणधर्माचा उपयोग ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणात होऊ शकेल. विशेषत: सौर-ऊर्जा निर्माण करणाऱ्या आधुनिक उपकरणात तसेच अब्जांश तंत्रज्ञानात त्याचा यशस्वी उपयोग करण्यात येतो. फॉस्फोरिनमधून वीजवहन होताना होणारा अवरोध नगण्य असल्यामुळे त्याचा उपयोग एक अतिसंवाहक पदार्थ म्हणून अत्यंत वेगवान रेल्वेच्या यंत्रणेत होऊ शकतो. वैद्यक शास्त्रामध्ये रुग्णाची चिकित्सा किंवा निदान करताना एमआरआय (Magnetic resonance imaging) उपकरणात फॉस्फोरिन उपयुक्त आहे. फॉस्फोरिनपासून लवचिक आणि स्थितिस्थापकत्वाचा गुण असलेली विद्युत्-मंडले (Circuits) बनवता येतात. यापासून घडी किंवा गुंडाळी करून ठेवता येतील अशी उपकरणे भावी काळात तयार होतील. तसेच उच्च क्षमतेचे चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करण्यासाठी देखील फॉस्फोरिन उपयुक्त ठरले आहे. इलेक्ट्रॉनिक्स संबंधित उपकरणांची निर्मिती करताना पुढील काळात फॉस्फोरिनचा उपयोग मोठ्या प्रमाणात होऊ शकतो.
संदर्भ :
- Akinwande, Deji; Petrone, Nicholas; Hone, James Two-Dimensional Flexible Nanoelectronics Nature Commmunications, 5, 5678, 2014.
- Churchill, Hugh, O. H.; Jarillo-Herrero, Pablo Two-Dimensional Crystals : Phosphorous joins the family Nature Nanobiotechnology, 9, 330-331, 2014.
समीक्षक : वसंत वाघ
