ग्रॅफिन हे कार्बनच्या ग्रॅफाइट, कोळसा, अब्जांशनलिका आदी बहुरूपकांचे मूळ संरचनात्मक रूप आहे. पूर्णतः कार्बनने घडलेले ग्रॅफिन स्फटिकरुपी असून ते द्विमितीय आहे. ग्रॅफिनचे ग्रॅफाईटशी असलेल्या साम्यामुळे ग्रॅफिन हे नाव हांस पीटर बोहम् यांनी १९९४ मध्ये दिले. ग्रॅफिनचे इलेक्ट्रॉनिक, प्रकाशीय, आणि भौतिकी गुणधर्म तंत्रज्ञानाच्या विकासासाठी उपयुक्त ठरले आहेत. यामुळे अब्जांश तंत्रज्ञानामध्ये ग्रॅफिनचे महत्व वाढत आहे.
संरचना : ग्रॅफिन फक्त कार्बनच्या अणूंनी तयार झाले आहे. ग्रॅफिन मधील मूळ घटक सहा कार्बनच्या अणूंनी बनलेले आहेत. ते सहा अणु षटकोनात परिबद्ध असतात. दोन कार्बन अणूंमधील अंतर ०.१४२ नॅनोमीटर असते. असे अनेक षटकोनी घटक एकत्र येतात आणि ते एकाच प्रतलावर (पातळीवर) असतात. कार्बनच्या प्रत्येक अणूभोवती कार्बनचे चार अणू असतात. मात्र ते सारख्या अंतरावर नसतात. चार कार्बन अणूंपैकी पैकी तीन जवळ अंतरावर एकाच प्रतलावर असतात आणि त्यातील दोन कार्बन अणू एकमेकांशी १२० अंशाचा कोन करतात. चौथा कार्बनचा अणू तुलनेनं लांब अंतरावर असतो. प्रत्येक कार्बन मधील तीन इलेक्ट्रॉन बाजूच्या तीन कार्बन अणूंमधील इलेक्ट्रॉन्स बरोबर कोव्हॅलंट (सिग्मा) बंधनाने (किंवा एसपी २ बॉंडींगने) जोडलेले असतात. प्रत्येक कार्बन अणूचा चौथा इलेक्ट्रॉन मात्र पाय बंधनाने जोडलेला असतो. यातून तयार झालेली षटकोनी संरचना बेन्झीन या रसायनासारखी किंवा मधमाशांच्या पोळ्यात एकमेकास संलग्न असलेल्या षटकोनांची रचना असते, तशी असते. ग्रॅफिनच्या रेणूला लांबी आणि रुंदी असते. तथापि जाडी कार्बनच्या एका अणू एवढीच असते. त्यामुळे ग्रॅफिनचा रेणू स्फटिकरुपी आणि द्विमितीय आहे. तो पृथ्वीवरील सर्वात पातळ पदार्थ आहे. त्याची जाडी ०.३४५ नॅनोमीटर आहे. ग्रॅफिनचे ३० लाख थर एकमेकांवर ठेवले तर ती जाडी एक मि.मी. होईल आणि ग्रॅफिनचे त्रिमितीयुक्त ग्रॅफाइट तयार होईल. ग्रॅफिनची गुंडाळी केली तर एकमितीय कार्बनची नॅनोट्यूब तयार होईल.
गुणधर्म : रासायनिक आणि भौतिकी गुणधर्म : ग्रॅफिन रेणूच्या चारही कडांना कार्बनचे रेणू असतात. दोन्ही पृष्ठभागांवरही कार्बनचे रेणू असतात. सर्व कार्बन अणूंचे इलेक्ट्रॉन सर्वसामान्य तापमानाला देखील अत्यंत क्रियाशील असतात. ग्रॅफिनची ऑक्सिजन आणि नायट्रोजन बरोबर उपयुक्त संयुगे तयार होतात. वस्तुमानाच्या तुलनेमध्ये ग्रॅफिनच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ खूपच जास्त आहे. दोन्ही पृष्ठभागांवरील ग्रॅफिनमधील कार्बन-कार्बन अणूंमधील आकर्षण तीव्र आहे. त्यामुळे ग्रॅफिन अत्यंत बळकट आहे. ते पोलादापेक्षा सुमारे २०० पट मजबूत आहे. ग्रॅफिनची घनता मात्र केवळ ०.७७ मिलीग्रॅम प्रति चौरस मीटर आहे. एक ग्रॅम ग्रॅफिनचा थर २३६० चौरस मीटर क्षेत्र व्यापतो.
ग्रॅफिनमधून पाणी आणि हायड्रोजनचे रेणू जाऊ शकतात परंतु अन्य रेणू जाऊ शकत नाहीत. ग्रॅफिन वर्धनशील आणि लवचिक असून त्यामध्ये स्थितिस्थापकत्वाचा गुण आहे. ग्रॅफिन २० टक्के ताणल्यास पुन्हा पूर्वस्थितीत येते. ग्रॅफिनचे विभंजक सामर्थ्य (तणाव पुष्टी) १३० गिगा पास्कल आहे तर पोलादाची फक्त ४०० मेगॅ पास्कल आहे. ग्रॅफिनची लांबी २० नॅनोमीटरपेक्षा लहान असेल किंवा सुमारे ६००० कार्बन पेक्षा कमी अणूंनी तयार झालेले असेल तर ते अस्थिर असते. ग्रॅफिनचा आकार २० नॅनोमीटर पेक्षा मोठा आणि तो किमान २४००० कार्बन अणूंनी घडलेला असेल तर तो उष्मागतिकीच्या नियमाप्रमाणे अत्यंत स्थिर असतो. ग्रॅफिनचा ज्वलनांक सुमारे ३५० अंश से. आहे.
इलेक्ट्रॉनिक आणि प्रकाशीय : ग्रॅफिन रेणूमध्ये अंतर्गत इलेक्ट्रॉनचे चलन-वलन हे अत्यंत वेगाने होते. या गतिशीलतेमुळे इलेक्ट्रॉनला नाममात्र अवरोध होतो. आदर्श अर्धसंवाहक बनवण्यासाठी आवश्यक ती गुण वैशिष्ठ्ये ग्रॅफिनमध्ये आहेत. ग्रॅफिनमधून ताम्रधातू पेक्षाही सुमारे दहा पट जास्त वेगाने वीजवहन होते. त्याच प्रमाणे ग्रॅफिनमधून उष्णतावहनही सहजतेने होते ग्रॅफिनवर प्रकाश किरण पडतात तेव्हा फक्त २.३ टक्के प्रकाशाचे शोषण होते. त्यामुळे ग्रॅफिन हे पारदर्शी आहे.
निर्मिती : कागदावर पेन्सिलीने लिहिले जाते तेव्हा ग्रॅफाईटचे थर कागदावर उमटतात. युनिव्हर्सिटी ऑफ मँचेस्टरचे आंद्रे गीम आणि कॉन्स्टंटिन नोव्होसेलोव्ह यांनी २००४मध्ये ग्रॅफिनची निर्मिती करण्यासाठी शिसपेन्सिलीचे टोक सतत सेलोफेनवर्गीय चिकटपट्टीला चिकटवले आणि उमटलेल्या छापाचे इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपच्या साहाय्याने निरीक्षण केले. एके दिवशी त्यांना ग्रॅफिनची अपेक्षित अशी संरचना उमटलेली दिसली. त्याचे गुणधर्म त्यांनी पडताळून पहिले. ग्रॅफिनसंबंधी केलेल्या संशोधना बद्दल त्यांना २०१० या वर्षीचे नोबेल पारितोषिक मिळाले (संदर्भ १,२,३)
ग्रॅफिन मोठ्या प्रमाणात तयार करण्यासाठी आता रासायनिक बाष्प संघटन (केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन) पद्धत वापरतात. या पद्धतीत ग्रॅफाइटची वाफ ताम्र (कॉपर), कथिल (टिन), इरिडियम, निकेल अशा धातूवर विस्तृत प्रमाणात गोळा केली जाते. या पद्धतीत ग्रॅफिनचे थर नियंत्रित स्वरूपात मिळवता येतात. ग्रॅफाइटचे अत्यंत पातळ थर कापून काढणारे यंत्रही आता उपलब्ध झाले आहे. या पद्धतीला “एक्सफॉलिएशन” म्हणतात.
रासायनिक पद्धतीमध्ये ग्रॅफाइटची अत्यंत बारीक भुकटी केली जाते. नंतर ती पाण्यात मिसळली जाते. या द्रावणात मोठ्या प्रमाणात ग्रॅफिन तयार होते. दुस-या एका रासायनिक पद्धतीत प्रथम ग्रॅफाइट ऑक्साईड तयार केले जाते. त्याची भुकटी पाण्यात टाकली जाते. त्यात सोडियम नायट्रेट, पोट्याशियम परमॅंगनेट आणि सल्फ्युरिक आम्ल मिसळले जाते. या द्रावणात तयार झालेल्या ग्रॅफिन ऑक्साईडचे क्षपण केल्यावर ग्रॅफिन तयार होते. ग्रॅफिन ऑक्साईडचे जैविक पद्धतीने क्षपण करण्यासाठी शेवानेला वनायडेन्सिस हा जीवाणू वापरून शुद्ध ग्रॅफिन मिळवता येते.
उपयोग : (१) ग्रॅफिनचा ताव हलका, वीजवाहक आणि लवचिक असतो. त्यामुळे त्याचा उपयोग भ्रमणध्वनी, संगणक, दूरचित्रवाणी संच आदी उपकरणांच्या पडद्यामध्ये केला आहे. त्यामुळे तो बोटाच्या स्पर्शाने नियंत्रित करता येतो. याला “टच स्क्रीन” तंत्रज्ञान म्हणतात. भावीकाळात दूरचित्रवाणीचा संच वापरात नसताना गुंडाळी करून ठेवता येईल. पॉलिमरमध्ये ३ प्रतिशत ग्रॅफिन असेल तर ते वीजवाहक होते. ते जैवविघटनशील देखील आहे.
(२) ग्रॅफिनची शाई वीजवाहक असल्याने धनादेश वेगाने वटवण्यासाठी त्याचा उपयोग होतो.
(३) अर्धसंवाहकांच्या निर्मितीसाठी आवश्यक असणारे गुणधर्म ग्रॅफिनमध्ये आहेत. ते शुद्ध सिलिकॉन पेक्षा स्वस्त असल्याने त्याचा उपयोग अर्धसंवाहकाच्या उत्पादनात होऊ शकेल.
(४) सौरपंख्यांमध्ये ग्रॅफिनचा उपयोग वीजनिर्मितीसाठी होतो.
संदर्भ :
- गीम, ए. ग्रॅफिन:स्टेटस् एन्ड प्रोस्पेक्टस्, सायन्स ३२४: (५९३४) १५३०-१५३४, २००९.
- गीम, ए. के. आणि किम, पी. कार्बन वंडरल्यांड सायंटिफिक अमेरिकन, एप्रिल २००८.
समीक्षक – वसंत वाघ
