हाल ही में हुए एक महत्वपूर्ण अध्ययन ने किफायती और व्यावहारिक उपयोग वाले सुपरकंडक्टर विकसित करने के लिए ग्राफीन के अद्वितीय गुणों को दर्शाया है।
सुपरकंडक्टर एक ऐसा पदार्थ है जो बिना प्रतिरोध के विद्युत का संचालन (संचारण) कर सकता है । प्रतिरोध को प्रक्रिया के दौरान होने वाली ऊर्जा की हानि के रूप में परिभाषित किया जाता है। अतः, कोई भी पदार्थ तब सुपरकंडक्टिव हो जाता है जब वह किसी विशेष तापमान या स्थिति पर ऊष्मा, ध्वनि या किसी अन्य प्रकार की ऊर्जा उत्सर्जित किए बिना विद्युत का संचालन करने में सक्षम होता है। सुपरकंडक्टर 100 प्रतिशत कुशल होते हैं, लेकिन अधिकांश पदार्थों को सुपरकंडक्टिव बनने के लिए अत्यंत कम ऊर्जा अवस्था में होना आवश्यक होता है, जिसका अर्थ है कि उन्हें बहुत ठंडा होना पड़ता है। अधिकांश सुपरकंडक्टरों को लगभग -270 डिग्री सेल्सियस के बहुत कम तापमान तक तरल हीलियम से ठंडा करना पड़ता है। इस प्रकार, किसी भी सुपरकंडक्टिंग अनुप्रयोग को आमतौर पर किसी न किसी प्रकार की सक्रिय या निष्क्रिय क्रायोजेनिक/कम तापमान शीतलन के साथ जोड़ा जाता है। इस शीतलन प्रक्रिया में अत्यधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है और तरल हीलियम न केवल बहुत महंगा है बल्कि नवीकरणीय भी है। इसलिए, अधिकांश पारंपरिक या "कम तापमान" वाले सुपरकंडक्टर अकुशल होते हैं, उनकी सीमाएं होती हैं, वे अलाभकारी, महंगे और बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए अव्यावहारिक होते हैं।
उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स
सुपरकंडक्टर्स के क्षेत्र ने 1980 के दशक के मध्य में एक बड़ी छलांग लगाई जब एक कॉपर ऑक्साइड यौगिक की खोज की गई जो -238 डिग्री सेल्सियस पर अतिचालक हो सकता है। यह अभी भी ठंडा है, लेकिन तरल हीलियम तापमान की तुलना में बहुत गर्म है। यह नोबेल पुरस्कार जीतने वाले पहले "उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर" (एचटीसी) के रूप में जाना जाता था, हालांकि यह "उच्च" केवल एक बड़े सापेक्ष अर्थ में था। इसलिए, वैज्ञानिकों के लिए यह हुआ कि वे अंततः सुपरकंडक्टर्स खोजने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं जो काम करते हैं, मान लीजिए कि तरल नाइट्रोजन (-196 डिग्री सेल्सियस) के साथ प्लस यह है कि यह भरपूर मात्रा में उपलब्ध है और सस्ता भी है। उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स में ऐसे अनुप्रयोग भी होते हैं जहां बहुत अधिक चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है। उनके कम-अस्थायी समकक्ष लगभग 23 टेस्ला पर काम करना बंद कर देते हैं (टेस्ला चुंबकीय क्षेत्र की ताकत की एक इकाई है) इसलिए उनका उपयोग अधिक मजबूत चुंबक बनाने के लिए नहीं किया जा सकता है। लेकिन उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग सामग्री उस क्षेत्र से दोगुने से अधिक काम कर सकती है, और इससे भी अधिक होने की संभावना है। चूंकि सुपरकंडक्टर्स बड़े चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं, वे स्कैनर और लेविटेटिंग ट्रेनों में एक आवश्यक घटक हैं। उदाहरण के लिए, आज एमआरआई (चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग) एक ऐसी तकनीक है जो शरीर में सामग्री, रोग और जटिल अणुओं को देखने और अध्ययन करने के लिए इस गुण का उपयोग करती है। अन्य अनुप्रयोगों में ऊर्जा-कुशल बिजली लाइनों (उदाहरण के लिए, सुपरकंडक्टिंग केबल एक ही आकार के कूपर तारों की तुलना में 10 गुना अधिक शक्ति प्रदान कर सकते हैं), पवन ऊर्जा जनरेटर और सुपर कंप्यूटर भी शामिल हैं। वे उपकरण जो भंडारण करने में सक्षम हैं। सुपरकंडक्टर्स से लाखों वर्षों तक ऊर्जा पैदा की जा सकती है।
वर्तमान उच्च तापमान वाले अतिचालकों की अपनी सीमाएँ और चुनौतियाँ हैं। कूलिंग डिवाइस की आवश्यकता के कारण बहुत महंगा होने के अलावा, ये सुपरकंडक्टर्स भंगुर सामग्री से बने होते हैं और इन्हें आकार देना आसान नहीं होता है और इस प्रकार बिजली के तार बनाने के लिए इनका उपयोग नहीं किया जा सकता है। सामग्री भी कुछ वातावरण में रासायनिक रूप से अस्थिर हो सकती है और वातावरण और पानी से अशुद्धियों के प्रति बेहद संवेदनशील हो सकती है और इस प्रकार इसे आम तौर पर घेरना पड़ता है। तब केवल एक अधिकतम करंट होता है जिसे सुपरकंडक्टिंग सामग्री ले जा सकती है और एक महत्वपूर्ण करंट घनत्व से ऊपर, सुपरकंडक्टिविटी करंट को सीमित कर देती है। विशेष रूप से विकासशील देशों में अच्छे सुपरकंडक्टर्स के उपयोग में भारी लागत और अव्यवहारिकता बाधा बन रही है। इंजीनियरों, उनकी कल्पना में, वास्तव में एक नरम, लचीला, फेरोमैग्नेटिक सुपरकंडक्टर चाहते हैं जो अशुद्धियों या लागू वर्तमान और चुंबकीय क्षेत्रों के लिए अभेद्य है। पूछने के लिए बहुत कुछ!
ग्राफीन यह हो सकता है!
एक सफल सुपरकंडक्टर का मुख्य मापदंड उच्च तापमान वाला सुपरकंडक्टर खोजना है , आदर्श स्थिति कमरे के तापमान पर होती है। हालांकि, नए पदार्थ अभी भी सीमित हैं और इन्हें बनाना बेहद चुनौतीपूर्ण है। इस क्षेत्र में अभी भी उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों की सटीक कार्यप्रणाली और वैज्ञानिक व्यावहारिक नए डिजाइन तक कैसे पहुंच सकते हैं, इस बारे में निरंतर अध्ययन जारी है। उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों में एक चुनौतीपूर्ण पहलू यह है कि यह अभी तक पूरी तरह से समझा नहीं गया है कि वास्तव में किसी पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों को युग्मित होने में क्या मदद करता है। हाल ही में हुए एक अध्ययन में पहली बार यह दिखाया गया है कि ग्रेफीन पदार्थ में आंतरिक सुपरकंडक्टिंग गुण होते हैं और हम वास्तव में पदार्थ की प्राकृतिक अवस्था में ही ग्रेफीन सुपरकंडक्टर बना सकते हैं। ग्रेफीन, जो पूरी तरह से कार्बन आधारित पदार्थ है, की खोज 2004 में ही हुई थी और यह अब तक ज्ञात सबसे पतला पदार्थ है। यह हल्का और लचीला भी है, जिसकी प्रत्येक परत षट्कोणीय रूप से व्यवस्थित कार्बन परमाणुओं से बनी होती है। यह स्टील से अधिक मजबूत पाया गया है और तांबे की तुलना में इसकी विद्युत चालकता कहीं बेहतर है। इस प्रकार, यह इन सभी आशाजनक गुणों वाला एक बहुआयामी पदार्थ है।
अमेरिका के मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों ने, जिनका शोध ' नेचर' पत्रिका में प्रकाशित दो शोध पत्रों (1,2) में छपा है , बताया है कि वे ग्राफीन नामक पदार्थ को दो चरम विद्युत व्यवहारों को प्रदर्शित करने के लिए अनुकूलित करने में सक्षम हैं - एक कुचालक के रूप में, जिसमें यह किसी भी प्रकार की धारा को प्रवाहित नहीं होने देता, और एक अतिचालक के रूप में, जिसमें यह बिना किसी प्रतिरोध के धारा को प्रवाहित होने देता है। ग्राफीन की दो परतों को 1.1 डिग्री के "जादुई कोण" पर थोड़ा घुमाकर एक साथ रखकर एक "अतिजात जालक" बनाया गया। इस विशेष षट्कोणीय मधुकोश पैटर्न को इस प्रकार व्यवस्थित किया गया ताकि ग्राफीन की परतों में इलेक्ट्रॉनों के बीच "मजबूत सहसंबंधित अंतःक्रियाएं" उत्पन्न हो सकें। और ऐसा हुआ भी, क्योंकि ग्राफीन इस "जादुई कोण" पर शून्य प्रतिरोध के साथ विद्युत का संचालन कर सकता था, जबकि अन्य सभी व्यवस्थाओं में ग्राफीन अलग-अलग रहता था और पड़ोसी परतों के साथ कोई अंतःक्रिया नहीं होती थी। उन्होंने ग्राफीन को स्वतः ही अतिचालक बनने का गुण प्रदान करने का एक तरीका दिखाया। यह रिपोर्ट अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि इसी समूह ने पहले ग्राफीन को अन्य अतिचालक धातुओं के संपर्क में रखकर ग्राफीन अतिचालक संश्लेषित किए थे, जिससे ग्राफीन में कुछ अतिचालक गुण आ गए थे जो अकेले ग्राफीन से प्राप्त नहीं किए जा सकते थे। यह एक अभूतपूर्व रिपोर्ट है क्योंकि ग्राफीन की चालकता क्षमता के बारे में तो जानकारी है, लेकिन यह पहली बार है कि ग्राफीन में अन्य पदार्थों को मिलाए या उनमें कोई परिवर्तन किए बिना इसकी अतिचालकता प्राप्त की गई है। इस प्रकार, ग्राफीन का उपयोग अतिचालक परिपथ में ट्रांजिस्टर जैसे उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है और ग्राफीन द्वारा प्रदर्शित अतिचालकता को नवीन कार्यक्षमताओं वाले आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में शामिल किया जा सकता है।
इससे हम उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों पर चल रही चर्चा पर वापस आते हैं। हालांकि इस सिस्टम को अभी भी 1.7 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करने की आवश्यकता है, लेकिन इसकी अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी की जांच करके बड़े प्रोजेक्टों के लिए ग्राफीन का उत्पादन और उपयोग अब संभव प्रतीत होता है। पारंपरिक सुपरकंडक्टरों के विपरीत, ग्राफीन की गतिविधि को सुपरकंडक्टिविटी के मुख्यधारा के सिद्धांत द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। ऐसी अपरंपरागत गतिविधि जटिल कॉपर ऑक्साइड में देखी गई है जिन्हें क्यूप्रेट्स कहा जाता है, जो 133 डिग्री सेल्सियस तक बिजली का संचालन करने के लिए जाने जाते हैं, और कई दशकों से अनुसंधान का केंद्र रहे हैं। हालांकि, इन क्यूप्रेट्स के विपरीत, एक स्टैक्ड ग्राफीन सिस्टम काफी सरल है और इस पदार्थ को बेहतर ढंग से समझा भी गया है। ग्राफीन को अभी हाल ही में एक शुद्ध सुपरकंडक्टर के रूप में खोजा गया है, लेकिन इस पदार्थ में पहले से ही कई असाधारण क्षमताएं मौजूद हैं। यह कार्य ग्राफीन की मजबूत भूमिका और पर्यावरण के अनुकूल और अधिक ऊर्जा कुशल उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों के विकास का मार्ग प्रशस्त करता है, जो सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि कमरे के तापमान पर कार्य करते हैं, जिससे महंगे शीतलन की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। इससे ऊर्जा संचरण, अनुसंधान चुंबकों, चिकित्सा उपकरणों, विशेष रूप से स्कैनरों में क्रांतिकारी बदलाव आ सकता है और यह हमारे घरों और कार्यालयों में ऊर्जा के संचरण के तरीके को पूरी तरह से बदल सकता है।
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स्रोत (रों)
1. युआन सी एट अल. 2018. मैजिक-एंगल ग्राफीन सुपरलैटिस में हाफ-फिलिंग पर सहसंबद्ध इन्सुलेटर व्यवहार। नेचर। https://doi.org/10.1038/nature26154
2. युआन सी एट अल. 2018. मैजिक-एंगल ग्राफीन सुपरलैटिस में अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी। नेचर। https://doi.org/10.1038/nature26160
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