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ग्रैफेन: कमरे के तापमान सुपरकंडक्टर्स की ओर एक विशाल छलांग

विज्ञानरसायन विज्ञानग्रैफेन: कमरे के तापमान सुपरकंडक्टर्स की ओर एक विशाल छलांग

हाल के जमीनी अध्ययन ने अंततः किफायती और व्यावहारिक-से-उपयोग सुपरकंडक्टर्स विकसित करने की दीर्घकालिक संभावना के लिए सामग्री ग्रैफेन के अद्वितीय गुणों को दिखाया है।

A अतिचालक एक सामग्री है जो बिना प्रतिरोध के बिजली का संचालन (संचारण) कर सकती है। इस प्रतिरोध को ऊर्जा के कुछ नुकसान के रूप में परिभाषित किया जाता है जो प्रक्रिया के दौरान होता है। इसलिए, कोई भी सामग्री तब अतिचालक हो जाती है, जब वह उस विशेष 'तापमान' या स्थिति में, बिना ऊष्मा, ध्वनि या किसी अन्य प्रकार की ऊर्जा को छोड़े, बिजली का संचालन करने में सक्षम हो जाती है। सुपरकंडक्टर्स 100 प्रतिशत कुशल होते हैं लेकिन सुपरकंडक्टिव बनने के लिए अधिकांश सामग्रियों को बेहद कम ऊर्जा की स्थिति में होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि उन्हें बहुत ठंडा होना चाहिए। अधिकांश सुपरकंडक्टर्स को तरल हीलियम से लगभग -270 डिग्री सेल्सियस के बहुत कम तापमान तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है। इस प्रकार किसी भी अतिचालक अनुप्रयोग को आम तौर पर किसी प्रकार के सक्रिय या निष्क्रिय क्रायोजेनिक/निम्न तापमान शीतलन के साथ जोड़ा जाता है। इस शीतलन प्रक्रिया के लिए अपने आप में अत्यधिक मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है और तरल हीलियम न केवल बहुत महंगा है, बल्कि गैर-नवीकरणीय भी है। इसलिए, अधिकांश पारंपरिक या "निम्न तापमान" सुपरकंडक्टर्स अक्षम हैं, उनकी सीमाएं हैं, बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए गैर-आर्थिक, महंगे और अव्यवहारिक 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 केंद्रीय मानदंड उच्च तापमान का पता लगाना है अतिचालकआर, आदर्श परिदृश्य कमरे का तापमान है। हालांकि, नई सामग्री अभी भी सीमित है और इसे बनाना बहुत चुनौतीपूर्ण है। इन उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्स द्वारा अपनाई जाने वाली सटीक कार्यप्रणाली के बारे में इस क्षेत्र में अभी भी निरंतर सीखना है और वैज्ञानिक एक नए डिजाइन पर कैसे पहुंच सकते हैं जो व्यावहारिक है। उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्स में चुनौतीपूर्ण पहलुओं में से एक यह है कि यह बहुत कम समझा जाता है कि वास्तव में एक सामग्री में इलेक्ट्रॉनों को जोड़ने में क्या मदद मिलती है। हाल के एक अध्ययन में यह पहली बार दिखाया गया है कि सामग्री graphene आंतरिक सुपरकंडक्टिंग गुणवत्ता है और हम वास्तव में सामग्री की अपनी प्राकृतिक अवस्था में एक ग्राफीन सुपरकंडक्टर बना सकते हैं। ग्रेफीन, एक विशुद्ध रूप से कार्बन-आधारित सामग्री है, जिसे केवल 2004 में खोजा गया था और यह ज्ञात सबसे पतला पदार्थ है। यह हेक्सागोनल रूप से व्यवस्थित कार्बन परमाणुओं से युक्त प्रत्येक शीट के साथ हल्का और लचीला भी है। इसे स्टील से अधिक मजबूत माना जाता है और यह तांबे की तुलना में बेहतर विद्युत चालकता व्यक्त करता है। इस प्रकार, यह इन सभी आशाजनक गुणों के साथ एक बहुआयामी सामग्री है।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और हार्वर्ड यूनिवर्सिटी, यूएसए के भौतिक विज्ञानी, जिनका काम दो पत्रों में प्रकाशित हुआ है1,2 in प्रकृतिने बताया है कि वे दो चरम विद्युत व्यवहार दिखाने के लिए सामग्री ग्रैफेन को ट्यून करने में सक्षम हैं - एक इन्सुलेटर के रूप में जिसमें यह किसी भी वर्तमान को पारित करने की अनुमति नहीं देता है और एक सुपरकंडक्टर के रूप में जिसमें बिना किसी प्रतिरोध के वर्तमान को पारित करने की अनुमति मिलती है। 1.1 डिग्री के "मैजिक एंगल" पर थोड़ा घुमाकर एक साथ खड़ी दो ग्रेफीन शीट का एक "सुपरलैटिस" बनाया गया था। यह विशेष रूप से ओवरलेइंग हेक्सागोनल हनीकॉम्ब पैटर्न व्यवस्था को ग्राफीन शीट में इलेक्ट्रॉनों के बीच "दृढ़ता से सहसंबद्ध बातचीत" को संभावित रूप से प्रेरित करने के लिए किया गया था। और ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि ग्राफीन इस "मैजिक एंगल" पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन कर सकता था, जबकि किसी भी अन्य स्टैक्ड व्यवस्था ने ग्राफीन को अलग रखा और पड़ोसी परतों के साथ कोई बातचीत नहीं हुई। उन्होंने ग्राफीन को सुपर आचरण के लिए एक आंतरिक गुणवत्ता अपनाने का एक तरीका दिखाया। यह अत्यधिक प्रासंगिक क्यों है, क्योंकि उसी समूह ने पहले ग्रेफीन सुपरकंडक्टर्स को अन्य सुपरकंडक्टिंग धातुओं के संपर्क में रखकर ग्रेफीन सुपरकंडक्टर्स को संश्लेषित किया था, जिससे यह कुछ सुपरकंडक्टिंग व्यवहारों को प्राप्त करने की अनुमति देता था, लेकिन अकेले ग्राफीन के साथ प्राप्त नहीं कर सकता था। यह एक महत्वपूर्ण रिपोर्ट है क्योंकि ग्रैफेन की प्रवाहकीय क्षमताओं को कुछ समय के लिए जाना जाता है लेकिन यह पहली बार है कि ग्रैफेन की सुपरकंडक्टिविटी को अन्य सामग्रियों को बदलने या जोड़ने के बिना हासिल किया गया है। इस प्रकार, ग्रैफेन का उपयोग ट्रांजिस्टर की तरह बनाने के लिए किया जा सकता है सुपरकंडक्टिंग सर्किट में डिवाइस और ग्राफीन द्वारा व्यक्त सुपरकंडक्टिविटी को आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स उपकरणों में उपन्यास कार्यात्मकताओं के साथ शामिल किया जा सकता है।

यह हमें उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर्स पर सभी बातों पर वापस लाता है और हालांकि इस प्रणाली को अभी भी 1.7 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करने की आवश्यकता है, बड़ी परियोजनाओं के लिए ग्रैफेन का उत्पादन और उपयोग करना अब इसकी अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी की जांच करके प्राप्त किया जा सकता है। पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स के विपरीत ग्रैफेन की गतिविधि को सुपरकंडक्टिविटी के मुख्यधारा के सिद्धांत द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। इस तरह की अपरंपरागत गतिविधि को कप्रेट्स नामक जटिल कॉपर ऑक्साइड में देखा गया है, जिसे 133 डिग्री सेल्सियस तक बिजली का संचालन करने के लिए जाना जाता है, और कई दशकों से अनुसंधान का केंद्र रहा है। हालांकि, इन कप्रेटों के विपरीत, एक स्टैक्ड ग्राफीन प्रणाली काफी सरल है और सामग्री को भी बेहतर ढंग से समझा जाता है। केवल अब ग्रैफेन को शुद्ध सुपरकंडक्टर के रूप में खोजा गया है, लेकिन सामग्री में अपने आप में कई उत्कृष्ट क्षमताएं हैं जिन्हें पहले जाना जाता था। यह कार्य ग्राफीन की एक मजबूत भूमिका और उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के विकास का मार्ग प्रशस्त करता है जो पर्यावरण के अनुकूल और अधिक ऊर्जा कुशल हैं और सबसे महत्वपूर्ण रूप से कमरे के तापमान पर काम करते हैं जिससे महंगी शीतलन की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। यह ऊर्जा संचरण, अनुसंधान मैग्नेट, चिकित्सा उपकरणों विशेष रूप से स्कैनर में क्रांतिकारी बदलाव ला सकता है और वास्तव में हमारे घरों और कार्यालयों में ऊर्जा का संचार कैसे किया जाता है, इसमें सुधार कर सकता है।

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{आप उद्धृत स्रोतों की सूची में नीचे दिए गए डीओआई लिंक पर क्लिक करके मूल शोध पत्र पढ़ सकते हैं}

स्रोत (रों)

1. युआन सी एट अल। 2018 मैजिक-एंगल ग्राफीन सुपरलैटिस में आधे-भरने पर सहसंबद्ध इन्सुलेटर व्यवहार। प्रकृति। https://doi.org/10.1038/nature26154

2. युआन सी एट अल। 2018 मैजिक-एंगल ग्राफीन सुपरलैटिस में अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी। प्रकृति। https://doi.org/10.1038/nature26160

एससीआईईयू टीम
एससीआईईयू टीमhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
वैज्ञानिक यूरोपीय® | SCIEU.com | विज्ञान में महत्वपूर्ण प्रगति। मानव जाति पर प्रभाव। प्रेरक मन।

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