Superior enhancement in thermal conductivity of epoxy/graphene nanocomposites through use of dimethylformamide (DMF) relative to acetone as solvent
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विलायक के रूप में एसीटोन के स्थान पर डाइमिथाइलफॉर्मामाइड (DMF) का उपयोग करने से एपॉक्सी मैट्रिसेस में ग्राफीन नैनोप्लेटलेट्स का फैलाव काफी बढ़ जाता है, जिससे इंटरफेशियल थर्मल रेजिस्टेंस कम हो जाता है और परिणामी नैनोकम्पोजिट्स में 44% अधिक थर्मल कंडक्टिविटी प्राप्त होती है।
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कल्पना कीजिए कि आप गर्मी को यात्रा करने के लिए एक सुपर-कुशल राजमार्ग (highway) बनाने की कोशिश कर रहे हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, गर्मी दुश्मन है; यदि यह फंस जाती है, तो आपका फोन, बैटरी या कार कंप्यूटर ओवरहीट होकर खराब हो सकता है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक एक विशेष सामग्री जिसे ग्राफीन (जो गर्मी के लिए एक सुपर-हाईवे की तरह है) को एक चिपचिपे प्लास्टिक जिसे एपॉक्सी (जो आमतौर पर गर्मी के लिए एक ट्रैफिक जाम है) में मिलाते हैं।
लक्ष्य यह है कि ग्राफीन प्लास्टिक के अंदर पूरी तरह से समान रूप से फैल जाए ताकि गर्मी तेजी से निकल सके। लेकिन समस्या यह है कि ग्राफीन चिपचिपा होता है। यह गीले स्पैगेटी या ऊन के गोले की तरह आपस में गुच्छे बनाने का शौकीन है, जिससे ऐसे डेड एंड (dead ends) बन जाते हैं जहाँ गर्मी फंस जाती है।
यह शोध पत्र एक सरल लेकिन शानदार तरकीब के बारे में है: सामग्रियों को मिलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले "सूप" को बदलना।
दो सूप: एसीटोन बनाम DMF
वर्षों से, वैज्ञानिक ग्राफीन को एपॉक्सी में मिलाने के लिए एसीटोन (नेल पॉलिश रिमूवर में इस्तेमाल होने वाली चीज़) नामक एक सामान्य विलायक (solvent) का उपयोग करते आए हैं। यह ठीक-ठाक काम करता है, लेकिन यह तेल और पानी को मिलाने जैसा है; ग्राफीन पूरी तरह से घुलने से पहले ही आपस में गुच्छे बनाने लगता है।
शोधकर्ताओं ने पूछा: "क्या होगा अगर हम एक अलग तरल का उपयोग करें?" उन्होंने DMF (डाइमिथाइलफॉर्मामाइड) को आज़माया, जो एक अलग रासायनिक विलायक है।
इसे इस तरह समझें:
- एसीटोन एक उग्र, तेज़ बहती नदी की तरह है। यह ग्राफीन के कणों को तेज़ी से इधर-उधर धकेलता है, लेकिन वे आपस में टकराते हैं और बड़े, अस्त-व्यस्त गुच्छों में चिपक जाते हैं।
- DMF एक कोमल, चिपचिपे शहद की तरह है। यह ग्राफीन की शीटों को एक-दूसरे से दूर रखता है, उन्हें अलग और सुचारू रूप से तैरता हुआ रखता है, जैसे एक शांत तालाब में तैरती हुई पत्तियां।
प्रयोग: गर्मी की दौड़
टीम ने प्लास्टिक के मिश्रण के दो बैच बनाए:
- बैच A: एसीटोन के साथ मिश्रित।
- बैच B: DMF के साथ मिश्रित।
उन्होंने दोनों में ग्राफीन की समान मात्रा डाली (कुल वजन का लगभग 7%)। फिर, उन्होंने परीक्षण किया कि उनके माध्यम से गर्मी कितनी तेज़ी से यात्रा कर सकती है।
परिणाम?
DMF वाला बैच एक सुपरस्टार था। इसने एसीटोन वाले बैच की तुलना में 44% बेहतर गर्मी का संचालन किया।
DMF क्यों जीता? (सूक्ष्मदर्शी का जादू)
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, वैज्ञानिकों ने एक सुपर-शक्तिशाली कैमरा इस्तेमाल किया जिसे लेजर स्कैनिंग कॉन्फोकल माइक्रोस्कोप कहा जाता है। यह कैमरा प्लास्टिक के अंदर देख सकता है और ग्राफीन की 3D तस्वीरें ले सकता है।
- एसीटोन के नमूनों में: माइक्रोस्कोप ने ग्राफीन के बड़े, अस्त-व्यस्त ढेर दिखाए जो आपस में चिपके हुए थे। ये ढेर हाईवे पर ट्रैफिक जाम की तरह हैं। गर्मी एक ढेर से टकराती है, फंस जाती है, और उसे एक लंबा, घुमावदार रास्ता खोजने के लिए मजबूर होना पड़ता है।
- DMF के नमूनों में: ग्राफीन पूरी तरह से फैला हुआ था, जैसे सड़कों का एक सुव्यवस्थित ग्रिड। वहाँ कोई बड़ा ट्रैफिक जाम नहीं था। गर्मी एक ग्राफीन शीट से दूसरी ग्राफीन शीट तक सुचारू रूप से बह सकती थी।
शोधकर्ताओं ने गुच्छों को मापा और पाया कि एसीटोन के नमूनों में गुच्छे DMF के नमूनों के छोटे, बिखरे हुए टुकड़ों की तुलना में दोगुने से भी अधिक बड़े थे।
"हैंडशेक" (हाथ मिलाने) का सादृश्य
एक और कारण है कि DMF क्यों जीता। कल्पना कीजिए कि ग्राफीन और एपॉक्सी दो लोग हैं जो हाथ मिलाने की कोशिश कर रहे हैं।
- एसीटोन के मिश्रण में, ग्राफीन गुच्छों में होता है, इसलिए एपॉक्सी केवल गुच्छे के बाहरी हिस्से से ही हाथ मिला पाता है। गुच्छे के अंदरूनी हिस्से को अनदेखा कर दिया जाता है। यह एक कमजोर हैंडशेक है।
- DMF के मिश्रण में, क्योंकि ग्राफीन फैला हुआ है, एपॉक्सी ग्राफीन की हर एक शीट से हाथ मिला सकता है। इससे एक मजबूत, गहरा संबंध बनता है।
वैज्ञानिकों ने गणना की कि DMF के मिश्रण में "हैंडशेक" (या थर्मल संपर्क) एसीटोन के मिश्रण की तुलना में 82% बेहतर था। इसका मतलब है कि गर्मी प्लास्टिक से ग्राफीन में बहुत आसानी से स्थानांतरित होती है।
बड़ी तस्वीर
यह शोध पत्र एक गेम-चेंजर है क्योंकि यह दिखाता है कि बेहतर इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने के लिए आपको हमेशा महंगी नई सामग्रियों की आवश्यकता नहीं होती है। कभी-कभी, आपको बस रेसिपी बदलने की आवश्यकता होती है।
केवल मिलाने वाले तरल को एसीटोन से बदलकर DMF करने से, उन्होंने एक ऐसी सामग्री बनाई जो गर्मी को बहुत तेज़ी से स्थानांतरित करती है। यह बहुत महत्वपूर्ण है:
- ठंडे फोन और लैपटॉप के लिए जो ओवरहीट न हों।
- इलेक्ट्रिक कारों के लिए लंबे समय तक चलने वाली बैटरियां।
- बेहतर सोलर पैनल, जो गर्मी से क्षतिग्रस्त न हों।
संक्षेप में: शोधकर्ताओं ने पाया कि सही "मिक्सिंग लिक्विड" का उपयोग करने से गर्मी संचालित करने वाली सामग्रियां आपस में चिपकती नहीं हैं, जिससे एक ऊबड़-खाबड़, धीमी सड़क एक चिकनी, सुपर-फास्ट हाईवे में बदल जाती है।
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