Irida-Graphene: A New 2D Carbon Allotrope

ग्राफीन की खोज के बाद से, जो कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत है और मधुमक्खी के छत्ते (हनीकॉम्ब) के पैटर्न में व्यवस्थित है, वैज्ञानिक द्वि-आयामी (टू-डायमेंशनल) सामग्रियों की क्षमता से मंत्रमुग्ध रहे हैं। इस सपाट, एक-परमाणु मोटी शीट ने सूक्ष्म स्तर पर पदार्थ के व्यवहार के बारे में हमारी समझ में क्रांति ला दी, जो मजबूती, लचीलेपन और विद्युत चालकता का एक अनूठा संयोजन प्रदान करती है। इस सफलता के कारण, शोधकर्ताओं ने वर्षों तक शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग करके कार्बन शीट के नए संस्करणों को डिजाइन करने में समय बिताया है, ऐसी संरचनाओं की कल्पना की है जो मानक हनीकॉम्ब से भिन्न हों। इसका लक्ष्य ऐसी सामग्रियां खोजना है जो विशिष्ट कार्यों में और भी बेहतर हो सकती हैं, जैसे कि बैटरी में ऊर्जा संग्रहीत करना या भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बिजली का संचालन करना। कार्बन परमाणुओं को विभिन्न आकारों में पुनर्व्यवस्थित करके, जिसमें विभिन्न भुजाओं वाली रिंग्स शामिल हैं, वैज्ञानिक उन नई भौतिक विशेषताओं को अनलॉक करने की आशा करते हैं जो अभी तक प्रकृति में मौजूद नहीं हैं।

हाल ही में एक अध्ययन में, ब्रासीलिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'इरिडा-ग्राफीन' (Irida-Graphene) नामक एक नए, पूरी तरह से कृत्रिक कार्बन रूप का प्रस्ताव दिया। उन्होंने इस सामग्री को प्रयोगशाला में नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने इसे कंप्यूटर सिमुलेशन के भीतर परमाणु-दर-परमाणु बनाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह अस्तित्व में रह सकती है और यह कैसा व्यवहार करेगी। इसका नाम इस तथ्य से आया है कि इसका परमाणु पैटर्न एक विशिष्ट फूल, 'नेवाडा ब्लू-आईड ग्रास' (Nevada Blue-Eyed Grass) के समान है, जिसमें पंखुड़ियों की एक विशिष्ट व्यवस्था होती है। शोधकर्ताओं ने इस नई शीट को पूरी तरह से कार्बन परमाणुओं से मिलकर बनी एक सपाट परत के रूप में डिजाइन किया, लेकिन मानक ग्राफीन के एकसमान हनीकॉम्ब के विपरीत, उनका डिजाइन तीन, छह और आठ परमाणुओं की रिंग्स को आपस में जोड़ता है। यह विशिष्ट व्यवस्था एक छिद्रपूर्ण, जाल जैसी संरचना बनाती है जिसे टीम स्थिरता और प्रदर्शन के लिए परीक्षण करना चाहती थी।

यह समझने के लिए कि क्या यह नई सामग्री एकजुट रह सकती है, टीम ने जटिल सिमुलेशन चलाए जिन्होंने यह ट्रैक किया कि विभिन्न स्थितियों के तहत परमाणु कैसे हिलते और परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने सबसे पहले परमाणुओं के कंपन की जांच की ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि संरचना स्थिर है और अपने आप नहीं टूट जाएगी। परिणामों ने दिखाया कि सामग्री वास्तव में स्थिर है, जिसमें इसके सभी परमाणु कंपन सकारात्मक और सुसंगत बने हुए हैं। इसके बाद उन्होंने आभासी शीट को तीव्र ऊष्मा के अधीन किया, कमरे के तापमान से तापमान को 10,000 केल्विन तक बढ़ाया। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि सामग्री अत्यधिक गर्मी को सहन कर सकती है, अपनी सपाट आकृति और अखंडता को 4,176 केल्विन के पिघलने वाले बिंदु तक बनाए रखती है। यह तापमान मानक ग्राफीन के पिघलने वाले बिंदु के बहुत करीब है, जो यह सुझाव देता है कि इरिडा-ग्राफीन अपने प्रसिद्ध 'कजिन' की तरह ही ऊष्मा के प्रति मजबूत है।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि यह नई कार्बन शीट कितनी मजबूत होगी, इसके लिए उन्होंने इसे अलग-अलग दिशाओं में तब तक खींचा जब तक कि वह टूट नहीं गई। उन्होंने पाया कि सामग्री मजबूत है, लेकिन जिस दिशा में इसे खींचा जाता है, उसके आधार पर यह अलग तरह से व्यवहार करती है। जब इसे एक दिशा में खींचा जाता है, तो यह विकृत होने से पहले लगभग 80 गीगापास्कल के बल को सहन कर सकती है, जबकि लंबवत (परपेंडिकुलर) दिशा में, यह 113 गीगापास्कल तक झेल सकती है। यह अंतर बताता है कि सामग्री 'एनिसोट्रोपिक' (anisotropic) है, जिसका अर्थ है कि बल की दिशा के आधार पर इसकी मजबूती बदल जाती है, यह गुण सीधे इसकी अद्वितीय रिंग संरचना से उत्पन्न होता है। हालांकि यह ग्राफीन जितना मजबूत नहीं है, जो लगभग 1,000 गीगापास्कल के बल को संभाल सकता है, फिर भी इसकी मजबूती अन्य नव-डिजाइन की गई कार्बन सामग्रियों के तुलनीय है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जब सामग्री अंततः टूटती है, तो यह ऐसी दरारें बनाकर टूटती है जो तेजी से फैलती हैं, लेकिन यह प्रक्रिया अनुमानित और सुसंगत है।

अपनी भौतिक मजबूती के अलावा, अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि यह सामग्री बिजली और प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि इरिडा-ग्राफीन एक धातु है, जिसका अर्थ है कि यह अपने ऊर्जा स्तरों के बीच बिना किसी अंतराल के बिजली का बहुत अच्छी तरह से संचालन करती है। कंप्यूटर मॉडल में पाया गया एक विशेष दिलचस्प फीचर इसके ऊर्जा ढांचे में एक विशिष्ट बिंदु है, जहाँ इलेक्ट्रॉन एक अनूठे तरीके से व्यवहार करते हैं, जैसा कि अन्य उन्नत कार्बन सामग्रियों में देखा जाता है। जब टीम ने आभासी सामग्री पर प्रकाश डाला, तो उन्होंने पाया कि यह स्पेक्ट्रम के दो विशिष्ट क्षेत्रों: इन्फ्रारेड और वायलेट (बैंगनी) भाग में प्रकाश को बहुत मजबूती से अवशोषित करती है। यह वायलेट प्रकाश को इतनी प्रभावी ढंग से अवशोषित करती है कि यह लगभग कुछ भी परावर्तित नहीं करती है, जबकि यह टकराने वाले इन्फ्रारेड प्रकाश के लगभग आधे हिस्से को परावर्तित करती है। वायलेट प्रकाश का यह उच्च अवशोषण बताता है कि इस सामग्री का उपयोग प्रकाश के उस विशिष्ट भाग से ऊर्जा एकत्र करने के लिए किया जा सकता है, जो वायलेट फोटॉन के लिए एक अत्यधिक कुशल संग्राहक के रूप में कार्य करता है।

प्रस्तुत अध्ययन का कार्य एक सैद्धांतिक प्रस्ताव बना हुआ है, जो हाथ में पकड़े गए भौतिक नमूने के बजाय कंप्यूटर मॉडल के परिणामों पर आधारित है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि इस विशिष्ट 3-6-8 रिंग संरचना वाली कार्बन शीट न केवल संभव है, बल्कि इसमें तापीय स्थिरता, दिशात्मक शक्ति और अद्वितीय ऑप्टिकल गुणों का एक आकर्षक मिश्रण भी है। यह प्रदर्शित करके कि ऐसी सामग्री अस्तित्व में रह सकती है और चरम स्थितियों के तहत स्थिर रह सकती है, यह अध्ययन भविष्य के प्रयोगों के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह प्रयोगात्मक वैज्ञानिकों को इरिडा-ग्राफीन के संश्लेषण का प्रयास करने के लिए आमंत्रित करता है, इस उम्मीद में कि वे इस डिजिटल डिजाइन को एक वास्तविक दुनिया की सामग्री में बदल सकें जो आने वाले समय में अगली पीढ़ी की ऊर्जा भंडारण और इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियों में योगदान दे सके।