On the Mechanical, Electronic, and Optical Properties of 8-16-4 Graphyne: A 2D Carbon Allotrope with Dirac Cones

2004 में ग्राफीन की खोज के बाद से, वैज्ञानिक द्वि-आयामी (two-dimensional) कार्बन सामग्रियों की क्षमता से मंत्रमुत रहे हैं। ग्राफीन कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत है जो मधुमक्खी के छत्ते के पैटर्न में व्यवस्थित होती है, जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत होने और आसानी से बिजली का संचालन करने के लिए जानी जाती है। इसकी सफलता के कारण, शोधकर्ताओं ने अन्य सपाट संरचनाओं के निर्माण और उनके बारे में सिद्धांत बनाने की शुरुआत की है जो पूरी तरह से कार्बन से बनी होती हैं, जिसमें वे परमाणुओं को विभिन्न आकारों और पैटर्न में व्यवस्थित करते हैं ताकि वे देख सकें कि क्या वे नई या बेहतर क्षमताओं वाली सामग्रियां बना सकते हैं। ये नई सामग्रियां, जिन्हें अक्सर एलोट्रोप्स (allotropes) कहा जाता है, उन्हें विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक या यांत्रिक गुणों के लिए डिज़ाइन किया गया है जो ग्राफीन में नहीं होते, जैसे कि कंप्यूटर चिप्स में स्विच के रूप में कार्य करने की क्षमता या टूटने के बिना अत्यधिक तनाव को सहने की क्षमता। लक्ष्य एक ऐसी सामग्री खोजना है जो न केवल बिजली का अच्छा संचालन करे बल्कि खिंचने या गर्म होने पर भी स्थिर और कार्यात्मक बनी रहे, जिससे लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स और उन्नत सेंसरों के द्वार खुल सकें।

इस संदर्भ में, ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट सैद्धांतिक संरचना की ओर अपना ध्यान आकर्षित किया है जिसे 8-16-4 ग्राफिन (Graphyne) के रूप में जाना जाता है, जिसे उन्होंने जिस तरह से उनके परमाणुओं को व्यवस्थित किया है उसके कारण 'सन-ग्राफिन' (Sun-Graphyne) का उपनाम दिया है, जो एक सूर्य के चित्र जैसा दिखता है। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, टीम ने जांचा कि यह सामग्री विभिन्न स्थितियों में कैसे व्यवहार करती है, इसकी मजबूती, बिजली के संचालन की क्षमता और प्रकाश के साथ इसके संपर्क का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि सन-ग्राफिन एक स्थिर सामग्री है जिसे प्रयोगशाला में बनाया जा सकता है। इसकी संरचना में कार्बन परमाणु विभिन्न आकारों के छल्ले (rings) बनाते हैं, जो एक छिद्रपूर्ण शीट तैयार करते हैं जो मजबूत और लचीली दोनों है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह सामग्री उच्च तापमान पर भी अच्छी तरह से बनी रहती है, जो यह सुझाव देती है कि यह वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में बिखर जाएगी।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह है कि यह सामग्री बिजली को कैसे संभालती है। ग्राफीन की तरह, सन-ग्राफिन इलेक्ट्रॉनों को बिना किसी प्रतिरोध के अपने माध्यम से गुजरने की अनुमति देता है, जिससे ऐसा व्यवहार होता है जैसे उनका कोई द्रव्यमान ही न हो। हालांकि, अन्य समान सामग्रियों के विपरीत जो खिंचने पर अपने विद्युत गुणों को बदल देती हैं, सन-ग्राफिन उल्लेखनीय रूप से सुसंगत रहता है। शोधकर्ताओं ने सामग्री पर सिम्युलेटेड खिंचाव बल लागू किया, तनाव को दस प्रतिशत तक बढ़ाया, और पाया कि इसकी विद्युत संरचना व्यावहारिक रूप से वैसी ही रही। यह इस प्रकार की कार्बन सामग्री के लिए एक दुर्लभ गुण है, क्योंकि अधिकांश अन्य सामग्रियां विकृत होने पर अपने विशेष विद्युत गुणों को खो देती हैं या एक अंतराल विकसित कर लेती हैं जो बिजली के प्रवाह को रोक देता है। यह स्थिरता बताती है कि सन-ग्राफिन उन उपकरणों के लिए उपयोगी हो सकता है जिन्हें अपना कार्य खोए बिना मुड़ने या खिंचने की आवश्यकता होती है।

टीम ने यह भी देखा कि यह सामग्री प्रकाश के साथ कैसे संपर्क करती है। उन्होंने पाया कि सन-ग्राफिन अधिकांश दृश्य प्रकाश (visible light) के लिए पारदर्शी है, जो इसे बहुत कम अवशोषित करता है। इसके बजाय, प्रकाश के साथ इसकी अंतःक्रिया इन्फ्रारेड क्षेत्र में केंद्रित है, जो स्पेक्ट्रम का वह हिस्सा है जिसे गर्मी के रूप में महसूस किया जाता है। इसका मतलब है कि यदि आप इस सामग्री की एक शीट पर रोशनी डालेंगे, तो वह सीधे इसके माध्यम से निकल जाएगी, जिससे यह मानवीय आंखों के लिए अदृश्य हो जाएगी जबकि अभी भी तापीय ऊर्जा के साथ संपर्क करने में सक्षम होगी। सामग्री ने यह भी दिखाया कि इसे इनके ऑप्टिकल गुणों को खोए बिना परतों में रखा जा सकता है, हालांकि मोटी परतें अधिक प्रकाश को अवशोषित करती हैं।

जब बात इसकी भौतिक शक्ति की आई, तो सिमुलेशन ने खुलासा किया कि सन-ग्राफिन सख्त है लेकिन ग्राफीन जितना मजबूत नहीं है। यह अपनी मूल लंबाई का लगभग चालीस प्रतिशत तक खिंच सकता है, इससे पहले कि यह अचानक टूट जाए। जब यह टूटता है, तो यह एक साफ, भंगुर (brittle) तरीके से टूटता है, यानी रबर बैंड की तरह खिंचने के बजाय अचानक टूटकर अलग हो जाता है। इसे तोड़ने के लिए आवश्यक बल काफी अधिक है, लेकिन यह ग्राफीन की ताकत का लगभग आधा है। शोधकर्ताओं ने यह अनुमान भी लगाया कि यह सामग्री किस तापमान पर पिघल सकती है, यह पाया कि यह लगभग 2800 केल्विन है। यह ग्राफीन के गलनांक से कम है, लेकिन फिर भी इतना पर्याप्त है कि यह कई उच्च-तापमान अनुप्रयोगों के लिए मजबूत होने का सुझाव देता है। जैसे-जैसे यह पिघलता है, सामग्री की व्यवस्थित संरचना टूटने लगती है, और अंततः उच्च तापमान पर परमाणुओं के अराजक मिश्रण और फिर गैस में बदल जाती है।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि सन-ग्राफिन भविष्य की तकनीक के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार है, विशेष रूप से उन अनुप्रयोगों के लिए जहां तनाव के तहत स्थिरता महत्वपूर्ण है। हालांकि इस सामग्री को अभी तक लैब में संश्लेषित (synthesized) नहीं किया गया है, सैद्धांतिक साक्ष्य बताते हैं कि इसे बनाना संभव है। इसकी अनूठी विशेषता—एक अर्ध-धातु (semi-metal) होना जो खिंचने पर अपने विद्युत स्वभाव को नहीं बदलता है, इसके साथ ही इसकी पारदर्शिता और तापीय स्थिरता—इसे कार्बन सामग्रियों के परिवार में एक विशिष्ट जोड़ बनाती है। यह अध्ययन एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है कि यदि इस सामग्री को कभी बनाया गया तो क्या उम्मीद की जाए, जो इसकी उन तरीकों से प्रदर्शन करने की क्षमता को उजागर करता है जो वर्तमान सामग्रियां नहीं कर सकतीं।