On the Electronic, Mechanical and Optical Properties of Superhard Cross-Linked Carbon Nanotubes (Tubulanes)

कार्बन लंबे समय से सामग्रियों की दुनिया का सितारा रहा है, जो नरम ग्रेफाइट और पृथ्वी के सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ, हीरे जैसे विभिन्न रूपों में अस्तित्व में होने के लिए प्रसिद्ध है। जबकि हीरा हर दिशा में अपनी एकसमान मजबूती के लिए सराहा जाता है, वैज्ञानिकों ने दशकों तक ऐसे कार्बन संरचनाओं की खोज की है जो कुछ अधिक प्रदान कर सकें: ऐसी सामग्रियां जो न केवल कठोर हों, बल्कि स्मार्ट, अनुकूलनीय और इस तरह व्यवहार करने में सक्षम हों कि वे इस पर निर्भर करें कि उन्हें कैसे दबाया या खींचा जा रहा है। इस खोज ने शोधकर्ताओं को कार्बन नैनोट्यूबों की ओर देखने के लिए प्रेरित किया, जो अनिवार्य रूप से कार्बन परमाणुओं के सूक्ष्म, खोखले बेलनाकार होते हैं। जब इन ट्यूबों को एक त्रि-आयामी जाली (लैटिस) में बुना जाता है, तो वे 'ट्यूबुलेन' (tubulanes) नामक सामग्रियों का एक परिवार बनाते हैं। ये संरचनाएं केवल सैद्धांतिक जिज्ञासाएं नहीं हैं; वे अति-कठोर सामग्रियों के एक नए वर्ग का प्रतिनिधित्व करती हैं जो एक दिन सुरक्षात्मक कोटिंग से लेकर उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स तक के अनुप्रयोगों में हीरे का स्थान ले सकती हैं या उसका पूरक बन सकती हैं। वैज्ञानिकों के लिए मुख्य प्रश्न यह था कि क्या ये जटिल, क्रॉस-लिंक्ड नेटवर्क वास्तव में हीरे के पौराणिक गुणों का मुकाबला कर सकते हैं, और क्या उनके पास ऐसे अद्वितीय गुण हैं जो हीरे में नहीं हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने छह अलग-अलग प्रकार की ट्यूबुलेन संरचनाओं का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर इसका उत्तर देने का प्रयास किया। शक्तिशाली सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, जो यह गणना करते हैं कि इलेक्ट्रॉन कैसे चलते हैं और परमाणु कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, उन्होंने इन सामग्रियों के यांत्रिक, इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल व्यवहार का परीक्षण किया। अध्ययन इन संरचनाओं के दो मुख्य परिवारों पर केंद्रित था: टेट्रागोनल (चतुष्कोणीय) आकार, जो खिंचे हुए वर्गों की तरह दिखते हैं, और हेक्सागोनल (षट्कोणीय) आकार, जो छह-भुजाओं वाले प्रिज्म की तरह दिखते हैं। यह सिमुलेशन करने के दौरान कि ये सामग्रियां दबाव और प्रकाश के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि ट्यूबुलेन मौलिक रूप से हीरे से भिन्न हैं। जबकि हीरा आइसोट्रोपिक (समदैशिक) है, जिसका अर्थ है कि इसके गुण मापने की दिशा के आधार पर समान रहते हैं, ट्यूबुलेन अत्यधिक अनिसोट्रोपिक (विषमदैशिक) हैं। इसका अर्थ है कि उनकी मजबूती और कठोरता इस बात पर नाटकीय रूप से बदल जाती है कि बल किस दिशा में लगाया जा रहा है। उदाहरण के लिए, 8-टेरा-22 नामक एक विशिष्ट संरचना को पाया गया कि वह अपने ऊर्ध्वाधर अक्ष (वर्टिकल एक्सिस) के साथ हीरे की किसी भी दिशा की तुलना में अधिक सख्त है। उस विशिष्ट दिशा में खिंचाव के प्रति उसका प्रतिरोध 1195.35 गीगापास्कल तक पहुँच गया, जो हीरे के 1046.31 गीगापास्कल से अधिक है।

इन सामग्रियों का यांत्रिक व्यवहार केवल एक दिशा में कठोर होने तक ही सीमित नहीं है। शोधकर्ताओं ने पाया कि दबाव के तहत ये संरचनाएं जिस तरह से विकृत होती हैं, वह भी उतना ही अद्वितीय है। जब अधिकांश सामग्रियां दबाई जाती हैं, तो वे बगल में फूलने लगती हैं, जिसे पॉइसन अनुपात (Poisson's ratio) द्वारा मापा जाता है। हीरे में, यह मान सभी दिशाओं में स्थिर 0.1 होता है। हालांकि, ट्यूबुलेन में, यह मान बहुत अधिक बदलता रहता है। कुछ दिशाओं में पार्श्व फैलाव लगभग शून्य के करीब होता है, जबकि अन्य दिशाओं में एक दुर्लभ घटना देखी जाती है जिसे ऑक्सेटिक (auxetic) व्यवहार कहा जाता है, जहाँ सामग्री खिंचने पर वास्तव में बगल में फैलती है। यह दिशात्मक निर्भरता यह सुझाव देती है कि इंजीनियर संभावित रूप से ऐसे घटकों को डिजाइन कर सकते हैं जो एक दिशा में अविश्वसनीय रूप से सख्त लेकिन दूसरी दिशा में लचीले हों, बस सही ट्यूबुलेन संरचना को चुनकर और उसे सही ढंग से व्यवस्थित करके। इसके अलावा, ये सामग्रियां हीरे जितनी सघन नहीं हैं; कुछ हेक्सागोनल संरचनाओं का घनत्व केवल 2.904 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर है, जो उन अनुप्रयोगों के लिए एक हल्का विकल्प प्रदान करता है जहाँ वजन मायने रखता है।

अपनी भौतिक शक्ति से परे, शोधकर्ताओं ने इस बात की जांच की कि ये सामग्रियां बिजली और प्रकाश को कैसे संभालती हैं। अध्ययन किए गए अधिकांश ट्यूबुलेन संरचनाओं को सेमीकंडक्टर (अर्धचालक) पाया गया, जिसका अर्थ है कि वे कुछ परिस्थितियों में बिजली का संचालन कर सकते हैं, जबकि हीरा एक विद्युत विसंवाहक (इंसुलेटर) है। हालांकि, एक विशिष्ट संरचना, 16-टेरा-22, को धात्विक (मेटैलिक) के रूप में पहचाना गया। अर्धचालक संरचनाओं को चालू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा, जिसे बैंड गैप कहा जाता है, विभिन्न संरचनाओं के बीच काफी भिन्न थी। धात्विक 16-टेरा-22 0.46 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बहुत छोटे बैंड गैप के साथ विशिष्ट थी, जो इसे उन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए विशेष रूप से दिलचस्प बनाती है जिन्हें कम-ऊर्जा संकेतों के प्रति प्रतिक्रिया करने की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, अन्य संरचनाओं में बड़ा अंतराल था, जो 2.74 इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक था। अध्ययन ने प्रकाश के साथ इन सामग्रियों की अंतःक्रिया, विशेष रूप से प्रकाश को अवशोषित और परावर्तित करने की उनकी क्षमता को भी देखा। सिमुलेशन ने दिखाया कि ट्यूबुलेन पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश को रोकने में उत्कृष्ट हैं, जो आने वाले यूवी विकिरण के लगभग 70 प्रतिशत को परावर्तित करते हैं। यह उच्च परावर्तनशीलता, विशिष्ट ऊर्जाओं पर प्रकाश को अवशोषित करने की उनकी क्षमता के साथ मिलकर, यह सुझाव देती है कि वे हानिकारक पराबैंगनी किरणों से बचाने वाले फिल्टर या ढाल बनाने के लिए उपयोगी हो सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी पुष्टि की कि ये संरचनाएं कमरे के तापमान पर स्थिर हैं। परमाणुओं की गति को समय के साथ सिमुलेट करके, उन्होंने दिखाया कि ट्यूबुलेन जाली बिना टूटे अपना आकार बनाए रखती है, जो यह साबित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है कि उन्हें वास्तविक प्रयोगशाला में बनाया जा सकता है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि ये सामग्रियां वर्तमान में सैद्धांतिक हैं, लेकिन तीन-आयामी कार्बन संरचनाओं के संश्लेषण में प्रगति का अर्थ है कि उन्हें बनाना आधुनिक तकनीक की पहुंच के भीतर है। अत्यधिक कठोरता, ट्यूनेबल लचीलापन और अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों का संयोजन इन क्रॉस-लिंक्ड कार्बन नैनोट्यूबों को उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्रियों की अगली पीढ़ी के लिए आशाजनक उम्मीदवार बनाता है। वे किसी विशिष्ट आवश्यकता के अनुरूप सामग्री की ताकत और व्यवहार को अनुकूलित करने का एक तरीका प्रदान करते हैं, जो हीरे जैसी एकसमान सामग्रियों द्वारा प्रदान किया जाने वाला नियंत्रण स्तर नहीं है। जैसे-जैसे उन्हें बनाने की तकनीक परिपक्व होगी, ट्यूबुलेन प्रभाव-प्रतिरोधी कोटिंग्स, हल्के इलेक्ट्रॉनिक्स और उन्नत ऑप्टिकल उपकरणों की नींव बन सकते हैं।