Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि मोटाई और वाहक घनत्व के उतार-चढ़ाव वाले रासायनिक रूप से व्युत्पन्न बहुपरत ग्राफीन फिल्में मिलीटेस्ला चुंबकीय क्षेत्रों पर एक बड़ा नर्न्स्ट प्रभाव प्रदर्शित करती हैं, जो 250 V/K तक के अनुप्रस्थ थर्मोपावर मान प्राप्त करती हैं और स्केलेबल थर्मोइलेक्ट्रिक ऊर्जा उत्पादन के लिए उनकी क्षमता को रेखांकित करती हैं।
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ऊष्मा को अक्सर एक अपव्यय के रूप में देखा जाता है, मशीनों के चलने या बिजली के प्रवाह का एक उपोत्पाद जो बस हवा में विलीन हो जाता है। फिर भी, दशकों से वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की खोज कर रहे हैं जो इस बर्बाद हुई गर्मी को सीधे उपयोगी बिजली में बदल सकें, जिसे थर्मोइलेक्ट्रिसिटी (thermoelectricity) कहा जाता है। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने में है जो बिजली का अच्छा संचालन करे लेकिन ऊष्मा को रोके, जो कि एक कठिन संयोजन है। ग्रेफाइट, जो पेंसिल की लीड में पाया जाने वाला पदार्थ है, और उसका पतला संबंधी ग्राफीन, प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हैं और उत्कृष्ट सुचालक हैं, जो उन्हें आकर्षक उम्मीदवार बनाते हैं। हालाँकि, इस कार्य के लिए उनमें एक मौलिक दोष है: वे "कंपनसेटेड" (compensated) पदार्थ हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें धनात्मक और ऋणात्मक दोनों प्रकार के आवेश वाहकों की संख्या लगभग समान होती है। ये विपरीत आवेश एक-दूसरे को रद्द करने की प्रवृत्ति रखते हैं, जिसके परिणामस्वरूप गर्म होने पर लगभग कोई वोल्टेज उत्पन्न नहीं होता, जिससे वे सामान्य परिस्थितियों में बिजली बनाने के लिए बेकार हो जाते हैं।
मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी और स्कैंडा रस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'नेर्स्ट प्रभाव' (Nernst effect) नामक एक घटना का उपयोग करके इस सीमा को पार करने का एक तरीका खोजा है। यह प्रभाव तब होता है जब किसी पदार्थ को चुंबकीय क्षेत्र में रखे हुए गर्म किया जाता है। अधिकांश पदार्थों में, ऊष्मा एक वोल्टेज बनाती है जो आवेशों को गर्म से ठंडे की ओर एक सीधी रेखा में धकेलती है। लेकिन एक चुंबकीय क्षेत्र में, धनात्मक और ऋणात्मक आवेश केवल आगे की ओर ही नहीं, बल्कि विपरीत दिशाओं में तिरछे (sideways) मुड़ जाते हैं। क्योंकि वे अपने विपरीत आवेश होने के बावजूद एक ही तिरछी दिशा में चलते हैं, वे एक-दूसरे को रद्द करने के बजाय जुड़ जाते हैं, जिससे एक मजबूत अनुप्रस्थ वोल्टेज (transverse voltage) उत्पन्न होता है। ऐतिहासिक रूप से, इस प्रभाव को देखने के लिए अत्यंत ठंडे तापमान या विशाल, शक्तिशाली चुंबकों की आवश्यकता होती थी, जिससे यह प्रयोगशाला भौतिकी के लिए एक जिज्ञासा बनकर रह गया था। शोधकर्ताओं ने यह देखने का प्रयास किया कि क्या इस प्रभाव को कमरे के तापमान पर केवल एक छोटे, स्थायी चुंबक का उपयोग करके साधारण, रासायनिक रूप से निर्मित ग्राफीन की परतों से निकाला जा सकता है।
टीम ने मल्टीलेयर ग्राफीन की एक मैक्रोस्कोपिक फिल्म के साथ काम किया, जो एक ऐसा पदार्थ है जिसे एक रासायनिक प्रक्रिया के माध्यम से उगाया जाता है जिसके परिणामस्वरूप अलग-अलग मोटाई वाली एक शीट और एक जटिल आंतरिक संरचना प्राप्त होती है। उन्होंने इस फिल्म को एक लंबे, संकीले स्ट्रिप के आकार में ढाला और इसे एक ऐसे स्टेज पर रखा जहाँ वे चुंबकीय क्षेत्र को नियंत्रित कर सकते थे। पूरी स्ट्रिप को गर्म करने के बजाय, उन्होंने फिल्म के एक बहुत छोटे बिंदु को गर्म करने के लिए इन्फ्रारेड प्रकाश की एक केंद्रित बीम का उपयोग किया, जिससे एक बहुत विशिष्ट स्थान पर तीव्र तापमान अंतर पैदा हुआ। इस लेजर स्पॉट को फिल्म के आर-पार घुमाकर और विभिन्न संपर्कों (contacts) के बीच उत्पन्न वोल्टेज को मापकर, उन्होंने यह मानचित्रित किया कि फिल्म विभिन्न चुंबकीय स्थितियों के तहत ऊष्मा के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है।
शुरुआत में, बिना किसी चुंबकीय क्षेत्र के, परिणाम अराजक थे। अलग-अलग बिंदुओं पर मापा गया वोल्टेज अत्यधिक उतार-चढ़ाव वाला था, जो लेजर के हिलने पर धनात्मक से ऋणात्मक में बदल रहा था। यह यादृच्छिकता फिल्म की असमान प्रकृति के कारण हुई, जहाँ छोटे क्षेत्र धनात्मक या ऋणात्मक आवेश के अलग-अलग द्वीपों की तरह कार्य करते थे। हालाँकि, जैसे ही शोधकर्ताओं ने एक बहुत ही कमजोर चुंबकीय क्षेत्र पेश किया, वह अराजकता गायब हो गई। मात्र 4 मिलीटेस्ला के क्षेत्र की शक्ति पर भी, जो कि एक मानक एमआरआई मशीन में उपयोग किए जाने वाले बल का एक बहुत छोटा हिस्सा है, यादृच्छिक उतार-चढ़ाव सुचारू हो गए। वोल्टेज सुसंगत और मजबूत हो गया, जो फिल्म के किनारों पर स्पष्ट रूप से दिखाई देने लगा। अनुप्रस्थ वोल्टेज, जो सामग्री के आर-पार तिरछा बहता है, उस वोल्टेज से भी अधिक हो गया जो फिल्म की लंबाई के साथ सीधा बहता था।
शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस तिरछे वोल्टेज को उत्पन्न करने की क्षमता उल्लेखनीय रूप से उच्च थी। उन्होंने जिस सबसे कमजोर क्षेत्र का परीक्षण किया था, उस पर भी यह प्रभाव अन्य उच्च-प्रदर्शन वाले पदार्थों में देखे गए सर्वोत्तम परिणामों के बराबर था। जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र को 315 मिलीटेस्ला तक बढ़ाया, वोल्टेज उत्पादन क्षमता बढ़कर 250 माइक्रोवोल्ट प्रति केल्विन हो गई। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह प्रदर्शित करता है कि नेर्स्ट प्रभाव एक ऐसे पदार्थ में बड़ा और उपयोगी हो सकता है जिसे बनाना आसान है और जिसके लिए अत्यधिक शीतलन (cooling) की आवश्यकता नहीं है। अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि यह प्रभाव तब सबसे मजबूत होता है जब चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं ऊष्मा के प्रवाह और परिणामी धारा की दिशा के साथ संरेखित होती हैं, एक ऐसी स्थिति जिसे उन्होंने फिल्म पर विशिष्ट त्रिकोणीय संपर्कों को मापकर पुष्ट किया।
टीम ने उल्लेख किया कि इस प्रयोग की सफलता ग्राफीन फिल्म के भीतर इलेक्ट्रॉनों और होल्स की उच्च गतिशीलता (mobility) पर निर्भर थी, जो संभवतः विकास के दौरान परतों के एक-दूसरे के सापेक्ष मुड़ने (twist) के तरीके से बढ़ी थी। इस आंतरिक संरचना ने आवेशों को इतना स्वतंत्र रूप से चलने में सक्षम बनाया कि वे चुंबकीय क्षेत्र के प्रति मजबूती से प्रतिक्रिया कर सकें। हालांकि शोधकर्ताओं ने कोई चालू बिजली जनरेटर बनाने का दावा नहीं किया, लेकिन उनके परिणाम सुझाव देते हैं कि इस पदार्थ की बड़े पैमाने पर शीट का उपयोग केवल छोटे, स्थायी चुंबकों का उपयोग करके ऊष्मा स्रोतों से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है। यह कार्य इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है कि ग्रेफाइट आधारित पदार्थ थर्मोइलेक्ट्रिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत अधिक "कंपनसेटेड" हैं, जिससे प्रचुर मात्रा में उपलब्ध और आसानी से संश्लेषित होने वाले पदार्थों का उपयोग करके अपशिष्ट ऊष्मा को बिजली में बदलने का एक नया मार्ग खुलता है।
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