Sulfur Addition to Graphene Surfaces Invalidated via Isotopically Pure 13C Graphene
यह अध्ययन आइसोटोपिक रूप से शुद्ध 13C ग्राफीन के साथ नियंत्रण प्रयोगों के माध्यम से यह प्रदर्शित करके ग्राफीन सतहों पर सहसंयोजक सल्फर जुड़ाव के पिछले दावों को अमान्य करता है कि देखे गए सल्फर-कार्बन बंध वास्तव में प्रत्यक्ष रेडिकल प्रतिक्रियाओं के बजाय अवशिष्ट कार्बन निक्षेपण के आर्टिफैक्ट्स (artifacts) थे।
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एक ऐसी सामग्री की कल्पना करें जो इतनी पतली है कि वह अनिवार्य रूप से परमाणुओं की एक एकल परत है, फिर भी इतनी मजबूत और सुचालक है कि वैज्ञानिकों ने दशकों तक तेज़ इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर बेहतर बैटरी तक सब कुछ बनाने के लिए इसके गुणों को निखारने का प्रयास किया है। यह सामग्री ग्राफीन है, जो कार्बन परमाणुओं की एक शीट है जो एक पूर्ण हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते के समान) पैटर्न में व्यवस्थित है। ग्राफीन को विशिष्ट कार्यों के लिए उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ता अक्सर इसकी सतह पर अन्य परमाणुओं को चिपकाने का प्रयास करते हैं, जिसे कार्यात्मकता (functionalization) कहा जाता है। इस काम के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार सल्फर है, जो एक ऐसा तत्व है जो ग्राफीन के बिजली संचालन या अन्य रसायनों के साथ इसकी अंतःक्रिया को बदल सकता है। वर्षों तक, एक लोकप्रिय सिद्धांत ने सुझाव दिया कि जब सल्फर को ग्राफीन के पास गर्म किया जाता है, तो यह छोटे, प्रतिक्रियाशील टुकड़ों में टूट जाता है जो कार्बन की सतह पर कूद जाते हैं और मजबूत, स्थायी रासायनिक बंधन बनाते हैं, जिससे एक नया हाइब्रिड पदार्थ बनता है। इस विचार का समर्थन विभिन्न परीक्षणों द्वारा किया गया था जो दिखाते थे कि सल्फर ने सफलतापूर्वक कार्बन परमाणुओं के साथ खुद को जोड़ लिया है।
हालाँकि, मॉन्ट्रियल विश्वविद्यालय और पॉलिटेक्निक मॉन्ट्रियल के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह सिद्ध कर दिया है कि यह लंबे समय से चली आ रही धारणा गलत है। सितंबर 2026 में प्रकाशित एक अध्ययन में, उन्होंने दिखाया कि सल्फर ग्राफीन के साथ बिल्कुल भी बंध नहीं बना रहा था। इसके बजाय, सल्फर उस अदृश्य कार्बन-आधारित गंदगी के साथ प्रतिक्रिया कर रहा था जो प्रयोग के दौरान ग्राफीन की सतह पर जमा हो गई थी, जिससे एक ऐसी कोटिंग बन रही थी जो केवल एक रासायनिक बंधन की तरह दिखती थी। शोधकर्ताओं ने यह सिद्ध करने के लिए प्रयोग को कार्बन के एक भारी संस्करण, जिसे कार्बन-13 कहा जाता है, से बने ग्राफीन के एक विशेष संस्करण के साथ दोहराया। क्योंकि यह भारी कार्बन प्रकाश-आधारित परीक्षणों में थोड़ा अलग व्यवहार करता है, टीम यह सटीक रूप से बता सकी कि उनके परिणामों में कार्बन परमाणु वास्तव में कहाँ से आ रहे थे। उनके निष्कर्षों ने खुलासा किया कि जो नए रासायनिक संरचनाएं वे देख रहे थे, वे वास्तव में अवांछित प्रदूषकों से बनी थीं, न कि शुद्ध ग्राफीन से। इस खोज ने वैज्ञानिक समुदाय को यह सोचने पर मजबूर कर दिया है कि वे ग्राफीन पर रासायनिक परिवर्तनों की पुष्टि कैसे करें और यह रेखांकित करती है कि इन अत्यंत पतली सामग्रियों को पूरी तरह से साफ रखना कितना कठिन है।
कहानी ग्राफीन को संशोधित करने की आशा के साथ शुरू होती है। वैज्ञानिक जानना चाहते थे कि क्या वे केवल मौलिक सल्फर को गर्म कर सकते हैं और उसे ग्राफीन के साथ गैस अवस्था में प्रतिक्रिया करने दे सकते हैं ताकि एक स्थिर, सल्फर-कवर सतह बनाई जा सके। पिछले अध्ययनों ने सुझाव दिया था कि यह प्रक्रिया काम करती है, जो प्रकाश-आधारित मापों में नए संकेतों की ओर इशारा करती थी जो प्रमाण के रूप में सल्फर परमाणुओं ने सीधे कार्बन हनीकॉम्ब से जुड़ने का संकेत दिया था। इन संकेतों में उनके परमाणु संरचना के कंपन के तरीके में नए शिखर (peaks) शामिल थे, जिसे शोधकर्ताओं ने एक सल्फर परमाणु द्वारा दो कार्बन परमाणुओं को जोड़ने वाले एक छोटे मेहराब (arch) की तरह व्याख्या की, जो दो स्तंभों को जोड़ता है। यह संरचना, जिसे एपिसल्फाइड (episulfide) कहा जाता है, सामग्री के नए गुणों को अनलॉक करने की कुंजी मानी जाती थी। साक्ष्य ठोस लग रहे थे: जब उन्होंने सल्फर के साथ ग्राफीन को गर्म करने के बाद देखा, तो उन्होंने इसके इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार में परिवर्तन, इसकी परमाणु संरचना में नए कंपन और सतह पर मौजूद सल्फर की एक महत्वपूर्ण मात्रा देखी।
इन निष्कर्षों का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक डंबल के आकार की कांच की नली का उपयोग करके एक नियंत्रित प्रयोग स्थापित किया। उन्होंने एक तरफ ग्राफीen रखा और दूसरी तरफ सल्फर पाउडर की थोड़ी मात्रा रखी। सल्फर को एक विशिष्ट तापमान तक गर्म करके, उन्होंने सल्फर गैस का एक प्रवाह बनाया जो ठंडे ग्राफीन की ओर बढ़ा। उन्होंने अपने परीक्षणों के लिए दो प्रकार के ग्राफीन का उपयोग किया: मानक ग्राफीन और कार्बन-13 से बना एक शुद्ध समस्थानिक (isotopically pure) संस्करण। कार्बन-13 संस्करण हर तरह से सामान्य कार्बन के समान है सिवाय इसके वजन के; इसके नाभिक में एक अतिरिक्त न्यूट्रॉन होता है। द्रव्यमान का यह छोटा सा अंतर प्रकाश से टकराने पर इसके परमाणुओं के कंपन के तरीके को बदल देता है। यदि सल्फर वास्तव में ग्राफीन के कार्बन परमाणुओं से बंधा होता, तो भारी कार्बन-13 परमाणु काफी धीमी आवृत्ति (frequency) पर कंपन करते, जिससे प्रकाश के संकेतों में बदलाव आता।
जब टीम ने परिणामों का विश्लेषण किया, तो मानक ग्राफीन ने अपेक्षित नए संकेत दिखाए, जिससे पुष्टि हुई कि उसकी सतह पर कुछ हुआ था। लेकिन जब उन्होंने कार्बन-13 ग्राफीन को देखा, तो परिणामों ने एक अलग कहानी सुनाई। जो नए संकेत दिखाई दिए वे उन निम्न आवृत्तियों की ओर नहीं झुके जो भारी कार्बन परमाणुओं से आने की उम्मीद थी। इसके बजाय, वे ठीक वहीं रहे, मानक ग्राफीन के संकेतों वाली समान आवृत्ति पर। यह एक निर्णायक सबूत (smoking gun) था। इसका मतलब था कि नई रासायनिक संरचनाएं ग्राफीन के कार्बन परमाणुओं से नहीं बनी थीं। सल्फर पूरी तरह से किसी और चीज़ के साथ प्रतिक्रिया कर रहा था।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि गैस चरण में सल्फर रेडिकल्स कार्बनिक प्रदूषकों—कार्बन-आधारित अणुओं के सूक्ष्म, अदृश्य अंशों—के साथ बंध गए थे जो ग्राफीन की सतह पर लगभग हमेशा मौजूद रहते हैं, भले ही वैज्ञानिक उन्हें साफ रखने की कोशिश क्यों न करें। ये प्रदूषक, जो हवा या उपकरणों से आ सकते थे, सल्फर के लिए वास्तविक लक्ष्य के रूप में कार्य करते थे। सल्फर ने ग्राफीन के ऊपर सल्फर-युक्त कार्बनिक यौगिकों की एक परत बनाई, जिससे एक ऐसी कोटिंग बन गई जो सीधे बंधन के संकेतों की नकल करती है। टीम ने इसकी पुष्टि यह दिखाकर की कि यही कोटिंग अन्य हाइड्रोफोबिक सतहों, जैसे कि हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड पर भी दिखाई दी, जो सल्फर के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया नहीं करता है लेकिन इन प्रदूषकों को आकर्षित करता है। सल्फर बस गंदगी से चिपक रहा था, सोने से नहीं।
यह खोज यह नहीं कहती कि सल्फर को ग्राफीन में जोड़ा नहीं जा सकता है, लेकिन इसका अर्थ यह है कि इस विशिष्ट अध्ययन में उपयोग की गई विधि ने इसे प्राप्त नहीं किया। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जिन्हें पहले सीधे बंधन के प्रमाण के रूप में लिया गया था, वे वास्तव में प्रदूषकों की सतह कोटिंग का परिणाम थे। उन्होंने सतह का मानचित्रण करने के लिए फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसे उन्नत उपकरणों का उपयोग किया, और जबकि इन उपकरणों ने सल्फर की उच्च सांद्रता दिखाई, आइसोटोपिक परीक्षण ने शामिल कार्बन की वास्तविक उत्पत्ति का खुलासा किया। यह अध्ययन नैनोमटेरियल्स की दुनिया में एक शक्तिशाली अनुस्मारक है कि जो एक रासायनिक बंधन जैसा दिखता है, वह कभी-कभी केवल गंदगी की एक परत भी हो सकती है। लेखक सुझाव देते हैं कि भविष्य में ग्राफीन पर किसी भी रासायनिक बंधन के दावों को सत्यापित करने के लिए आइसोटोपिक रूप से शुद्ध सामग्री का उपयोग करना एक आवश्यक कदम है, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि वैज्ञानिक वही देख रहे हैं जो वे देखना चाहते हैं, न कि अशुद्धियों द्वारा निर्मित एक भ्रम।
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