ગ્રાફીન: રૂમ ટેમ્પરેચર સુપરકન્ડક્ટર તરફ એક વિશાળ કૂદકો

તાજેતરના ગ્રાઉન્ડ-બ્રેકિંગ અભ્યાસે આખરે આર્થિક અને વ્યવહારુ-થી-ઉપયોગ સુપરકન્ડક્ટર્સ વિકસાવવાની લાંબા ગાળાની સંભાવના માટે સામગ્રી ગ્રાફીનના અનન્ય ગુણધર્મો દર્શાવ્યા છે.

A સુપર કંડક્ટર એક એવી સામગ્રી છે જે વહન કરી શકે છે (પ્રસારણ) વીજળી પ્રતિકાર વિના. આ પ્રતિકારને કેટલાક નુકસાન તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે ઊર્જા જે પ્રક્રિયા દરમિયાન થાય છે. તેથી, કોઈપણ સામગ્રી સુપરકન્ડક્ટિવ બની જાય છે જ્યારે તે વીજળીનું સંચાલન કરવા સક્ષમ હોય છે, તે ચોક્કસ 'તાપમાનઅથવા શરત, ગરમી, ધ્વનિ અથવા ઊર્જાના અન્ય કોઈપણ સ્વરૂપના પ્રકાશન વિના. સુપરકન્ડક્ટર 100 ટકા કાર્યક્ષમ છે પરંતુ મોટાભાગની સામગ્રીઓ અત્યંત નીચી હોવી જરૂરી છે ઊર્જા સુપરકન્ડક્ટિવ બનવા માટે રાજ્ય, જેનો અર્થ છે કે તેઓ ખૂબ જ ઠંડા હોવા જોઈએ. મોટાભાગના સુપરકન્ડક્ટર્સને પ્રવાહી હિલીયમથી લગભગ -270 ડિગ્રી સેલ્સિયસના ખૂબ જ નીચા તાપમાને ઠંડુ કરવાની જરૂર છે. આમ કોઈપણ સુપરકન્ડક્ટીંગ એપ્લિકેશન સામાન્ય રીતે અમુક પ્રકારના સક્રિય અથવા નિષ્ક્રિય ક્રાયોજેનિક/નીચા તાપમાનના ઠંડક સાથે જોડાયેલી હોય છે. આ ઠંડકની પ્રક્રિયાને પોતાનામાં વધુ પડતી ઊર્જાની જરૂર પડે છે અને પ્રવાહી હિલીયમ માત્ર ખૂબ ખર્ચાળ નથી પણ બિન-નવીનીકરણીય પણ છે. તેથી, મોટાભાગના પરંપરાગત અથવા "નીચા તાપમાન" સુપરકન્ડક્ટર બિનકાર્યક્ષમ છે, તેમની મર્યાદાઓ છે, બિનઆર્થિક, ખર્ચાળ અને મોટા પાયે ઉપયોગ માટે અવ્યવહારુ છે.

ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટર

1980 ના દાયકાના મધ્યમાં સુપરકન્ડક્ટરના ક્ષેત્રે મોટી છલાંગ લગાવી જ્યારે કોપર ઓક્સાઇડ સંયોજન શોધાયું જે -238 ડિગ્રી સેલ્સિયસ પર સુપરકન્ડક્ટ કરી શકે. આ હજુ પણ ઠંડુ છે, પરંતુ પ્રવાહી હિલીયમ તાપમાન કરતાં ઘણું ગરમ ​​છે. આને અત્યાર સુધી શોધાયેલ પ્રથમ “હાઈ-ટેમ્પરેચર સુપરકન્ડક્ટર” (HTC) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જે નોબેલ પારિતોષિક જીત્યું હતું, જો કે તે માત્ર વધુ સાપેક્ષ અર્થમાં “ઉચ્ચ” છે. તેથી, વૈજ્ઞાનિકોને એવું લાગ્યું કે તેઓ આખરે કામ કરતા સુપરકન્ડક્ટર શોધવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરી શકે છે, ચાલો કહીએ કે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન (-196° સે) સાથે તે પુષ્કળ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ છે અને તે સસ્તું પણ છે. ઉચ્ચ તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટર્સમાં એવા કાર્યક્રમો પણ હોય છે જ્યાં ખૂબ ઊંચા ચુંબકીય ક્ષેત્રોની જરૂર હોય છે. તેમના નીચા-ટેમ્પ સમકક્ષો લગભગ 23 ટેસ્લા પર કામ કરવાનું બંધ કરે છે (ટેસ્લા એ ચુંબકીય ક્ષેત્રની શક્તિનું એકમ છે) જેથી તેનો ઉપયોગ વધુ મજબૂત ચુંબક બનાવવા માટે કરી શકાતો નથી. પરંતુ ઉચ્ચ તાપમાનની સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રી તે ક્ષેત્રના બમણા કરતાં વધુ અને સંભવતઃ તેનાથી પણ વધુ કામ કરી શકે છે. સુપરકન્ડક્ટર્સ મોટા ચુંબકીય ક્ષેત્રો ઉત્પન્ન કરે છે તેથી તે સ્કેનર્સ અને લેવિટેટિંગ ટ્રેનોમાં આવશ્યક ઘટક છે. ઉદાહરણ તરીકે, આજે એમઆરઆઈ (મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ ઇમેજિંગ) એ એક તકનીક છે જે આ ગુણવત્તાનો ઉપયોગ શરીરમાં સામગ્રી, રોગ અને જટિલ પરમાણુઓને જોવા અને અભ્યાસ કરવા માટે કરે છે. અન્ય એપ્લિકેશન્સમાં ઊર્જા-કાર્યક્ષમ પાવર લાઇન્સ (ઉદાહરણ તરીકે, સુપરકન્ડક્ટીંગ કેબલ સમાન કદના કૂપર વાયર કરતાં 10 ગણી વધુ શક્તિ પ્રદાન કરી શકે છે), પવન ઉર્જા જનરેટર અને સુપર કોમ્પ્યુટર્સ દ્વારા વીજળીના ગ્રીડ સ્કેલ સ્ટોરેજનો સમાવેશ થાય છે. ઉપકરણો કે જે સંગ્રહિત કરવામાં સક્ષમ છે. સુપરકન્ડક્ટર વડે લાખો વર્ષોની ઉર્જા બનાવી શકાય છે.

વર્તમાન ઉચ્ચ તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટર્સની પોતાની મર્યાદાઓ અને પડકારો છે. ઠંડક ઉપકરણની જરૂર હોવાને કારણે ખૂબ ખર્ચાળ હોવા ઉપરાંત, આ સુપરકન્ડક્ટર બરડ સામગ્રીથી બનેલા હોય છે અને તે આકાર આપવા માટે સરળ નથી અને તેથી તેનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રિકલ વાયર બનાવવા માટે થઈ શકતો નથી. સામગ્રી ચોક્કસ વાતાવરણમાં રાસાયણિક રીતે અસ્થિર પણ હોઈ શકે છે અને વાતાવરણ અને પાણીની અશુદ્ધિઓ માટે અત્યંત સંવેદનશીલ હોઈ શકે છે અને તેથી તેને સામાન્ય રીતે બંધ કરવાની જરૂર છે. પછી ત્યાં માત્ર મહત્તમ પ્રવાહ છે જે સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રી લઈ શકે છે અને નિર્ણાયક વર્તમાન ઘનતાથી ઉપર, સુપરકન્ડક્ટિવિટી વર્તમાનને મર્યાદિત કરીને તૂટી જાય છે. ખાસ કરીને વિકાસશીલ દેશોમાં સારા સુપરકન્ડક્ટરના ઉપયોગમાં ભારે ખર્ચ અને અવ્યવહારુતા અવરોધે છે. ઇજનેરો, તેમની કલ્પનામાં, ખરેખર એક નરમ, નમ્ર, ફેરોમેગ્નેટિક સુપરકન્ડક્ટર ઇચ્છે છે જે અશુદ્ધિઓ અથવા લાગુ વર્તમાન અને ચુંબકીય ક્ષેત્રો માટે અભેદ્ય હોય. માંગવા માટે ઘણું બધું!

ગ્રેફીન તે હોઈ શકે છે!

સફળ સુપરકન્ડક્ટરનું કેન્દ્રિય માપદંડ એ ઉચ્ચ તાપમાન શોધવાનું છે સુપરકન્ડક્ટોr, આદર્શ દૃશ્ય ઓરડાના તાપમાને છે. જો કે, નવી સામગ્રી હજુ પણ મર્યાદિત છે અને બનાવવા માટે ખૂબ જ પડકારજનક છે. આ ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટરો કઈ પદ્ધતિ અપનાવે છે અને વૈજ્ઞાનિકો નવી ડિઝાઇન પર કેવી રીતે પહોંચી શકે છે જે વ્યવહારુ છે તે વિશે આ ક્ષેત્રમાં હજુ પણ સતત શીખવાનું છે. ઉચ્ચ-તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટર્સમાં એક પડકારજનક પાસું એ છે કે તે ખૂબ જ નબળી રીતે સમજી શકાયું છે કે સામગ્રીમાં ઇલેક્ટ્રોનને જોડવામાં ખરેખર શું મદદ કરે છે. તાજેતરના અભ્યાસમાં તે પ્રથમ વખત દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે સામગ્રી graphene આંતરિક સુપરકન્ડક્ટીંગ ગુણવત્તા ધરાવે છે અને અમે ખરેખર સામગ્રીની પોતાની કુદરતી સ્થિતિમાં ગ્રેફીન સુપરકન્ડક્ટર બનાવી શકીએ છીએ. ગ્રાફીન, કેવળ કાર્બન-આધારિત સામગ્રી, માત્ર 2004 માં મળી આવી હતી અને તે જાણીતી સૌથી પાતળી સામગ્રી છે. તે ષટ્કોણ રૂપે ગોઠવાયેલા કાર્બન અણુઓથી બનેલી દરેક શીટ સાથે હળવા અને લવચીક પણ છે. તે સ્ટીલ કરતાં વધુ મજબૂત હોવાનું જોવામાં આવે છે અને તે તાંબાની તુલનામાં વધુ સારી વિદ્યુત વાહકતા વ્યક્ત કરે છે. આમ, તે આ તમામ આશાસ્પદ ગુણધર્મો સાથે બહુપરીમાણીય સામગ્રી છે.

મેસેચ્યુસેટ્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ ટેક્નોલોજી અને હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટી, યુએસએના ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ, જેમનું કાર્ય બે પેપરમાં પ્રકાશિત થયું છે^1,2 in કુદરત, એ નોંધ્યું છે કે તેઓ બે આત્યંતિક વિદ્યુત વર્તણૂક બતાવવા માટે સામગ્રી ગ્રાફીનને ટ્યુન કરવામાં સક્ષમ છે - એક ઇન્સ્યુલેટર તરીકે જેમાં તે કોઈપણ પ્રવાહને પસાર થવા દેતું નથી અને સુપરકન્ડક્ટર તરીકે જેમાં કોઈપણ પ્રતિકાર વિના પ્રવાહ પસાર થવા દે છે. 1.1 ડિગ્રીના "મેજિક એન્ગલ" પર સહેજ ફેરવીને એકસાથે સ્ટેક કરીને બે ગ્રાફીન શીટ્સની "સુપરલેટીસ" બનાવવામાં આવી હતી. આ ચોક્કસ ઓવરલેઇંગ હેક્સાગોનલ હનીકોમ્બ પેટર્ન ગોઠવણી કરવામાં આવી હતી જેથી કરીને ગ્રાફીન શીટ્સમાં ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચે સંભવિત રીતે "મજબૂત રીતે સહસંબંધિત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ" પ્રેરિત થાય. અને આ બન્યું કારણ કે ગ્રાફીન આ "મેજિક એન્ગલ" પર શૂન્ય પ્રતિકાર સાથે વીજળીનું સંચાલન કરી શકે છે જ્યારે અન્ય કોઈપણ સ્ટેક્ડ ગોઠવણી ગ્રાફીનને અલગ રાખે છે અને પડોશી સ્તરો સાથે કોઈ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા નથી. તેઓએ ગ્રેફિનને તેના પોતાના પર સુપર કંડક્ટ માટે આંતરિક ગુણવત્તા અપનાવવાનો માર્ગ બતાવ્યો. શા માટે આ ખૂબ જ સુસંગત છે કારણ કે, આ જ જૂથે અગાઉ ગ્રાફીનને અન્ય સુપરકન્ડક્ટિંગ ધાતુઓ સાથે સંપર્કમાં મૂકીને ગ્રાફીન સુપરકન્ડક્ટરનું સંશ્લેષણ કર્યું હતું, જે તેને કેટલીક સુપરકન્ડક્ટિંગ વર્તણૂકોને વારસામાં મેળવવાની મંજૂરી આપે છે પરંતુ તે ફક્ત ગ્રાફીન સાથે પ્રાપ્ત કરી શક્યું ન હતું. આ એક ગ્રાઉન્ડ બ્રેકિંગ રિપોર્ટ છે કારણ કે ગ્રાફીનની વાહક ક્ષમતાઓ થોડા સમય માટે જાણીતી છે પરંતુ તે પ્રથમ વખત છે કે ગ્રાફીનની સુપરકન્ડક્ટિવિટી તેમાં ફેરફાર કર્યા વિના અથવા તેમાં અન્ય સામગ્રી ઉમેર્યા વિના પ્રાપ્ત કરવામાં આવી છે. આમ, ગ્રાફીનનો ઉપયોગ ટ્રાંઝિસ્ટર જેવા બનાવવા માટે થઈ શકે છે. સુપરકન્ડક્ટિંગ સર્કિટમાં ઉપકરણ અને ગ્રેફિન દ્વારા વ્યક્ત કરાયેલ સુપરકન્ડક્ટિવિટી નવલકથા કાર્યો સાથે મોલેક્યુલર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉપકરણોમાં સમાવી શકાય છે.

આ અમને ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટર્સ પરની બધી ચર્ચા પર પાછા લાવે છે અને જો કે આ સિસ્ટમને હજુ પણ 1.7 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ઠંડુ કરવાની જરૂર છે, મોટા પ્રોજેક્ટ્સ માટે ગ્રાફીનનું ઉત્પાદન અને ઉપયોગ હવે તેની બિનપરંપરાગત સુપરકન્ડક્ટિવિટીની તપાસ કરીને પ્રાપ્ત કરી શકાય તેવું લાગે છે. પરંપરાગત સુપરકન્ડક્ટર્સથી વિપરીત ગ્રેફિનની પ્રવૃત્તિને સુપરકન્ડક્ટિવિટીના મુખ્ય પ્રવાહના સિદ્ધાંત દ્વારા સમજાવી શકાતી નથી. આવી બિનપરંપરાગત પ્રવૃત્તિ કપ્રેટ્સ નામના જટિલ કોપર ઓક્સાઇડમાં જોવા મળે છે, જે 133 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી વીજળીનું સંચાલન કરવા માટે જાણીતા છે, અને ઘણા દાયકાઓથી સંશોધનનું કેન્દ્ર છે. જો કે, આ કપ્રેટ્સથી વિપરીત, સ્ટેક્ડ ગ્રાફીન સિસ્ટમ એકદમ સરળ છે અને સામગ્રી પણ સારી રીતે સમજી શકાય છે. માત્ર હવે જ ગ્રાફીનને શુદ્ધ સુપરકન્ડક્ટર તરીકે શોધવામાં આવ્યું છે, પરંતુ સામગ્રીમાં ઘણી ઉત્કૃષ્ટ ક્ષમતાઓ છે જે અગાઉ જાણીતી હતી. આ કાર્ય ગ્રેફિનની મજબૂત ભૂમિકા અને ઉચ્ચ-તાપમાન સુપરકન્ડક્ટરના વિકાસ માટે માર્ગ મોકળો કરે છે જે પર્યાવરણને અનુકૂળ અને વધુ છે. ઊર્જા ઓરડાના તાપમાને કાર્યક્ષમ અને સૌથી અગત્યનું કાર્ય ખર્ચાળ ઠંડકની જરૂરિયાતને દૂર કરે છે. આ ઉર્જા ટ્રાન્સમિશન, સંશોધન ચુંબક, તબીબી ઉપકરણો ખાસ કરીને સ્કેનર્સમાં ક્રાંતિ લાવી શકે છે અને ખરેખર આપણા ઘરો અને ઓફિસોમાં ઊર્જા કેવી રીતે પ્રસારિત થાય છે તે સુધારી શકે છે.

***

{તમે ટાંકેલા સ્ત્રોત(ઓ)ની સૂચિમાં નીચે આપેલ DOI લિંક પર ક્લિક કરીને મૂળ સંશોધન પેપર વાંચી શકો છો}

સ્રોત (ઓ)

1. યુઆન સી એટ અલ. 2018. મેજિક-એંગલ ગ્રાફીન સુપરલેટીસમાં અર્ધ-ભરણ પર સહસંબંધિત ઇન્સ્યુલેટર વર્તન. કુદરત. https://doi.org/10.1038/nature26154

2. યુઆન સી એટ અલ. 2018. મેજિક-એંગલ ગ્રાફીન સુપરલેટીસમાં બિનપરંપરાગત સુપરકન્ડક્ટિવિટી. કુદરત. https://doi.org/10.1038/nature26160