द्विमितीय नॅनो-सामग्री वापरून प्रकाशीय निस्यंदक व तापविद्युत साधने बनवणे शक्य होईल असे एका सैद्धांतिक अभ्यासात सूचित

ग्राफीन हे कार्बनचे असे रूप आहे ज्यात कार्बन चे अणू एकाच प्रतलात व मधमाशीच्या पोळ्यासारख्या षट्कोनी रचनेत असतात. २०१० सालचे भौतिकशास्त्र नोबेल पारितोषिक विजेते, आंद्रे गाइम व कोस्त्या नोव्होसेलोव्ह यांनी २००४ साली पहिल्यांदा चिकटपट्टी वापरून ग्रफाईट पासून ग्रफीन वेगळे केले. तेव्हापासून या अद्भुत पदार्थावर प्रचंड संशोधन सुरू झाले व संशोधक आता आणखी द्विमितीय पदार्थ तयार करण्याच्या प्रयत्नात आहेत.

निदान ७०० तरी स्थिर द्विमितीय पदार्थ असावेत असे भाकित शास्त्रज्ञ करतात. त्यातील बरेचसे अद्याप तयार करणे बाकी आहे, पण शास्त्रज्ञ त्यांचे गुणधर्म समजून घेण्यासाठी सैद्धांतिक अभ्यास करत आहेत. अश्या पदार्थांचा वापर प्रकाशविद्युत घटक (फोटोव्होल्टाईक सेल्स), इलेक्ट्रॉनिक्स साधने व कर्करोग निदानोपचार (थेरानॉसटिक्स) यांसाठी होऊ शकतो, त्यामुळे इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र अमुलाग्र बदलू शकते.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्थेचे प्राध्यापक भास्करन मुरलीधरन आणि डॉ. ऍलेस्टिन मावरी यांनी ‘अर्ध-डिरॅक पदार्थ’ या द्विमितीय पदार्थांच्या एका विशिष्ट प्रवर्गावर संशोधन केले आहे. त्यांनी सैद्धांतिक संशोधनाद्वारे दाखवले आहे की प्रकाशीय निस्यंदक व कार्यक्षम तापविद्युत साधने बनवण्याच्या दृष्टीने विशिष्ट अर्ध-डिरॅक पदार्थ निर्माण करणे शक्य आहे. 

अर्ध-डिरॅक पदार्थांचे विशिष्ट गुणधर्म

अनेक द्विमितीय पदार्थ उत्तम अर्धवाहक असतात. डिरॅक पदार्थ हे विशिष्ट प्रकारचे द्विमितीय पदार्थ आहेत, जे इलेक्ट्रॉनिक्स साधने तयार करण्यासाठी किंवा डीएनए क्रमनिर्धारण व विलवणन (क्षार किंवा मीठ काढून टाकणे) यांकरिता उपयोगी असतात. या पदार्थांचे गुणधर्म बदलण्यासाठी पारंपारिक धातूंच्या तुलनेत कमी प्राचलांमध्ये बदल करावा लागतो. 

डिरॅक पदार्थांमध्ये विद्युत्भार वाहकांच्या हालचालीचा वेग प्रकाशाच्या वेगाच्या अगदी जवळ जाणारा असतो. मात्र अर्ध-डिरॅक पदार्थांमध्ये विद्युतभार वाहकांचा वेग द्विमितीय प्रतलातील सर्व दिशांत सारखा नसतो. विद्युत्भार वाहकांचा वेग केवळ एकाच दिशेने प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळ जाणारा असतो व या दिशेशी काटकोनात असणाऱ्या दिशेने खूपच कमी असतो. अर्ध-डिरॅक पदार्थांच्या ह्या असाधारण स्वरूपामुळे ह्या पदार्थांमध्ये प्रकाशीय वाहकता व तापविद्युत यासारखे विशिष्ट विद्युत गुणधर्म दिसून येतात. 

विद्युतचुंबकीय लहरींना (प्रकाश लहरी विद्युतचुंबकीय लहरीच असतात) पदार्थाचा प्रतिसाद कसा असेल हे त्या पदार्थाच्या प्रकाशीय वाहकतेवर अवलंबून असते. अर्ध-डिरॅक पदार्थांची प्रकाशीय वाहकता, विशिष्ट वारंवारितेच्या व विशिष्ट ध्रुवीकरण असलेल्या विद्युतचुंबकीय तरंगांसाठी खूप जास्त असू शकते.  विद्युतचुंबकीय तरंगाच्या प्रसारणाची दिशेशी, त्यातील विद्युत लहरींच्या दोलनाची सापेक्ष दिशा ध्रुवीकरण दर्शवते. जेव्हा विद्युत लहरींचे दोलन प्रसारणाच्या दिशेशी (प्रसारणाची दिशा झेड् अक्ष समजा) काटकोनात असलेल्या प्रतलातील ( एक्स-वाय प्रतल) एकाच दिशेने होत असेल, तर त्याला रेषीय ध्रुवित तरंग म्हणतात. जर विद्युत लहरींचे दोलन एक्स अक्षाच्या दिशेत होत असेल तर त्याला एक्स-ध्रुवित तरंग म्हणतात. ज्या तरंगामध्ये विद्युत लहरींचे दोलन वाय अक्षाच्या दिशेत होत असेल त्याला वाय-ध्रुवित तरंग म्हणतात.

तापविद्युतीय पदार्थांच्या दोन टोकांच्या व्होल्टतेत फरक असल्यास त्या दोन टोकांच्या तापमानात देखील फरक असतो, तर तापमानात फरक असल्यास व्होल्टतेत फरक असतो. अश्या पदार्थांचा उपयोग नॅनो-उपकरणांमधून ऊष्मा काढून घेण्यासाठी व त्यायोगे त्यांचे आयुष्य व कार्यक्षमता वाढवण्यास होऊ शकतो.

विविध प्राचल बदलल्यावर अर्ध-डिरॅक पदार्थांचे भौतिक गुणधर्म कसे बदलतात याचा अभ्यास भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधकांना करायचा होता. ‘अंतर प्राचल’ (गॅप पॅरॅमीटर) हे प्राचल बदलल्यावर प्रकाशीय वाहकता व तापविद्युत गुणधर्म कसे बदलतात यावर त्यांनी लक्ष केंद्रित केले.

प्रकाशीय वाहकतेत बदल करून प्रकाशीय निस्यंदक बनवणे

प्रकाशीय वाहकतेवरून एखादा पदार्थ पारदर्शक की अपारदर्शक आहे ते समजते. उदाहरणार्थ, प्रकाशीय वाहकता जास्त असेल तर विद्युतचुंबकीय तरंग जास्त प्रमाणात शोषून घेतले जतात

संशोधकांनी अर्ध-डिरॅक पदार्थांचा एक्स व वाय ध्रुवित प्रकाशाला असलेला प्रतिसाद संगणनाच्या मदतीने समजून घेतला. त्यांनी दाखवले की अंतर प्राचल बदलून अर्ध-डिरॅक पदार्थांची प्रकाशीय वाहकता बदलता येते. याचा उपयोग एखद्या विशिष्ट वारंवारितेच्या व विशिष्ट ध्रुवितेच्या प्रकाशा करिता प्रचंड प्रकाशीय वाहकता असलेला अर्ध-डिरॅक पदार्थ निर्माण करण्यासाठी करता येईल. उदाहरणार्थ, वाय ध्रुवित प्रकाशाकरिता प्रचंड प्रकाशीय वाहकता असलेला अर्ध-डिरॅक पदार्थ निर्माण करणे शक्य होईल, ज्याच्यातून फक्त एक्स ध्रुवित प्रकाश आरपार जाऊ शकेल. वेगवेगळ्या पदार्थांमध्ये अशी दिशावलंबी वाहकता कुठल्या वारंवारितेच्या प्रकाश तरंगांसाठी दिसून येते तेही संशोधकांनी शोधले आहे. 

“प्रकाशीय वाहकता (प्रकाशाच्या ध्रुवितेच्या) दिशेवर अवलंबून असल्यामुळे अर्ध-डिरॅक पदार्थ असे प्रकाशीय निस्यंदक बनवण्यासाठी वापरता येतील जे एका दिशेने ध्रुवित प्रकाशा साठी पारदर्शक असतील, पण त्याच्याशी लंब दिशेने ध्रुवित असलेल्या प्रकाशा साठी अपारदर्शक असतील व असा प्रकाश ते पूर्ण शोषून घेतील. ह्या गुणधर्माचा उपयोग द्विमितीय अर्ध-डिरॅक पदार्थांचे भौतिकशास्त्र समजून घेण्यासाठी करता येईल,” असे प्रा. भास्करन मुरलीधरन म्हणाले.

तापविद्युत उपकरणांच्या शक्ती व कार्यक्षमता यांचे इष्टतमीकरण

तापविद्युत उपकरणे उच्चतम शक्तीच्या स्थितीमध्ये कार्यक्षम नसतात. जेव्हा कार्यक्षमता सर्वोच्च असते तेव्हा शक्ती अपुरी होते. ह्या उपकरणांची रचना करतानाच असणारे आव्हान म्हणजे अशी इष्टतम स्थिती शोधणे, ज्यात शक्य असेल तेवढी उत्तम कार्यक्षमता असेल व पुरेशी शक्ती सुद्धा असेल. 

प्रा. मुरलीधरन व डॉ. मावरी यांनी द्विमितीय अर्ध-डिरॅक नॅनो उपकरणांच्या अंतर प्राचलाच्या वेगवेगळ्या किंमतींसाठी कार्यक्षमता व शक्ती परिगणित केली. त्यांना दिसले की अंतर प्राचलाच्या काही ठराविक किंमतींसाठी, ही उपकरणे उच्च शक्ती देत उच्च कार्यक्षमता दाखवतात. अश्या तऱ्हेने अंतर प्राचलात बदल करून इष्टतम शक्ती व उच्च कार्यक्षमता असलेली उपकरणे बनवणे शक्य आहे. यामुळे तापविद्युत नॅनो-उपकरणांच्या, विशेषत: ऊष्मा पंपाच्या रचना करण्यासाठी नव्या शक्यता निर्माण झाल्या आहेत.

हे शोध द्वमितीय अर्ध-डिरॅक पदार्थांची संभाव्य शक्यता दर्शवतात, पण हे लक्षात घेणे आवश्यक आहे की हे फक्त सैद्धांतिक शोध व प्रस्ताव आहेत.

“आम्हाला आशा आहे की प्रायोगिक गट आमच्या कामाचा आभ्यास करून आवश्यक ते प्रयोग करतील व आम्ही प्रस्तावित केलेल्या परिणामांची पडताळणी करतील,” असे प्रा. मुरलीधरन म्हणाले.