حالیہ زمینی مطالعہ نے مادی گرافین کی منفرد خصوصیات کو ظاہر کیا ہے کہ آخر کار اقتصادی اور عملی طور پر استعمال کرنے والے سپر کنڈکٹرز کی ترقی کے طویل مدتی امکان کے لیے۔
A سپرکنڈکٹر ایک ایسا مواد ہے جو چل سکتا ہے (منتقل) بجلی مزاحمت کے بغیر. اس مزاحمت کو کچھ نقصان کے طور پر بیان کیا گیا ہے۔ توانائی جو عمل کے دوران ہوتا ہے۔ لہذا، کوئی بھی مواد اس وقت سپر کنڈکٹیو بن جاتا ہے جب وہ بجلی چلانے کے قابل ہو، خاص طور پر'درجہ حرارت' یا حالت، حرارت، آواز یا توانائی کی کسی دوسری شکل کے بغیر۔ سپر کنڈکٹرز 100 فیصد موثر ہیں لیکن زیادہ تر مواد کو انتہائی کم مقدار میں ہونا ضروری ہے۔ توانائی superconductive بننے کے لیے ریاست، جس کا مطلب ہے کہ انہیں بہت ٹھنڈا ہونا پڑے گا۔ زیادہ تر سپر کنڈکٹرز کو مائع ہیلیم کے ساتھ تقریبا -270 ڈگری سیلسیس کے انتہائی کم درجہ حرارت پر ٹھنڈا کرنے کی ضرورت ہے۔ اس طرح کسی بھی سپر کنڈکٹنگ ایپلی کیشن کو عام طور پر کسی نہ کسی طرح کے فعال یا غیر فعال کرائیوجینک/کم درجہ حرارت کی ٹھنڈک کے ساتھ جوڑا جاتا ہے۔ کولنگ کے اس طریقہ کار کے لیے اپنے آپ میں بہت زیادہ توانائی کی ضرورت ہوتی ہے اور مائع ہیلیم نہ صرف بہت مہنگا ہے بلکہ ناقابل تجدید بھی ہے۔ لہذا، زیادہ تر روایتی یا "کم درجہ حرارت" کے سپر کنڈکٹرز غیر موثر ہیں، ان کی حدود ہیں، غیر اقتصادی، مہنگے اور بڑے پیمانے پر استعمال کے لیے ناقابل عمل ہیں۔
اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز
سپر کنڈکٹرز کے شعبے نے 1980 کی دہائی کے وسط میں ایک بڑی چھلانگ لگائی جب ایک کاپر آکسائیڈ مرکب دریافت کیا گیا جو -238 ڈگری سیلسیس پر سپر کنڈکٹ کرسکتا ہے۔ یہ اب بھی ٹھنڈا ہے، لیکن مائع ہیلیم درجہ حرارت سے کہیں زیادہ گرم ہے۔ اسے اب تک دریافت ہونے والے پہلے "ہائی ٹمپریچر سپر کنڈکٹر" (HTC) کے نام سے جانا جاتا تھا، جس نے نوبل انعام جیتا، حالانکہ یہ صرف ایک بڑے رشتہ دار معنوں میں "اعلی" ہے۔ لہذا، سائنسدانوں کو یہ محسوس ہوا کہ وہ آخر کار ایسے سپر کنڈکٹرز کو تلاش کرنے پر توجہ مرکوز کر سکتے ہیں جو کام کرتے ہیں، آئیے کہتے ہیں کہ مائع نائٹروجن (-196 ° C) کے ساتھ یہ پلس ہے کہ یہ وافر مقدار میں دستیاب ہے اور سستا بھی ہے۔ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز میں ایسی ایپلی کیشنز بھی ہوتی ہیں جہاں بہت زیادہ مقناطیسی فیلڈ کی ضرورت ہوتی ہے۔ ان کے کم درجہ حرارت والے ہم منصب تقریباً 23 ٹیسلا پر کام کرنا بند کر دیتے ہیں (ٹیسلا مقناطیسی میدان کی طاقت کی اکائی ہے) اس لیے انہیں زیادہ مضبوط میگنےٹ بنانے کے لیے استعمال نہیں کیا جا سکتا۔ لیکن اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹنگ مواد اس فیلڈ سے دوگنا سے زیادہ اور ممکنہ طور پر اس سے بھی زیادہ کام کر سکتے ہیں۔ چونکہ سپر کنڈکٹرز بڑے مقناطیسی میدان پیدا کرتے ہیں وہ اسکینرز اور لیویٹنگ ٹرینوں میں ایک لازمی جزو ہیں۔ مثال کے طور پر، آج ایم آر آئی (مقناطیسی گونج امیجنگ) ایک تکنیک ہے جو اس معیار کو جسم میں موجود مواد، بیماری اور پیچیدہ مالیکیولز کو دیکھنے اور ان کا مطالعہ کرنے کے لیے استعمال کرتی ہے۔ دیگر ایپلی کیشنز میں توانائی کی بچت والی پاور لائنوں کے ذریعے بجلی کا گرڈ پیمانے پر ذخیرہ کرنا شامل ہے (مثال کے طور پر، سپر کنڈکٹنگ کیبلز ایک ہی سائز کی کوپر تاروں سے 10 گنا زیادہ بجلی فراہم کر سکتی ہیں)، ونڈ پاور جنریٹر اور سپر کمپیوٹر بھی۔ وہ آلات جو ذخیرہ کرنے کی صلاحیت رکھتے ہیں۔ لاکھوں سالوں کی توانائی سپر کنڈکٹرز کے ساتھ بنائی جا سکتی ہے۔
موجودہ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کی اپنی حدود اور چیلنجز ہیں۔ کولنگ ڈیوائس کی ضرورت ہونے کی وجہ سے بہت مہنگے ہونے کے علاوہ، یہ سپر کنڈکٹرز ٹوٹنے والے مواد سے بنے ہوتے ہیں اور ان کو شکل دینا آسان نہیں ہوتا اور اس لیے بجلی کے تاروں کو بنانے کے لیے استعمال نہیں کیا جا سکتا۔ مواد بعض ماحول میں کیمیاوی طور پر غیر مستحکم اور ماحول اور پانی کی نجاست کے لیے انتہائی حساس بھی ہو سکتا ہے اور اس لیے اسے عام طور پر ڈھانپنا پڑتا ہے۔ پھر صرف ایک زیادہ سے زیادہ کرنٹ ہے جسے سپر کنڈکٹنگ مواد لے جا سکتا ہے اور کرنٹ کی ایک اہم کثافت سے اوپر، سپر کنڈکٹیویٹی کرنٹ کو محدود کرتے ہوئے ٹوٹ جاتی ہے۔ خاص طور پر ترقی پذیر ممالک میں اچھے سپر کنڈکٹرز کے استعمال میں بہت زیادہ لاگتیں اور ناقابل عملیاں رکاوٹ ہیں۔ انجینئرز، اپنے تخیل میں، واقعی ایک نرم، خراب، فیرو میگنیٹک سپر کنڈکٹر چاہتے ہیں جو نجاست یا اطلاق شدہ کرنٹ اور مقناطیسی شعبوں کے لیے بے اثر ہو۔ مانگنے کے لیے بہت زیادہ!
گرافین یہ ہو سکتا ہے!
ایک کامیاب سپر کنڈکٹر کا مرکزی معیار اعلی درجہ حرارت کو تلاش کرنا ہے۔ سپر کنڈکٹوr، مثالی منظر نامہ کمرے کا درجہ حرارت ہے۔ تاہم، نئے مواد اب بھی محدود ہیں اور بنانا بہت مشکل ہے۔ اس فیلڈ میں ابھی بھی اس بارے میں مسلسل سیکھنا باقی ہے کہ یہ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کس طریقہ کار کو اپناتے ہیں اور کس طرح سائنس دان ایک نئے ڈیزائن تک پہنچ سکتے ہیں جو کہ عملی ہے۔ اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز میں ایک چیلنجنگ پہلو یہ ہے کہ یہ بہت خراب سمجھا جاتا ہے کہ مواد میں الیکٹرانوں کو جوڑنے میں کیا مدد کرتا ہے۔ ایک حالیہ مطالعہ میں یہ پہلی بار دکھایا گیا ہے کہ مواد graphene کے اس کا اندرونی سپر کنڈکٹنگ معیار ہے اور ہم واقعی مواد کی اپنی قدرتی حالت میں گرافین سپر کنڈکٹر بنا سکتے ہیں۔ گرافین، ایک خالصتاً کاربن پر مبنی مواد، صرف 2004 میں دریافت ہوا تھا اور یہ سب سے پتلا مواد ہے۔ یہ کاربن ایٹموں پر مشتمل ہر شیٹ کے ساتھ ہلکا اور لچکدار بھی ہے جس میں مسدس ترتیب دیا گیا ہے۔ یہ سٹیل سے زیادہ مضبوط دیکھا جاتا ہے اور یہ تانبے کے مقابلے میں بہت بہتر برقی چالکتا کا اظہار کرتا ہے۔ اس طرح، یہ ان تمام امید افزا خصوصیات کے ساتھ ایک کثیر جہتی مواد ہے۔
میساچوسٹس انسٹی ٹیوٹ آف ٹکنالوجی اور ہارورڈ یونیورسٹی، امریکہ کے ماہر طبیعیات، جن کا کام دو مقالوں میں شائع ہوا ہے۔1,2 in فطرت، قدرت، نے اطلاع دی ہے کہ وہ مادی گرافین کو دو انتہائی برقی رویوں کو دکھانے کے لیے ٹیون کرنے کے قابل ہیں - ایک انسولیٹر کے طور پر جس میں یہ کسی بھی کرنٹ کو گزرنے کی اجازت نہیں دیتا ہے اور ایک سپر کنڈکٹر کے طور پر جس میں کرنٹ کو بغیر کسی مزاحمت کے گزرنے دیتا ہے۔ دو گرافین کی چادروں کا ایک "سپر لیٹیس" ایک ساتھ اسٹیک کیا گیا تھا جسے 1.1 ڈگری کے "جادوئی زاویہ" پر تھوڑا سا گھمایا گیا تھا۔ یہ خاص طور پر اوورلینگ ہیکساگونل ہنی کامب پیٹرن کا انتظام اس طرح کیا گیا تھا تاکہ گرافین شیٹس میں الیکٹرانوں کے درمیان ممکنہ طور پر "مضبوط طور پر باہمی تعاملات" کو آمادہ کیا جاسکے۔ اور ایسا اس لیے ہوا کیونکہ گرافین اس "جادوئی زاویہ" پر صفر مزاحمت کے ساتھ بجلی چلا سکتا ہے جب کہ کوئی اور اسٹیک شدہ انتظام گرافین کو الگ رکھتا ہے اور پڑوسی تہوں کے ساتھ کوئی تعامل نہیں تھا۔ انہوں نے گرافین کو اپنے طور پر سپر کنڈکٹ کے لیے ایک اندرونی معیار کو اپنانے کا طریقہ دکھایا۔ یہ انتہائی متعلقہ کیوں ہے کیونکہ، اسی گروپ نے پہلے گرافین کو دیگر سپر کنڈکٹنگ دھاتوں کے ساتھ رابطے میں رکھ کر گرافین سپر کنڈکٹرز کی ترکیب کی تھی جس سے اسے کچھ سپر کنڈکٹنگ رویے وراثت میں مل سکتے تھے لیکن وہ صرف گرافین کے ساتھ حاصل نہیں کر سکے۔ یہ ایک حیران کن رپورٹ ہے کیونکہ گرافین کی کنڈکٹیو صلاحیتوں کے بارے میں کچھ عرصے سے معلوم ہوا ہے لیکن یہ پہلی بار ہے کہ گرافین کی سپر کنڈکٹیویٹی کو بغیر کسی تبدیلی یا اس میں دیگر مواد شامل کیے حاصل کیا گیا ہے۔ ایک سپر کنڈکٹنگ سرکٹ میں ڈیوائس اور گرافین کے ذریعہ ظاہر کی گئی سپر کنڈکٹیویٹی کو مالیکیولر الیکٹرانکس ڈیوائسز میں نئے فنکشنلٹیز کے ساتھ شامل کیا جا سکتا ہے۔
یہ ہمیں اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز پر تمام باتوں پر واپس لاتا ہے اور اگرچہ اس نظام کو ابھی بھی 1.7 ڈگری سیلسیس تک ٹھنڈا کرنے کی ضرورت ہے، لیکن بڑے منصوبوں کے لیے گرافین کی پیداوار اور استعمال اب اس کی غیر روایتی سپر کنڈکٹیوٹی کی چھان بین کر کے قابل حصول نظر آتا ہے۔ روایتی سپر کنڈکٹرز کے برعکس گرافین کی سرگرمی کی وضاحت سپر کنڈکٹیوٹی کے مرکزی دھارے کے نظریہ سے نہیں کی جا سکتی۔ اس طرح کی غیر روایتی سرگرمی کپریٹس نامی پیچیدہ تانبے کے آکسائیڈز میں دیکھی گئی ہے، جو 133 ڈگری سیلسیس تک بجلی چلانے کے لیے جانا جاتا ہے، اور کئی دہائیوں سے تحقیق کا مرکز رہا ہے۔ اگرچہ، ان کپریٹس کے برعکس، اسٹیک شدہ گرافین سسٹم کافی آسان ہے اور مواد کو بھی بہتر طور پر سمجھا جاتا ہے۔ صرف اب گرافین کو ایک خالص سپر کنڈکٹر کے طور پر دریافت کیا گیا ہے، لیکن اس مواد میں اپنے آپ میں بہت سی شاندار صلاحیتیں ہیں جو پہلے معلوم تھیں۔ یہ کام گرافین کے مضبوط کردار اور اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کی ترقی کے لیے راہ ہموار کرتا ہے جو ماحول دوست اور زیادہ ہوتے ہیں۔ توانائی مہنگی کولنگ کی ضرورت کو ختم کرتے ہوئے کمرے کے درجہ حرارت پر موثر اور سب سے اہم کام۔ اس سے توانائی کی ترسیل، تحقیقی میگنےٹ، طبی آلات خاص طور پر اسکینرز میں انقلاب آسکتا ہے اور یہ واقعی اس بات کا جائزہ لے سکتا ہے کہ ہمارے گھروں اور دفاتر میں توانائی کیسے منتقل ہوتی ہے۔
***
{آپ اصل تحقیقی مقالے کو ذیل میں دیے گئے DOI لنک پر کلک کر کے پڑھ سکتے ہیں جو حوالہ دیئے گئے ماخذ کی فہرست میں ہے}
ذرائع)
1. یوآن سی وغیرہ۔ 2018۔ میجک اینگل گرافین سپر لیٹیسس میں آدھے بھرنے پر متعلقہ انسولیٹر کا رویہ۔ فطرت https://doi.org/10.1038/nature26154
2. یوآن سی وغیرہ۔ 2018۔ جادو زاویہ گرافین سپر لیٹیسس میں غیر روایتی سپر کنڈکٹیویٹی۔ فطرت https://doi.org/10.1038/nature26160
