चीनी वैज्ञानिकों ने सुपर कॉपर फॉइल की बड़ी उपलब्धि से ‘असंभव त्रिकोण’ को सुलझाया

सामग्री विज्ञान के ‘असंभव त्रिकोण’ को सुलझाना

चीनी वैज्ञानिकों ने पारंपरिक भौतिक सीमाओं को चुनौती देने वाली क्रांतिकारी तांबे की फॉइल विकसित कर सामग्री विज्ञान में एक महत्वपूर्ण सफलता हासिल की है। चीनी विज्ञान अकादमी के धातु अनुसंधान संस्थान (IMR) में लू लेई के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने उच्च-प्रदर्शन वाली ऐसी तांबे की फॉइल बनाई है, जो एक साथ अति-उच्च मजबूती, असाधारण विद्युत चालकता और उल्लेखनीय तापीय स्थिरता प्रदान करती है। प्रतिष्ठित पत्रिका Science में प्रकाशित यह उपलब्धि इन तीन महत्वपूर्ण गुणों के बीच लंबे समय से चले आ रहे समझौते को खत्म करती है। इससे वह समस्या हल हुई है जिसे सामग्री वैज्ञानिक लंबे समय से धातु सामग्री के डिजाइन का ‘असंभव त्रिकोण’ कहते रहे हैं।

यह नई सामग्री उन्नत विनिर्माण क्षमताओं में बड़ी प्रगति है, जिसका इलेक्ट्रॉनिक्स और नवीन ऊर्जा उद्योगों पर तत्काल प्रभाव पड़ सकता है। मजबूती और चालकता के बीच दशकों से इंजीनियरों को परेशान कर रहे अंतर्निहित टकराव को दूर करके, यह सुपर कॉपर फॉइल अधिक कुशल स्मार्टफोन चिप, बेहतर कृत्रिम बुद्धिमत्ता कंप्यूटिंग उपकरण और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए अधिक सुरक्षित लिथियम-आयन बैटरियां विकसित करने के नए रास्ते खोलती है।

ग्रेडिएंट नैनो-डोमेन संरचना को समझना

इस सफलता का केंद्र एक अभिनव सूक्ष्म-संरचनात्मक डिजाइन है, जिसे “ग्रेडिएंट नैनो-डोमेन आर्किटेक्चर” नाम दिया गया है। परंपरागत तांबे की फॉइल में निर्माताओं को हमेशा समझौता करना पड़ता था: शुद्ध तांबा उत्कृष्ट विद्युत चालकता देता है, लेकिन उच्च-प्रदर्शन वाले उपयोगों के लिए जरूरी यांत्रिक मजबूती उसमें नहीं होती। वहीं, अन्य तत्व मिलाकर तांबे की मिश्रधातुओं को अधिक मजबूत बनाया जा सकता है, लेकिन इससे चालकता और तापीय स्थिरता में भारी कमी आती है।

शोध दल ने एक उन्नत विनिर्माण प्रक्रिया से इन सीमाओं को दूर किया। औद्योगिक स्तर पर इस्तेमाल की जा सकने वाली इलेक्ट्रोडिपोजिशन विधि से उन्होंने महज 10 माइक्रोमीटर मोटी तांबे की फॉइल बनाई, जो मानव बाल की मोटाई का लगभग सातवां हिस्सा है। इसमें उच्च घनत्व वाले सुपर-नैनो डोमेन हैं। इन डोमेनों का आकार लगभग तीन नैनोमीटर है और वे सामग्री में ग्रेडिएंट पैटर्न में नियमित अंतराल पर फैले हुए हैं।

तांबे के ये सूक्ष्म डोमेन धातु के भीतर जड़े रिवेट की तरह काम करते हैं। वे तांबे के दानों की गति को प्रभावी ढंग से रोकते हैं, जिससे विद्युत चालकता के लिए जरूरी उच्च शुद्धता बनाए रखते हुए मजबूती और तापीय स्थिरता, दोनों बढ़ती हैं। स्थिरीकरण और मजबूती देने वाला यह दोहरा तंत्र सामग्री को शुद्ध तांबे की चालकता का लगभग 90 प्रतिशत बनाए रखने देता है, जबकि इसके यांत्रिक गुण पारंपरिक सामग्रियों से कहीं बेहतर हैं।

तांबे के ये सूक्ष्म डोमेन तांबे के भीतर जड़े रिवेट की तरह काम करते हैं। वे तांबे के दानों की गति रोकते हैं, जिससे तांबे की उच्च शुद्धता बनाए रखते हुए मजबूती और तापीय स्थिरता बढ़ती है।

प्रदर्शन के वे आंकड़े जो उद्योग के मानक बदलते हैं

मौजूदा औद्योगिक सामग्रियों की तुलना में इस नई तांबे की फॉइल से मिलने वाले मात्रात्मक सुधार काफी बड़े हैं। परंपरागत तांबे की फॉइल की तनन क्षमता आमतौर पर 300 से 600 मेगापास्कल (MPa) तक होती है। नई विकसित सुपर कॉपर फॉइल की तनन क्षमता 900 मेगापास्कल तक पहुंचती है, जो मानक व्यावसायिक उत्पादों की लगभग दोगुनी और पारंपरिक तांबे की मिश्रधातुओं से काफी अधिक है।

विद्युत प्रदर्शन के मामले में, यह सामग्री उच्च-शुद्धता वाले तांबे की 90 प्रतिशत के बराबर चालकता बनाए रखती है। समान मजबूती वाली पारंपरिक तांबे की मिश्रधातुओं की तुलना में नई फॉइल की चालकता लगभग दो से तीन गुना अधिक है। सामग्री इंजीनियरिंग में मजबूती और चालकता का ऐसा मेल पहले हासिल करना असंभव माना जाता था।

शायद सबसे उल्लेखनीय बात इसकी असाधारण तापीय स्थिरता है। कई उच्च-मजबूती वाली नैनो-संरचित सामग्रियों का प्रदर्शन संरचनात्मक अस्थिरता के कारण तेजी से घटता है, लेकिन सामान्य परिस्थितियों में छह महीने तक रखे जाने के बाद भी इस तांबे की फॉइल के प्रदर्शन में कोई गिरावट नहीं दिखी। लंबे समय तक लगातार प्रदर्शन की जरूरत वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के लिए यह टिकाऊपन बेहद अहम है।

इलेक्ट्रॉनिक्स और ऊर्जा भंडारण में बदलावकारी उपयोग

सामग्री विज्ञान की इस सफलता के व्यावहारिक प्रभाव कई उच्च-मूल्य वाले औद्योगिक क्षेत्रों तक फैले हैं। उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स में तांबे की फॉइल एकीकृत परिपथों और चिप के इंटरकनेक्ट का महत्वपूर्ण हिस्सा होती है। इस नई सामग्री की अधिक मजबूती और तापीय स्थिरता से अधिक सटीक स्मार्टफोन चिप बनाना संभव होगा और लंबे समय तक इस्तेमाल के दौरान जरूरत से ज्यादा गर्म होने की समस्या घटेगी। इससे मोबाइल उपकरणों और कृत्रिम बुद्धिमत्ता कंप्यूटिंग उपकरणों की लगातार बनी हुई चुनौतियों का समाधान हो सकता है।

नवीन ऊर्जा क्षेत्र में लिथियम-आयन बैटरियों के निर्माण के लिए यह सामग्री विशेष रूप से आशाजनक है। इन बैटरियों में तांबे की फॉइल करंट कलेक्टर का काम करती है। नई सामग्री के गुणों से कम ऊर्जा हानि वाली, अधिक सुरक्षित और पतली बैटरियां बनाई जा सकती हैं, जो उच्च करंट से चार्जिंग के दौरान बेहतर प्रदर्शन करेंगी। इससे इलेक्ट्रिक वाहनों और ग्रिड-स्तरीय ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के विकास को मदद मिलेगी, जहां दक्षता और सुरक्षा सबसे अहम हैं।

यह शोध उच्च-स्तरीय तांबे की फॉइल बनाने का एक नया तकनीकी रास्ता उपलब्ध कराता है और चीन के इलेक्ट्रॉनिक सूचना तथा नवीन ऊर्जा क्षेत्रों में आत्मनिर्भरता और नियंत्रण को बढ़ावा देता है। चूंकि ये उद्योग उन्नत औद्योगिक विनिर्माण की रणनीतिक प्राथमिकताओं में शामिल हैं, इसलिए देश में विश्वस्तरीय सामग्री बनाने की क्षमता का आर्थिक और आपूर्ति शृंखला सुरक्षा के लिहाज से बड़ा महत्व है।

औद्योगिक स्तर पर उत्पादन और विनिर्माण की व्यवहार्यता

कई ऐसी प्रयोगशाला उपलब्धियों के उलट, जो शोध तक ही सीमित रह जाती हैं, तांबे की फॉइल की यह तकनीक तुरंत औद्योगिक इस्तेमाल के लिए तैयार दिखती है। इसकी विनिर्माण प्रक्रिया में इलेक्ट्रोडिपोजिशन का उपयोग होता है। यह तकनीक व्यावसायिक तांबे की फॉइल बनाने में पहले से व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाती है। इसलिए इस नवाचार को पूरी तरह नए उत्पादन संयंत्र बनाए बिना मौजूदा विनिर्माण ढांचे में शामिल किया जा सकता है।

इस प्रक्रिया में इलेक्ट्रोडिपोजिशन के दौरान थोड़ी मात्रा में कार्बनिक योजक मिलाए जाते हैं, जिससे ग्रेडिएंट सुपर-नैनो डोमेन बनते हैं। इस तरीके से मानक औद्योगिक परिस्थितियों में लगातार उत्पादन किया जा सकता है। इससे संकेत मिलता है कि प्रयोगशाला में प्रदर्शन से बड़े पैमाने पर विनिर्माण तक पहुंचने की प्रक्रिया तेजी से आगे बढ़ सकती है। फॉइल की 10 माइक्रोमीटर मोटाई इलेक्ट्रॉनिक्स और बैटरी, दोनों क्षेत्रों के मौजूदा उद्योग विनिर्देशों के अनुरूप है, इसलिए अतिरिक्त प्रसंस्करण या अनुकूलन की जरूरत नहीं होगी।

शोध प्रकाशन के संपादक मार्क एस. लवाइन ने कहा कि इस तकनीक में लिथियम-आयन बैटरियों और एकीकृत परिपथों के लिए फॉइल बनाने की काफी संभावनाएं हैं। औद्योगिक परिस्थितियों में सामग्री का लगातार उत्पादन कर पाने की क्षमता व्यावसायिक इस्तेमाल के लिए बड़ा लाभ है। इससे शोध की खोज को बाजार के लिए तैयार उत्पाद में बदलने में लगने वाला समय और निवेश कम हो सकता है।

वैश्विक आपूर्ति शृंखलाओं के लिए रणनीतिक महत्व

यह विकास वैश्विक तकनीकी आपूर्ति शृंखलाओं के लिए एक अहम समय पर हुआ है, खासकर तब जब देश सेमीकंडक्टर और स्वच्छ ऊर्जा विनिर्माण में घरेलू क्षमताओं को प्राथमिकता दे रहे हैं। तांबे की फॉइल दो सबसे रणनीतिक रूप से महत्वपूर्ण उद्योगों, उन्नत माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियों, के लिए एक बुनियादी कच्चा माल है। अंतरराष्ट्रीय स्तर पर अग्रणी तांबे की फॉइल तकनीक का चीन में विकास इन आपूर्ति शृंखलाओं में उसकी स्थिति मजबूत करता है और उच्च-प्रदर्शन वाली आयातित सामग्रियों पर निर्भरता घटाता है।

शोध दल ने जोर दिया कि यह तकनीक न केवल उच्च-प्रदर्शन वाली तांबे की फॉइल के लिए एक नया डिजाइन तरीका देती है, बल्कि अगली पीढ़ी की सामग्री विकसित करने में नैनो-स्तरीय सूक्ष्म-संरचना इंजीनियरिंग की व्यापक क्षमता भी दिखाती है। मजबूती और कार्यात्मक गुणों के बीच इसी तरह के समझौते का सामना कर रही अन्य धातु प्रणालियों पर भी यह तरीका लागू किया जा सकता है।

यह सफलता तकनीकी आत्मनिर्भरता और उच्च-स्तरीय विनिर्माण क्षमताओं को आगे बढ़ाने के व्यापक राष्ट्रीय लक्ष्यों के अनुरूप है। कृत्रिम बुद्धिमत्ता हार्डवेयर और नवीन ऊर्जा प्रणालियों में उत्पाद विकास को सीमित करने वाली सामग्री विज्ञान की एक बुनियादी चुनौती हल करके, चीन के उद्योगों को तेजी से बढ़ते वैश्विक क्षेत्रों में प्रतिस्पर्धी बढ़त मिलती है।

जानने योग्य बातें

• धातु अनुसंधान संस्थान में लू लेई के नेतृत्व में चीनी शोधकर्ताओं ने ऐसी तांबे की फॉइल विकसित की है, जो मजबूती, चालकता और तापीय स्थिरता के ‘असंभव त्रिकोण’ की समस्या हल करती है।
• 10 माइक्रोमीटर मोटी इस सामग्री में ग्रेडिएंट नैनो-डोमेन संरचना है। इसके 3 नैनोमीटर के सुपर-नैनो डोमेन आंतरिक रिवेट की तरह काम करते हैं और विद्युत प्रदर्शन से समझौता किए बिना यांत्रिक गुणों को बेहतर बनाते हैं।
• प्रदर्शन के आंकड़ों में 900 मेगापास्कल तनन क्षमता (पारंपरिक फॉइल से दोगुनी), शुद्ध तांबे की 90% चालकता (तुलनीय मिश्रधातुओं से तीन गुना तक) और छह महीने बाद भी प्रदर्शन में कोई गिरावट न होना शामिल है।
• विनिर्माण में कार्बनिक योजकों के साथ औद्योगिक स्तर पर इस्तेमाल की जा सकने वाली इलेक्ट्रोडिपोजिशन प्रक्रिया अपनाई जाती है, जिससे एकीकृत परिपथों और लिथियम-आयन बैटरियों के लिए तुरंत व्यावसायिक उत्पादन संभव है।
• इसके उपयोगों में उन्नत स्मार्टफोन चिप, AI कंप्यूटिंग उपकरण और इलेक्ट्रिक वाहन बैटरियां शामिल हैं, जिनमें बेहतर सुरक्षा, कम ओवरहीटिंग और अधिक कुशल चार्जिंग संभव हो सकती है।
• यह सफलता सेमीकंडक्टर और स्वच्छ ऊर्जा विनिर्माण जैसे रणनीतिक क्षेत्रों में चीन की क्षमताओं को मजबूत करती है और नैनो-स्तरीय सामग्री इंजीनियरिंग के नए रास्ते दिखाती है।