बचपन से हमारी साथी पेंसिल में प्रयुक्त बहुपयोगी तत्व ग्रेफाइट का उज्ज्वल भविष्य

हम सभी का बचपन से लेकर वयस्क होने तक पेंसिल के साथ एक मजबूत भावनात्मक संबंध रहा है! पेंसिल एक बच्चे की पहली कलम होती है। लेकिन क्या आप जानते थे की पेंसिल को बनाने में प्रयुक्त तत्व "ग्रेफाइट" को बहुपयोगी तत्व के रूप में जाना जाता है, जिसका प्रमुख कारण है यह है की इसका उपयोग पेंसिल के अलावा भी अन्य कई बेहद आवश्यक उत्पादों के निर्माण में किया जाता है!
ग्रेफाइट (graphite) कार्बन तत्व का एक क्रिस्टलीय रूप होता है, और मानक परिस्थितियों में कार्बन का सबसे स्थिर रूप भी है। पेंसिल, स्नेहक और इलेक्ट्रोड में उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर सिंथेटिक और प्राकृतिक ग्रेफाइट की खपत की जाती है। उच्च दबाव और तापमान में यह हीरे में परिवर्तित हो जाता है।
ग्रेफाइट प्राकृतिक रूप से रॉक फ्रैक्चर (rock fracture) के भीतर या अनाकार गांठ के रूप में फ्लेक्स (Flex) और नसों के रूप में होता है। ग्रेफाइट की मूल क्रिस्टलीय संरचना हेक्सागोनल कोशिकाओं (hexagonal cells) में दृढ़ता से बंधे कार्बन परमाणुओं की एक सपाट शीट होती है। चौथी सहस्राब्दी ईसा पूर्व में, दक्षिण-पूर्वी यूरोप में नवपाषाण युग के दौरान, मारिआ संस्कृति (Maria Culture) ने मिट्टी के बर्तनों को सजाने के लिए पहली बार सिरेमिक पेंट (ceramic paint) में ग्रेफाइट का इस्तेमाल किया गया। 1565 से कुछ समय पहले ग्रे नॉट्स के पास ग्रेफाइट के एक विशाल ढेर की खोज की गई थी, जिसे स्थानीय लोगों ने भेड़ों को चिह्नित करने के लिए उपयोगी पाया था। एलिजाबेथ प्रथम (1558-1603) के शासनकाल के दौरान, बोरोडेल ग्रेफाइट (Borodell Graphite) को तोप के गोले हेतु लाइन मोल्ड्स (line moulds) के लिए एक दुर्दम्य सामग्री के रूप में इस्तेमाल किया गया था। 19 वीं शताब्दी के दौरान, स्टोव पॉलिश, स्नेहक, पेंट, क्रूसिबल, फाउंड्री फेसिंग (Stove Polish, Lubricant, Paint, Crucible, Foundry Facing) और पेंसिल के निर्माण में ग्रेफाइट के उपयोग करने से इसका बहुत विस्तार हुआ, जो जनता के लिए शिक्षा के पहले महान उदय के दौरान शैक्षिक उपकरणों के विस्तार में एक प्रमुख कारक बना।
ग्रेफाइट के कुछ वर्तमान उपयोग निम्नवत दिए गए हैं:
1. लेखन सामग्री: ग्रेफाइट शब्द ग्रीक भाषा से आया है जिसका अनुवाद 'लिखने के लिए' के ​​रूप में किया जाता है। इस प्रकार ग्रेफाइट का सबसे आम उपयोग पेंसिल में उसका सिरा (Lead) बनाने में होता है। "लेड (Lead)" पेंसिल कोर मिट्टी और ग्रेफाइट के मिश्रण से बने होते हैं, जो एक अनाकार रूप में होते हैं। ग्रेफाइट का उपयोग एक मार्कर के रूप में उत्तरी इंग्लैंड में 16वीं शताब्दी से होता रहा है, जहां स्थानीय किंवदंती कहती है कि चरवाहों ने भेड़ को चिह्नित करने के लिए एक नए खोजे गए ग्रेफाइट का उपयोग किया था।
2. स्नेहक/विकर्षक: ग्रेफाइट, स्नेहक जैसे ग्रीस आदि में मुख्य अवयवों में से एक होता है। ग्रेफाइट किसी भी आसन्न सतहों के बीच के घर्षण को कम करता है। यह तेल में एक निलंबन बनाता है और कार के ब्रेक और क्लच जैसे दो चलती भागों के बीच घर्षण को भी कम करता है। ग्रेफाइट 787 डिग्री सेल्सियस (1,450 डिग्री फारेनहाइट) के तापमान तक स्नेहक के रूप में और 1,315 डिग्री सेल्सियस (2,399 डिग्री फारेनहाइट) तक एक एंटी-सीज़ सामग्री (anti-seize material) के रूप में काम करता है। यह शक्तिशाली खनिज एक अच्छे विकर्षक के रूप में कार्य करता है; इसलिए कई निर्माण कंपनियां विकर्षक समाधानों में एक घटक के रूप में ग्रेफाइट का उपयोग करती हैं।
3. पेंट: यदि आपको कभी ऐसे पेंट मिले हैं जो दीवारों की सुरक्षा की गारंटी देते हैं, तो आमतौर पर उनमें भी ग्रेफाइट का प्रयोग होता है। फैक्ट्रियां दीवारों हेतु प्रामाणिक सुरक्षा बनाने के लिए पाउडर ग्रेफाइट को पेंट में मिलाती हैं।
4. रिफ्रैक्ट्री: ग्रेफाइट एक सामान्य दुर्दम्य सामग्री है क्योंकि यह रासायनिक रूप से बदले बिना उच्च तापमान और सहनशीलता का सामना कर सकता है। इसका उपयोग स्टील और कांच बनाने से लेकर लोहे के प्रसंस्करण तक की निर्माण प्रक्रियाओं में किया जाता है। यह ऑटोमोबाइल ब्रेक लाइनिंग में एक एस्बेस्टस (an asbestos in automobile brake linings) विकल्प भी है।
5. परमाणु रिएक्टर: ग्रेफाइट की तेज गति वाले न्यूट्रॉन को अवशोषित करने की क्षमता बहुत अधिक होती है, इसलिए अधिकांश समय, यह खनिज न्यूट्रॉन की प्रतिक्रियाओं को स्थिर या बेअसर करने के लिए बहुत अधिक उपयोग होता है।
6. विद्युत उद्योग: क्रिस्टलीय परत ग्रेफाइट का उपयोग कार्बन इलेक्ट्रोड, ब्रश, शुष्क सेल बैटरी और विद्युत उद्योग में आवश्यक प्लेटों के निर्माण में किया जाता है। दिलचस्प बात यह है कि प्राकृतिक ग्रेफाइट को सिंथेटिक ग्रेफाइट में भी संसाधित किया जाता है। इस प्रकार का ग्रेफाइट लिथियम आयन बैटरी (lithium ion batteries) में उपयोगी होता है।
7. ग्रेफाइट का उपयोग पेंसिल और स्नेहक में किया जाता है। यह गर्मी और बिजली का अच्छा संवाहक है। इसकी उच्च चालकता इसे इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों जैसे इलेक्ट्रोड, बैटरी और सौर पैनलों में उपयोगी बनाती है। लेकिन ग्रेफाइट के कई औद्योगिक अनुप्रयोग भी है:
1. रासायनिक उद्योग में: रासायनिक क्षेत्र में, ग्रेफाइट कई उच्च तापमान अनुप्रयोगों जैसे चाप भट्टियों में फास्फोरस और कैल्शियम कार्बाइड के उत्पादन में कार्यरत होता है। ग्रेफाइट का उपयोग विशिष्ट जलीय इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रियाओं जैसे हैलोजन (क्लोरीन और फ्लोरीन) के उत्पादन में एनोड के रूप में किया जाता है।
2. विद्युत अनुप्रयोग: ग्रेफाइट का उपयोग मुख्य रूप से इलेक्ट्रिक मोटर में कार्बन ब्रश के निर्माण में विद्युत सामग्री के रूप में किया जाता है।
3. यांत्रिक अनुप्रयोग: ग्रेफाइट व्यापक रूप से विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों जैसे पिस्टन रिंग, थ्रस्ट बियरिंग्स, जर्नल बेयरिंग और वैन (Piston Rings, Thrust Bearings, Journal Bearings and Vanes) में इंजीनियरिंग सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। कार्बन आधारित सील का उपयोग कई विमान जेट इंजनों के ईंधन पंप और शाफ्ट में किया जाता है।
माना जा रहा है की मानव निर्मित 'सुपर मिनरल' ग्रेफीन ('Super Mineral' Graphene) बैटरी के लिए बहुत बड़ी क्षमता रखता है। ग्रेफाइट और ग्रेफाइट से व्युत्पन्न ग्रेफीन, दोनों वस्तुओं में आने वाले वर्षों में भारी वृद्धि देखने की उम्मीद की जा रही है। ग्रेफीन ग्रेफाइट की एक 2डी परमाणु परत होती है, जिसे आम तौर पर मैनचेस्टर विश्वविद्यालय (Manchester University) द्वारा विकसित यांत्रिक तकनीक के माध्यम से बनाया गया है। माना जा रहा है कि 2040 तक, दुनिया भर में 530 मिलियन इलेक्ट्रिक वाहन होंगे। इस प्रकार पहले से ही कंपनियां बैटरी तकनीक के अपने उत्पादन को बढ़ा रही हैं, जिसमें टेस्ला और इसकी गीगाफैक्ट्री जैसी कंपनियां (Companies like Tesla and its Gigafactory) सबसे आगे हैं। लिथियम आयन बैटरी में लिथियम की तुलना में 40 गुना अधिक ग्रेफाइट होता है। यह खनिज की बढ़ती मांग के लिए प्रमुख चालकों में से एक है, जो 2020 तक 200% तक बढ़ने के लिए तैयार है। इस मांग ने दिसंबर 2016 और दिसंबर 2017 के बीच ग्रेफाइट की कीमत में 25% की वृद्धि को भी प्रेरित किया।
हाल ही में विकसित 'सुपर-मिनरल' भी बैटरी प्रौद्योगिकियों में नाटकीय रूप से सुधार कर सकता है। इस साल की शुरुआत में, सैमसंग ने अपने फोन की बैटरी में ग्राफीन आयन (graphene ion) को शामिल करने की योजना की घोषणा की, जिससे इसे तेजी से चार्ज करने और लंबे समय तक होल्डर चार्ज करने में मदद मिली। विशेषज्ञों के अनुसार "ग्राफीन एक क्रांतिकारी उत्पाद है जो इंटरनेट कनेक्शन को तेज़ बना सकता है, नमक के पानी को फ़िल्टर कर सकता है और फोन स्क्रीन को अटूट बना सकता है! साथ ही यह स्पष्ट रूप से वैश्विक स्तर पर विनिर्माण के परिदृश्य को बदलने के लिए ब्रिटिश कंपनियों की अभिनव क्षमता का एक प्रमुख उदाहरण है।" ग्रेफीन अब तक खोजा गया सबसे मजबूत खनिज है! ग्रेफाइट शुद्ध कार्बन का नरम रूप है, और आमतौर पर प्राकृतिक वातावरण में या तो गुच्छे या द्रव्यमान में पाया जाता है। इसका निर्माण कृत्रिम रूप से किया जा सकता है, लेकिन इस प्रक्रिया की उच्च लागत के कारण, इसे आमतौर पर खनन से ही प्राप्त किया जाता है।
ब्राजील, भारत और मेडागास्कर सहित दुनिया भर में ग्रेफाइट का खनन किया जाता है। चीन ग्रेफाइट का सबसे बड़ा उत्पादक है, लेकिन प्रदूषण को कम करने और पर्यावरण की रक्षा के लिए देश के प्रयासों के कारण हालिया कमी इसे बदल सकती है।
वर्तमान में, ग्रेफाइट का सबसे बड़ा उपयोग स्टील के निर्माण में होता है; 2015 में बैटरियों में केवल 5% ग्रेफाइट का उपयोग किया गया था। हालांकि, यह बदलने के लिए तैयार है, क्यों की ग्रेफीन की भावी उपयोगिता को नजर में रखते हुए स्टील की दिग्गज कंपनी टाटा स्टील भी ग्रेफीन पर अपना ध्यान केंद्रित कर रही है, जिसे प्लास्टिक के साथ मिश्रित किया जा सकता है और अन्य विशेषताओं के साथ नए उत्पादों की तरह पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है। प्रौद्योगिकी और नई सामग्री व्यवसाय के उपाध्यक्ष देबाशीष भट्टाचार्जी के अनुसार “कंपनी का ग्राफीन व्यवसाय लगभग 500 करोड़ रुपये का है, लेकिन विस्तार की योजनाएं अभी भी चल रही हैं, जिसमें ग्राफीन से समृद्ध उत्पादों का निर्यात भी शामिल है। "हमने एमडीपीई और एचडीपीई पाइपों (MDPE and HDPE Pipes) में एक योज्य के रूप में ग्राफीन का व्यवसायीकरण किया है। हम कन्वेयर बेल्ट (conveyor belt) में ग्राफीन का उपयोग कर रहे हैं।
ग्राफीन जंग प्रतिरोधी पेंट में भी इस्तेमाल होता है।' टाटा स्टील ने डिजिटल यूनिवर्सिटी केरल (digital university kerala) के साथ समझौता किया है, जो देश का पहला ऑन-कैंपस डिजिटल यूनिवर्सिटी और सेंटर फॉर मैटेरियल्स फॉर इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजीज (सी-मेट) (On-Campus Digital University and Center for Materials for Electronics Technologies (C-MET) है। देश के पहले ग्राफीन अनुसंधान और नवाचार केंद्र के लिए एक वास्तविकता बनने के लिए, इंडिया इनोवेशन सेंटर ग्राफीन और 2 डी सामग्री पारिस्थितिकी के क्षेत्र में अनुसंधान और विकास, उत्पाद नवाचार और क्षमता निर्माण गतिविधियों का कार्य करेगा।

संदर्भ
https://bit.ly/3z8JBjn
https://bit.ly/3PC57Ee
https://bit.ly/3cHMSyL
https://bit.ly/3BeACzT

चित्र संदर्भ
1. पेंसिल लेड और ग्रेफाइड को दर्शाता एक चित्रण (flickr)
2. शुद्ध ग्रेफाइड को दर्शाता एक चित्रण (wikimedia)
3. पेंसिल को दर्शाता एक चित्रण (wikimedia)
4. लिथियम कोबाल्टेट बनाम ग्रेफाइट लिथियम-आयन बैटरी योजना को दर्शाता एक चित्रण (wikimedia)
5. 2005 में ग्रेफाइट उत्पादन को दर्शाता एक चित्रण (flickr)
6. हाथ में ग्रेफाइट को दर्शाता एक चित्रण (wikimedia)