एक कार्बन नैनोट्यूब स्टील से मज़बूत है। उनकी रस्सी नहीं — और वजह जानने लायक़ है

हर कुछ साल में यह सुर्ख़ी लौट आती है कि कार्बन नैनोट्यूब स्टील से सौ गुना मज़बूत है, और साथ में सवाल कि फिर पुल, हवाई जहाज़ और अंतरिक्ष-लिफ़्ट इससे क्यों नहीं बन रहे। उस सुर्ख़ी का आँकड़ा नक़ली नहीं है। वह बार-बार नापा गया है। पर वह आँकड़ा अब तक रस्सी क्यों नहीं बन पाया — इसका जवाब "इंजीनियरिंग में देर हो रही है" से कहीं ज़्यादा दिलचस्प है, और वही समझा देता है कि कोई भी नैनोमटेरियल जब एक कण से अरबों कणों तक जाता है तो उसके साथ क्या होता है।

छोटा जवाब यह है: एक ट्यूब की मज़बूती और एक रस्सी की मज़बूती दो अलग राशियाँ हैं, और दूसरी पहली से तय नहीं होती।

नैनोट्यूब है क्या

ग्राफीन की एक परत लीजिए — एक परमाणु मोटी, षट्भुजाकार जालक में सजे कार्बन परमाणु, वही मटेरियल जिस पर बीस साल बाद हमने लिखा था — और उसे लपेटकर एक-दो नैनोमीटर व्यास का बिना जोड़ का बेलन बना दीजिए। यही सिंगल-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब (SWCNT) है। ऐसे कई बेलन दूरबीन की तरह एक के भीतर एक रख दीजिए तो मल्टी-वॉल्ड नैनोट्यूब (MWCNT) बनती है, जिसका बाहरी व्यास आम तौर पर कुछ दसियों नैनोमीटर होता है।

दीवार के भीतर के बंध sp² कार्बन–कार्बन बंध हैं — वही बंध जो ग्राफीन और हीरे को असाधारण बनाते हैं, और यहाँ इस तरह सजे हैं कि ट्यूब की धुरी के साथ लगाया गया बल सीधे इसी सहसंयोजक जालक पर पड़ता है, बीच में कोई कमज़ोर कड़ी नहीं आती। आँकड़े इसीलिए ऐसे हैं। अकेली नैनोट्यूब का यंग मापांक लगभग 1 TPa तक नापा गया है और तन्य शक्ति दसियों GPa में — MWCNT की बाहरी दीवार पर हुए शास्त्रीय मापन क़रीब 11 से 63 GPa के बीच निकले थे — जबकि संरचनात्मक और उच्च-शक्ति स्टील 0.4 से 2 GPa के दायरे में हैं। और यह सब नैनोट्यूब 1.3–1.4 g/cm³ घनत्व पर करती है, जहाँ स्टील 7.8 पर बैठा है। प्रति किलो के हिसाब से इसके आसपास कुछ भी नहीं है।

एक दूसरा गुण है जो व्यापार की दृष्टि से इतना ही अहम है, और वह बिजली से जुड़ा है। ग्राफीन की चादर किस कोण पर लपेटी गई है — यानी कायरैलिटी, जिसे (n,m) की जोड़ी से लिखते हैं — यह तय करती है कि बनी हुई ट्यूब धातु की तरह बर्ताव करेगी या अर्धचालक की तरह। बिना छँटाई वाले बैच में मोटे तौर पर एक-तिहाई ट्यूब धात्विक होती हैं और दो-तिहाई अर्धचालक। थोक कंडक्टिव एडिटिव के लिए यह मिश्रण बेमानी है। पर जो ट्रांज़िस्टर बनाना चाहता है उसके लिए यही पूरे क्षेत्र की केंद्रीय समस्या है — क्योंकि धात्विक ट्यूब वाले बैच का मतलब है शॉर्ट हो चुके डिवाइस, और बड़े पैमाने पर उतनी शुद्धता से छँटाई करना आज भी कठिन है।

मज़बूती जाती कहाँ है

अब कुछ ऐसा बनाइए जो हाथ में पकड़ा जा सके। एक नैनोट्यूब कुछ माइक्रोमीटर से कुछ मिलीमीटर लंबी होती है। रस्सी मीटरों में होती है। यानी बल को एक ट्यूब से दूसरी तक, बार-बार, पहुँचना पड़ेगा — और ठीक यहीं भौतिकी बदल जाती है।

ट्यूब के भीतर बल सहसंयोजक बंध ढोते हैं। दो ट्यूब के बीच कोई बंध है ही नहीं — सिर्फ़ वान डर वाल्स आकर्षण, वही कमज़ोर, बिना-बंध वाला खिंचाव जिससे छिपकली दीवार पर चिपकती है और पेंसिल काग़ज़ पर लिखती है। नैनोट्यूब इसी खिंचाव से आपस में गुच्छे बना लेने में बहुत माहिर हैं — इसीलिए वे अलग-अलग ट्यूब के रूप में नहीं, उलझे हुए ढेर के रूप में मिलती हैं — पर तनाव को एक से दूसरी तक पहुँचाने के साधन के रूप में यह उस दीवार के सामने बेहद कमज़ोर है जिसका तनाव वह ढो रही है। गुच्छे को ज़ोर से खींचिए तो ट्यूब टूटती नहीं। वह फिसल जाती है।

यही चीज़ मल्टी-वॉल्ड ट्यूब के भीतर भी होती है, और उसका नाम भी है: तलवार-म्यान भंजन (sword-in-sheath)। बाहरी दीवार बल उठाती है, टूटती है, और भीतर की दीवारें दूरबीन की तरह उसमें से सरककर बाहर निकल आती हैं — लगभग कुछ भी योगदान किए बिना। दस दीवारों वाली ट्यूब एक दीवार वाली से दस गुना मज़बूत नहीं होती; तनाव में वह क़रीब-क़रीब एक दीवार का काम और नौ की सवारी होती है।

इससे तीन नतीजे निकलते हैं, और तीनों मिलकर सुर्ख़ी और रस्सी के बीच की पूरी खाई समझा देते हैं।

• लंबाई सबसे ज़्यादा मायने रखती है। अगर बल का हस्तांतरण ओवरलैप पर घर्षण से हो रहा है, तो ओवरलैप जितना लंबा होगा, फिसलने से पहले उतना ज़्यादा बल संभलेगा। इसीलिए ज़्यादा मज़बूत ट्यूब उगाने से कहीं ज़्यादा क़ीमती है ज़्यादा लंबी ट्यूब उगाना, और मिलीमीटर-लंबी ट्यूब को गंभीर उपलब्धि माना जाता है।
• संरेखण लगभग उतना ही अहम है। बल की दिशा से तिरछी पड़ी ट्यूब उस बल का एक अंश ही उठाती है। असली रेशों में लहरें, फंदे और टेढ़ापन होता है — यह सब वह मज़बूती है जो कभी पहुँचती ही नहीं।
• दोष छत तय करते हैं। मज़बूती ट्यूब के औसत से नहीं, उसके सबसे बुरे बिंदु से तय होती है। जालक में एक रिक्ति या एक पंचभुज–सप्तभुज जोड़ी ही दरार की शुरुआत है, और लंबी ट्यूब में ऐसा कोई बिंदु होने की संभावना ज़्यादा है।

इन सबका जोड़ यह है कि बड़े पैमाने के CNT रेशे प्रयोगशाला के सर्वोत्तम नतीजों में इकाई अंकों के GPa तक पहुँचते हैं और व्यावसायिक रूप से उससे भी कम — इंजीनियरिंग रेशों के पैमाने पर बढ़िया, ख़ासकर प्रति-वज़न, पर अकेली ट्यूब से दस से सौ गुना नीचे। यह खाई अक्षमता नहीं है। यह सहसंयोजक बंध और घर्षणीय संपर्क के बीच का फ़र्क़ है।

सबक़ नैनोट्यूब से कहीं आगे तक जाता है: किसी नैनोमटेरियल का सुर्ख़ी वाला गुण एक कण का गुण होता है। उसमें से कितना थोक मटेरियल तक पहुँचेगा, यह कणों के बीच की सतहों से तय होता है — और सतह लगभग हमेशा पूरे तंत्र की सबसे कमज़ोर कड़ी होती है।

खाई पाटने की कोशिशें

जो काम इस खाई पर हो रहा है वह ठीक ऊपर के तीनों बिंदुओं पर हमला करता है, और उसमें सचमुच प्रगति है।

लंबी ट्यूब — फ़्लोटिंग-कैटलिस्ट रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) से, जहाँ रेशा पाउडर से बाद में बुनने के बजाय सीधे अभिक्रिया-क्षेत्र से लगातार काता जाता है — अब तक के सबसे मज़बूत रेशे देती है। सघनीकरण, यानी रेशे को विलायक से गुज़ारना या उसमें बल देना, ट्यूब को पास लाकर घर्षण के लिए उपलब्ध क्षेत्रफल बढ़ा देता है। क्रॉस-लिंकिंग एक क़दम आगे जाकर घर्षण की जगह रसायन बिठाने की कोशिश करती है: आयन या इलेक्ट्रॉन विकिरण से पड़ोसी ट्यूबों के बीच सहसंयोजक पुल बनते हैं — जो एक हद तक मज़बूती बढ़ाते हैं और उसके बाद उन्हीं दीवारों को नुक़सान पहुँचाने लगते हैं जिनसे मज़बूती आती है; यह संतुलन अब भी खोजा जा रहा है। पॉलिमर अंतःस्यंदन कंपोज़िट का रास्ता लेता है और तनाव को ट्यूबों के बीच पहुँचाने का काम मैट्रिक्स से कराता है।

इनमें से किसी ने अकेली ट्यूब वाले आँकड़े का मटेरियल नहीं बनाया है, और ईमानदार आकलन यह है कि कोई उसके क़रीब भी नहीं है। रही बात अंतरिक्ष-लिफ़्ट की — उसके लिए जितनी विशिष्ट शक्ति चाहिए वह किसी असली रेशे में दिखी ही नहीं है, और इस दशक की किसी भी चर्चा में उसे पैमाना बनाना बेकार है।

आज नैनोट्यूब असल में किस काम आती है

यह हिस्सा मज़बूती की कहानी से कम चर्चा पाता है, जबकि टनों में माल यहीं जाता है।

लिथियम-आयन बैटरी इलेक्ट्रोड में कंडक्टिव एडिटिव — मात्रा के हिसाब से सबसे बड़ा असली इस्तेमाल। कार्बन ब्लैक की जगह एक प्रतिशत के छोटे-से अंश जितनी नैनोट्यूब डालिए और गोल कणों की भीड़ की जगह लंबे, पतले चालकों का आपस में जुड़ा जाल मिल जाता है — यानी उतनी ही विद्युत चालकता कहीं कम निष्क्रिय मटेरियल से। और जो ग्राम कंडक्टिव एडिटिव पर ख़र्च नहीं हुआ, वह सक्रिय मटेरियल के लिए बचा। सिलिकॉन वाले एनोड में सिंगल-वॉल्ड ट्यूब ख़ास तौर पर मायने रखती है, क्योंकि वहाँ इलेक्ट्रोड हर चक्र में बहुत फूलता-सिकुड़ता है, और लचीला जाल इस हरकत को झेल जाता है जबकि भुरभुरा जाल टूट जाता है।

स्थैतिक विद्युत नियंत्रण और चालक प्लास्टिक। दसवें हिस्से भर प्रतिशत MWCNT किसी विद्युतरोधी पॉलिमर को नियंत्रित रूप से चालक बना देती है, वह भी उस भारी लोडिंग के बिना — और उससे होने वाले यांत्रिक नुक़सान के बिना — जो कार्बन ब्लैक माँगता है। यह चमकीला काम नहीं है, पर बड़ी मात्रा वाला और पूरी तरह व्यावसायिक है: फ़्यूल लाइन, वेफ़र संभालने वाले पुर्ज़े, इलेक्ट्रोस्टैटिक पेंट होने वाले ऑटोमोटिव कंपोनेंट।

ऊष्मीय इंटरफ़ेस और गर्मी फैलाने वाली परतें, जो ट्यूब की धुरी के साथ की बहुत ऊँची ऊष्मा-चालकता का लाभ उठाती हैं — बशर्ते मटेरियल इस तरह संरेखित हो कि ट्यूब सचमुच गर्म से ठंडी तरफ़ की ओर इशारा करें।

कंपोज़िट में प्रबलन, जहाँ निशाना आम तौर पर कच्ची मज़बूती नहीं होती, बल्कि दृढ़ता, थकान-आयु, क्षति सहने की क्षमता और इपॉक्सी या कार्बन-फ़ाइबर लैमिनेट में दरार को पुल बनाकर रोकना होता है। सेवा में वह थोड़ी-सी मिलावट ज़्यादा क़ीमती है जो सूक्ष्म-दरार को बढ़ने से रोक दे, बनिस्बत उस भारी मिलावट के जो डेटाशीट का एक आँकड़ा ऊपर कर दे।

फ़ील्ड एमिशन, सेंसर और पारदर्शी चालक — हर एक अपनी जगह असली। और प्रयोगशाला में CNT ट्रांज़िस्टर, जो सिलिकॉन के बाद के दौर के लिए सचमुच आशाजनक हैं और उतनी ही सचमुच कायरैलिटी से पैदा हुई शुद्धता और स्थान-निर्धारण की समस्या पर अटके हुए हैं।

स्पेसिफ़िकेशन शीट कैसे पढ़ें

अगर आप यह मटेरियल पढ़ने के लिए नहीं, ख़रीदने के लिए देख रहे हैं तो याद रखिए: "कार्बन नैनोट्यूब" कोई स्पेसिफ़िकेशन नहीं है। छह बातें तय करती हैं कि कोई ग्रेड आपके काम आएगा या नहीं, और भरोसेमंद सप्लायर छहों बताते हैं।

1. SWCNT या MWCNT। ये अलग मटेरियल हैं, और क़ीमत में क़रीब दस से सौ गुना का फ़र्क़ है। सिंगल-वॉल्ड बहुत कम लोडिंग पर विद्युत जाल बनाने के लिए; मल्टी-वॉल्ड आम कामकाज का घोड़ा।
2. व्यास, लंबाई और आस्पेक्ट रेशियो। आस्पेक्ट रेशियो ही परकोलेशन थ्रेशोल्ड तय करता है — यानी वह लोडिंग जिस पर चालक जाल पहली बार बनता है — और दो ग्रेड की तुलना इसी से कीजिए।
3. शुद्धता, और ख़ासकर बची हुई उत्प्रेरक धातु। ट्यूब लोहे, कोबाल्ट या निकल के नैनोकणों पर उगती हैं, और जो पीछे रह जाता है वह विद्युत-रासायनिक कामों में दुष्प्रभावी अभिक्रिया का ठिकाना बनता है और जैव-चिकित्सा कामों में विषाक्तता के नतीजे गड़बड़ा देता है। कार्बन शुद्धता के लिए TGA और धातुओं के लिए ICP माँगिए।
4. दोष घनत्व, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से। 1350 cm⁻¹ के पास वाले D बैंड और 1580 cm⁻¹ के पास वाले G बैंड का अनुपात मानक गुणवत्ता-सूचक है; कम D/G यानी ज़्यादा निर्दोष जालक। सिंगल-वॉल्ड मटेरियल में रेडियल ब्रीदिंग मोड व्यास भी बता देता है।
5. परिक्षेपण की स्थिति और फंक्शनलाइज़ेशन। इसी को सबसे ज़्यादा कम आँका जाता है। नैनोट्यूब गुच्छों में आती है, और ठीक से न फैला हुआ महँगा बैच अच्छी तरह फैले सस्ते बैच से ख़राब काम करता है। पूछिए कि सप्लायर क्या सुझाता है — सर्फ़ैक्टेंट, डिस्पर्संट, मास्टरबैच, या पहले से बना पेस्ट — और यह ध्यान रखिए कि ज़रूरत से ज़्यादा सोनिकेशन ट्यूब को काट देता है, यानी जिस आस्पेक्ट रेशियो के पैसे दिए थे वही ख़त्म। कार्बोक्सिल या एमीन फंक्शनलाइज़ेशन फैलाव और मैट्रिक्स से जुड़ाव सुधारता है, पर दीवार में दोष डालने की क़ीमत पर।
6. किस रूप में मिल रहा है। सूखा पाउडर, जलीय या NMP परिक्षेपण, मास्टरबैच, बकीपेपर और संरेखित ऐरे — ये अलग उत्पाद हैं जिनकी हैंडलिंग अलग है, और प्रक्रिया इजाज़त दे तो थोड़ा महँगा होने पर भी परिक्षेपण ख़रीदना अक्सर समझदारी है।

हैंडलिंग पर अलग से बात ज़रूरी है, क्योंकि सूखा नैनोट्यूब पाउडर रेशेदार, बेहद हल्का और साँस में जा सकने वाला मटेरियल है, और उसे गंभीरता से लेने का एहतियाती आधार अच्छी तरह स्थापित है। लंबे, कड़े, शरीर में लंबे समय टिकने वाले रेशे वही आकृति हैं जिसे साँस-विषविज्ञान में सबसे ज़्यादा चिंता से देखा जाता है, और अमेरिकी संस्था NIOSH ने कार्बन नैनोट्यूब व नैनोफ़ाइबर के लिए 8-घंटे के औसत पर 1 µg/m³ तात्विक कार्बन की अनुशंसित सीमा तय की है — यह कितना छोटा आँकड़ा है, यही बता देता है कि सवाल को कैसे देखा जाता है। सूखा पाउडर बंद घेरे या फ़्यूम हुड में ही खोलिए, उपयुक्त श्वसन सुरक्षा पहनिए, सूखी झाड़ू मत लगाइए, और SDS पहली बोतल खोलने के बाद नहीं, पहले पढ़िए। परिक्षेपण और मास्टरबैच इस जोखिम का रास्ता काफ़ी हद तक बंद कर देते हैं — जहाँ प्रक्रिया इजाज़त दे, उन्हें चुनने की यह अच्छी वजह है।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

कार्बन नैनोट्यूब असामान्य रूप से ईमानदार शिक्षक है, क्योंकि यह क्षेत्र अपना हाइप-चक्र जी चुका है और दूसरी तरफ़ असली उत्पादों के साथ निकला है। मज़बूती वाली कहानी ने रस्सी नहीं दी; बिजली और विद्युत-रसायन वाली कहानी ने चुपचाप एक उद्योग खड़ा कर दिया। आज नैनोमटेरियल में उतरने वाले को "गुण" और "उपयोग" के फ़र्क़ का एक पूरा, ख़त्म हो चुका उदाहरण पढ़ने को मिलता है।

खुले सवाल भी असामान्य रूप से साफ़ हैं, जो प्रोजेक्ट चुनते वक़्त वरदान है। बड़े पैमाने पर कायरैलिटी-चयनित वृद्धि और छँटाई ही वह दीवार है जो CNT इलेक्ट्रॉनिक्स और कारख़ाने के बीच खड़ी है। ट्यूब–ट्यूब और ट्यूब–मैट्रिक्स सतह पर बल-हस्तांतरण दशकों पुराना यांत्रिकी का सवाल है जिसका बंद हल आज भी नहीं है। लंबी, कम-दोष वाली ट्यूब का बड़े पैमाने पर संश्लेषण जितना रसायन का सवाल है उतना ही रिएक्टर इंजीनियरिंग का। और रेशे की लंबाई, कड़ेपन व जैव-स्थायित्व की विषाक्तता एक जीवित सार्वजनिक-स्वास्थ्य सवाल है जिसके नियामक नतीजे निकलते हैं।

इस क्षेत्र को ध्यान से पढ़ने की दूसरी वजह यह है कि प्रयोगशाला के नतीजे और ख़रीदे जा सकने वाले ग्रेड के बीच की दूरी बड़ी है, और वह दूरी ब्रोशर में नहीं, जर्नल में दर्ज होती है। नापा हुआ D/G अनुपात, बताई गई लंबाई-वितरण और पीयर-रिव्यू में टिका हुआ परिक्षेपण प्रोटोकॉल किसी भी प्रोडक्ट पेज के विशेषण से ज़्यादा बताते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

क्या कार्बन नैनोट्यूब सचमुच स्टील से सौ गुना मज़बूत है?

अकेली ट्यूब, उसकी धुरी के साथ नापी जाए, तो सचमुच दसियों GPa तक पहुँचती है — वह भी स्टील के लगभग पाँचवें हिस्से घनत्व पर, इसलिए प्रति-वज़न तुलना सही बैठती है। उन्हीं ट्यूब से बना बड़ा रेशा वहाँ नहीं पहुँचता, क्योंकि वहाँ बल को ट्यूब-दर-ट्यूब उन सतहों से गुज़रना पड़ता है जो सहसंयोजक बंध नहीं, वान डर वाल्स खिंचाव से जुड़ी हैं। दोनों बातें सच हैं; वे दो अलग चीज़ों के बारे में हैं।

सिंगल-वॉल्ड और मल्टी-वॉल्ड में फ़र्क़ क्या है?

SWCNT ग्राफीन का एक लपेटा हुआ बेलन है, आम तौर पर लगभग एक नैनोमीटर व्यास का; MWCNT एक के भीतर एक कई बेलन, आम तौर पर दसियों नैनोमीटर व्यास का। सिंगल-वॉल्ड मटेरियल के अंतर्निहित इलेक्ट्रॉनिक गुण बेहतर हैं और वह बहुत कम लोडिंग पर जाल बना देता है, पर वह दस से सौ गुना महँगा है और फैलाना कठिन। ज़्यादातर थोक कामों के लिए व्यावहारिक विकल्प मल्टी-वॉल्ड है — और तनाव में वह तलवार-म्यान भंजन झेलता है, जहाँ बल सिर्फ़ बाहरी दीवार उठाती है।

परिक्षेपण इतना क्यों मायने रखता है?

क्योंकि नैनोट्यूब ख़ुद को गुच्छे में बाँध लेती है। लंबी ट्यूब के साथ-साथ जुड़ता वान डर वाल्स खिंचाव मिलकर मज़बूत पकड़ बन जाता है, इसलिए मटेरियल गुच्छों के रूप में आता है — और गुच्छा वह काम नहीं करता जो अलग ट्यूब करती। अच्छी तरह फैला हुआ साधारण बैच अक्सर ख़राब फैले प्रीमियम बैच से बेहतर निकलता है; इसीलिए सप्लायर पहले से बने पेस्ट और मास्टरबैच बेचते हैं, और इसीलिए सोनिकेशन में सावधानी चाहिए — ज़्यादा सोनिकेशन ट्यूब छोटी कर देता है और वही आस्पेक्ट रेशियो मार देता है जिस पर पूरा उपयोग टिका है।

क्या कार्बन नैनोट्यूब ख़तरनाक है?

इसे घबराहट नहीं, सम्मान चाहिए। चिंता विशिष्ट है और आकार से जुड़ी है: लंबे, कड़े, शरीर में देर तक टिकने वाले रेशे वही ज्यामिति हैं जो साँस-विषविज्ञान में सबसे ज़्यादा जोखिम से जुड़ी मानी जाती है, और NIOSH की 1 µg/m³ तात्विक कार्बन की अनुशंसित सीमा इसी को दर्शाती है। छोटी, उलझी हुई या मैट्रिक्स में अच्छी तरह फैली ट्यूब का जोखिम-प्रोफ़ाइल सूखे, साँस में जा सकने वाले पाउडर से बहुत अलग है। जवाब है इंजीनियरिंग नियंत्रण, सही PPE और SDS पढ़ना — यानी वही जवाब जो प्रयोगशाला के किसी भी महीन पाउडर पर लागू होता है।

आज मुझे नैनोट्यूब सबसे पहले कहाँ मिलेगी?

सबसे अधिक संभावना बैटरी में। नैनोट्यूब अब लिथियम-आयन कैथोड और सिलिकॉन वाले एनोड में मानक कंडक्टिव एडिटिव है, यानी वह इलेक्ट्रिक गाड़ियों और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में ठीक-ठाक मात्रा में मौजूद है। उसके बाद एंटीस्टैटिक और चालक प्लास्टिक में, ऊष्मीय इंटरफ़ेस मटेरियल में, और कंपोज़िट में दृढ़ता बढ़ाने वाली मिलावट के रूप में — इनमें से कोई भी सुर्ख़ी वाली रस्सी नहीं है, और सब असली हैं।