মহাজাগতিক সেতু: কার্বন ন্যানোটিউবের মাধ্যমে কাল্পনিক বাস্তবতা

হালকা ওজন এবং উচ্চ শক্তি এখন উপাদান উন্নয়নের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বিষয়গুলির মধ্যে একটি। ধাতুর অর্থনৈতিক ব্যবহার করা, যেকোনো পণ্যের স্থায়িত্ব বাড়ানো এবং তাতে নতুন কার্যকারিতা যোগ করা গুরুত্বপূর্ণ। কার্বন ন্যানোটিউব (CNTs) আধুনিক যুগের একটি মহান আবিষ্কার যা ইস্পাতের স্থান নিতে পারে কারণ এর টানের শক্তি ইস্পাতের প্রায় দ্বিগুণ এবং একই সাথে অত্যন্ত হালকা ও পাতলা। এটি ইতিমধ্যে বেশ কিছু আধুনিক যুগের যন্ত্রপাতিতে ব্যবহৃত হচ্ছে, কিন্তু উন্নত উৎপাদন প্রযুক্তি এবং নিরন্তর গবেষণার মাধ্যমে এটি ইস্পাতের মতো একটি অত্যন্ত প্রয়োজনীয় ধাতু হতে পারে যা ছোট অস্ত্রোপচারের যন্ত্রপাতি থেকে শুরু করে মহাকাশ স্টেশন পর্যন্ত ব্যবহার করা যেতে পারে।

(toc) #title=(বিষয়বস্তু সরণী)

ভূমিকা

১৯৭০-এর দশকে আর্থার সি. ক্লার্ক ছিলেন সেই ব্যক্তি যিনি তাঁর "দ্য ফাউন্টেনস অফ প্যারাডাইস" নামক বিজ্ঞান কল্পকাহিনী উপন্যাসে মহাকাশ এলিভেটরের ধারণা দিয়েছিলেন। এটি ছিল একটি অত্যন্ত শক্তিশালী কেবল যা পৃথিবী থেকে মহাকাশ স্টেশনে একটি মহাকাশযান নিয়ে যেতে পারে। কিন্তু অনেক বছর ধরে এটি কেবল একটি বিজ্ঞান কল্পকাহিনী বইয়ের চিন্তাধারা ছিল যতক্ষণ না জাপানের একজন বিজ্ঞানী সুমিও ইজিমা ১৯৯১ সালে কার্বন ন্যানোটিউব নামক একটি অত্যন্ত শক্তিশালী পদার্থ সংশ্লেষণ ও অধ্যয়ন করেন এবং ১৯৯৩ সালে তাঁর গবেষণা পত্র প্রকাশ করেন। এই সময়ে বিজ্ঞানীরা মহাকাশ এলিভেটরের ধারণাটি পুনর্বিবেচনা করেন। যদিও এই বিজ্ঞান কল্পকাহিনার ধারণাটিকে বাস্তবে আনা এখনও বেশ অসম্ভব কারণ আমাদের ৩৫,৭৮৬ কিলোমিটার দীর্ঘ একটি বৃহৎ কাঠামো তৈরি করতে হবে এবং বায়ুমণ্ডলীয় উত্থান-পতন, কোরিওলিস বল মোকাবেলা করতে হবে এবং কেবলটিকে ৬৩ গিগাপাস্কাল চাপ সহ্য করতে হবে, তবুও এই অত্যন্ত শক্তিশালী কিন্তু অত্যন্ত হালকা পদার্থ সম্পর্কে আরও জানার জন্য গবেষণা চলছে।

CNTs কী?

কার্বন ন্যানোটিউব কার্বন সংক্ষেপে, কার্বন ন্যানোটিউব কার্বন (C) দিয়ে তৈরি, যার পারমাণবিক সংখ্যা ৬ এবং এর ব্যাস ন্যানোমিটারে পরিমাপ করা হয়। আমরা CNTs-কে গ্রাফাইটের একটি খুব পাতলা শীট হিসেবে ভাবতে পারি যা বন্ধন সহ একটি নলের আকারে গোল করা হয়েছে। এবং সেই শীটের শেষে, একটি বন্ধন তৈরি হয় যা নলটি বন্ধ করে দেয়। কার্বন ন্যানোটিউবের শক্তি মূলত কার্বন পরমাণুগুলির মধ্যে অত্যন্ত শক্তিশালী বন্ধন থেকে আসে।

CNTs-এর বৈচিত্র্য এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য

কার্বন ন্যানোটিউব একক-প্রাচীর বা বহু-প্রাচীর কাঠামোযুক্ত হতে পারে। তবে ফুলারাইট, ন্যানো নট, এবং টোরাস-ও CNTs-এর কিছু বিরল প্রকার।

একক-প্রাচীর কার্বন ন্যানোটিউব (SWCNTs) মূলত গ্রাফাইটের একটি একক স্তর রোল যা একটি নিরবচ্ছিন্ন দীর্ঘ বেলনাকার আকৃতি তৈরি করতে পারে। এক মাত্রিক কাঠামোর জন্য, এর দৈর্ঘ্য ১০০০ মিটার হতে পারে যেখানে ব্যাস মাত্র ১ ন্যানোমিটার। এই বৈশিষ্ট্যের কারণে, এই পদার্থটি খুবই হালকা হয়েছে যেখানে টানের শক্তি খুব বেশি।

বহু-প্রাচীর কার্বন ন্যানোটিউব (MWCNTs) সহজভাবে SWCNTs-এর একটি গোষ্ঠী এবং এর প্রয়োজন অনুযায়ী বিভিন্ন ব্যাস এবং পার্শ্ব থাকতে পারে। বহু-প্রাচীর কার্বন ন্যানোটিউবের অন্তঃস্তর দূরত্ব খুবই কম যা প্রায় ৩.৩ অ্যাংস্ট্রম। বিভিন্ন উদ্দেশ্যে দ্বি-প্রাচীর কার্বন ন্যানোটিউবও পাওয়া যেতে পারে।

CNTs-এর কাঠামো এবং যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য

CNTs-এর কাঠামো খুবই গুরুত্বপূর্ণ কারণ টানের শক্তি, কাঠিন্য এবং অন্যান্য যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য কাঠামোর উপর নির্ভর করে যদিও উপাদানগুলি একই। ২০০০ সালের শুরুর দিকে বিজ্ঞানীরা মনে করতেন যে এটি ৩০০ গিগাপাস্কাল সহ্য করতে পারে কিন্তু পরে আবিষ্কার করা হয় যে কাঠামোর উপর নির্ভর করে শক্তি ৬০~৬০০ গিগাপাস্কাল পর্যন্ত পরিবর্তিত হতে পারে (তাত্ত্বিক। দ্রষ্টব্য: ব্যবহারিক মাত্র ২৫~৬৬ গিগাপাস্কাল)। কাঠামোর উপর নির্ভর করে CNTs-কে প্রধানত ৩টি প্রকারে ভাগ করা যায় যেগুলি হল জিগজ্যাগ, কাইরাল, আর্মচেয়ার। এই তিনটি কাঠামো গ্রাফাইট স্তরগুলি কোন দিকে কাটা এবং রোল করা হয় তার উপর নির্ভর করে। যেহেতু গ্রাফাইট ষড়ভুজাকার কাঠামোযুক্ত, ষড়ভুজের কোণ এখানে খুব গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে।

জিগজ্যাগ:

এই কাঠামোটি লাল চিহ্ন অনুসরণ করে গ্রাফাইট স্তর কেটে এবং তা রোল করে তৈরি করা হয়। এই কাঠামোর একটি মাঝারি শক্তি রয়েছে যা ৩০~৫০ গিগাপাস্কাল হতে পারে এবং ব্যাস ২ ন্যানোমিটারের কম হতে পারে।

কাইরাল:

কাইরাল কাঠামো নীচে চিহ্নিত একটি কোণে গ্রাফাইট স্তর কেটে তৈরি করা হয়। কাইরাল কাঠামোর সবচেয়ে কম শক্তি রয়েছে যা প্রায় ২৫ গিগাপাস্কাল।

আর্মচেয়ার:

এই কাঠামোর সর্বোচ্চ শক্তি রয়েছে যা ৬০ গিগাপাস্কালের বেশি এবং ব্যাস ১.৫ ন্যানোমিটার পর্যন্ত কম হতে পারে।

এখানে উল্লেখ্য যে CNTs-এর শক্তি সম্পূর্ণভাবে কাঠামোর কোণ এবং নলের ব্যাসের উপর নির্ভর করে কিন্তু কাঠামোতে কোনো ত্রুটি থাকলে তা টানের শক্তি দুর্বল করে দেবে। শুধু শক্তি নয়, এর খুব ভাল স্থিতিস্থাপকতাও রয়েছে। একটি CNT-এর শীর্ষে চাপ দিলে নলটি ক্ষতি না করেই বাঁকানো যায় এবং মূল আকৃতিও ফিরে পাওয়া যায়।

প্রক্রিয়াকরণ

২০০৯~২০১১ সাল থেকে কার্বন ন্যানোটিউবের উৎপাদন প্রক্রিয়া উন্নত করার জন্য অনেক ধরনের গবেষণা পরিচালিত হয়েছিল, কিন্তু CNT সংশ্লেষণ পদ্ধতি অত্যন্ত প্রশংসিত ও জনপ্রিয় ছিল কারণ এটি গণ উৎপাদনের জন্য ব্যবহার করা যায়। তবে বৃহত্তর পরিমাণের জন্য, আমাদের সবসময় মূল্যবান গুণমান ত্যাগ করতে হয়, তাই এই পদ্ধতি উচ্চ-মানের CNT উপাদানের জন্য সর্বোত্তম নয়।

CNTs-এর সংশ্লেষিত প্রক্রিয়ায় উচ্চ এবং নিম্ন উভয় তাপমাত্রা ব্যবহার করা যেতে পারে। CVD যা রাসায়নিক বাষ্প নিক্ষেপণের জন্য দাঁড়ায়, তা নিম্ন তাপমাত্রা ব্যবহারের প্রক্রিয়া। এটি মূলত একটি কার্বন দূষিত প্রবাহমান গ্যাস এবং কিছু উৎপ্রেরক কণার মধ্যে প্রতিক্রিয়া। উচ্চ-তাপমাত্রা পদ্ধতি আর্ক ডিসচার্জ এবং লেজার অ্যাবলেশন ব্যবহার করে যা ১০০০~৩০০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস উচ্চ তাপমাত্রায় ঘটতে পারে। CNTs-এর উচ্চ মানের বিশুদ্ধকরণ প্রক্রিয়া পরে করা হয়।

ইস্পাতের পরিবর্তে CNTs বেছে নেওয়ার কারণ:

কার্বন ন্যানোটিউবের শক্তি তার sp^2 বন্ধনের পিছনে নিহিত, যা এমনকি হীরার কাঠামোর চেয়েও বেশি যার sp^3 বন্ধন রয়েছে। এখানে বিভিন্ন উপাদানের মধ্যে শক্তির তুলনা দেখানো হয়েছে যা নির্দিষ্ট শক্তির উপর ভিত্তি করে যা ব্যর্থতার সময় প্রতি একক ক্ষেত্রফলে বল ভাগ করে তার ঘনত্ব দিয়ে (kN.m/kg)।

এই চার্ট অনুযায়ী, এটা স্পষ্ট যে CNTs-এর ন্যূনতম শক্তিও ইস্পাতের চেয়ে অনেক বেশি। এছাড়াও, এটি হালকা ওজনের এবং এত শক্তি ধারণ করে CNTs ফাইবার খুব ছোট ব্যাসের হতে পারে। তাই, যেকোনো বৃহৎ কাঠামো বা ন্যানোকাঠামো নির্মাণের জন্য শক্তিশালী দড়ি তৈরি করার সময় CNTs অগ্রাধিকার পেতে পারে। এছাড়াও এর হালকা ওজনের কারণে মহাকাশযান বা এমনকি আধুনিক যানবাহনের কাঠামো তৈরি করা যেতে পারে যা অনেক জ্বালানি সাশ্রয় করে পুরো কাঠামোকে খুব হালকা করে তোলে।

যান্ত্রিক শক্তিবৃদ্ধির জন্য CNTs-এর কোনো বিকল্প নেই কারণ এর দৈর্ঘ্য:ব্যাস অনুপাত অত্যন্ত বেশি। জেনারেল মোটরস রিসার্চ অ্যান্ড ডেভেলপমেন্ট থেকে একটি গবেষণায় দেখা গেছে যে পলিপ্রোপিলিনে ০.২Mn ব্যাসের নেস্টেড CNTs-এর ১১.৫% ওজন যোগ করে পলিপ্রোপিলিনের টানের শক্তি দ্বিগুণ করা যায়।

টোকিও বিশ্ববিদ্যালয়ের আরেকটি গবেষণায় প্রমাণিত হয়েছে যে অ্যালুমিনিয়ামের সাথে ৫% আয়তনের CNTs মিশ্রণ করে অ্যালুমিনিয়ামের টানের শক্তি প্রায় দ্বিগুণ বাড়ানো যায়। আরও একটি গবেষণা পাওয়া যায় যেখানে ৩০% CNTs এবং ৭০% ইস্পাত ব্যবহার করা হয়েছিল। যথাযথ প্রক্রিয়াকরণের মাধ্যমে, সেই মিশ্র ধাতুর থেকে ইস্পাতের টানের শক্তি ৭ গুণ বাড়ানো যেতে পারে।

CNTs সম্পর্কে ভবিষ্যৎমুখী চিন্তা

CNTs সম্পর্কে জ্বলন্ত প্রশ্ন হল একটি মহাকাশ এলিভেটর। যদিও এটি কেবল একটি বিজ্ঞান কল্পকাহিনীর চিন্তা, বিভিন্ন গবেষণা এখনও চলছে। যদিও এটি ৩৫,৭৮৬ কিলোমিটার দীর্ঘ একটি বৃহৎ কাঠামো হতে হবে, একজন রাশিয়ান প্রকৌশলী ইউরি আর্কোথানব প্রস্তাব করেছেন একটি উপগ্রহ তৈরি করার যা পৃথিবীর সাথে একই গতিতে কক্ষপথে ঘুরবে এবং সেখান থেকে এলিভেটর তৈরি করা যেতে পারে। কিন্তু যেহেতু এই কাঠামো সম্পূর্ণভাবে উপাদানের শক্তির উপর নির্ভর করবে, CNTs এই প্রকল্পের জন্য একটি আশার আলো হতে পারে। যদিও হিসাব বলছে যে উপাদানটিকে ৬৬ গিগাপাস্কাল চাপ সহ্য করতে হবে।

এই সব নেতিবাচক তথ্য সত্ত্বেও, যদি এই ভবিষ্যৎমুখী প্রকল্পটি আলোর মুখ দেখতে পারে তবে এটি মহাকাশ প্রযুক্তির ক্ষেত্রে একটি বিশাল বিপ্লব হবে কারণ তাদের প্রতিটি মহাকাশযানের জন্য বিপুল পরিমাণ অর্থ ব্যয় করতে হয়। SpaceX-এর তথ্য অনুযায়ী, পৃথিবীর পৃষ্ঠ থেকে মহাকাশে নিতে ফ্যালকনের প্রতি কেজির জন্য প্রায় ৩,৩৭০ ডলার খরচ হয় এবং মহাকাশ শাটলের জন্য এই খরচ প্রতি কেজিতে প্রায় ২৮,০৩৭ ডলার। কিন্তু যদি এই ভবিষ্যৎমুখী মহাকাশ এলিভেটর তৈরি করা যায় তবে এই খরচ কমিয়ে প্রতি কেজিতে মাত্র ২২০ ডলারে নামিয়ে আনা যেতে পারে।

উপসংহার

যদিও কার্বন ন্যানোটিউবের ইতিহাস একটি বিজ্ঞান কল্পকাহিনী উপন্যাস থেকে শুরু হয়েছিল, এই সুপার উপাদানের ক্ষেত্রে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি অর্জিত হয়েছে। গবেষণার মাধ্যমে নতুন উৎপাদন ও প্রক্রিয়াকরণের ধারণা সামনে আসছে। মহাকাশ এলিভেটর একটি ভবিষ্যৎমুখী প্রকল্প হলেও CNTs-এর যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য ব্যবহার করে আমরা বিপুল সম্ভাবনা সহ নতুন উপযোগী পণ্য উন্নত করতে পারি।

Citations:

[1] https://ppl-ai-file-upload.s3.amazonaws.com/web/direct-files/14812953/6a184da9-cdd6-477d-a04f-c71c664a8d95/paste.txt 

[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1026309812002477 

[3] https://www.intechopen.com/chapters/72939 

[4] https://www.bu.edu/gk12/marc/Lessons/cnt/cnt_talk.pdf 

[5] https://www.prescouter.com/2017/03/applications-carbon-nanotubes/ 

[6] https://ppl-ai-file-upload.s3.amazonaws.com/web/direct-files/14812953/6a184da9-cdd6-477d-a04f-c71c664a8d95/paste.txt 

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube