সুপার কপার ফয়েলের যুগান্তকারী উদ্ভাবনে ‘অসম্ভব ত্রিভুজ’ সমাধান করলেন চীনা বিজ্ঞানীরা

পদার্থবিজ্ঞানের ‘অসম্ভব ত্রিভুজ’ ভাঙা

প্রচলিত ভৌত সীমাবদ্ধতাকে অতিক্রম করে যুগান্তকারী এক তামার ফয়েল তৈরি করে পদার্থবিজ্ঞানে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি অর্জন করেছেন চীনা বিজ্ঞানীরা। চীনা বিজ্ঞান একাডেমির ইনস্টিটিউট অব মেটাল রিসার্চের (আইএমআর) লু লেইয়ের নেতৃত্বে গবেষকেরা এমন একটি উচ্চক্ষমতাসম্পন্ন তামার ফয়েল তৈরি করেছেন, যা একই সঙ্গে অতি উচ্চ শক্তি, অসাধারণ বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা এবং উল্লেখযোগ্য তাপীয় স্থিতিশীলতা দেয়। মর্যাদাপূর্ণ সাময়িকী সায়েন্স-এ প্রকাশিত এই উদ্ভাবন তিনটি গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্যের মধ্যে দীর্ঘদিনের আপসের বাধা দূর করেছে। পদার্থবিজ্ঞানীরা ধাতব পদার্থের নকশার ক্ষেত্রে এই সমস্যাকে দীর্ঘদিন ধরে ‘অসম্ভব ত্রিভুজ’ বলে অভিহিত করেছেন।

নতুন এই উপাদান উন্নত উৎপাদন সক্ষমতায় উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি এনেছে, যার তাৎক্ষণিক প্রভাব পড়তে পারে ইলেকট্রনিকস ও নবায়নযোগ্য জ্বালানি খাতে। কয়েক দশক ধরে প্রকৌশলীদের ভোগানো শক্তি ও পরিবাহিতার অন্তর্নিহিত দ্বন্দ্বের সমাধান করে এই সুপার কপার ফয়েল আরও দক্ষ স্মার্টফোন চিপ, উন্নত কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা গণনাযন্ত্র এবং বৈদ্যুতিক গাড়ির জন্য আরও নিরাপদ লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি তৈরির নতুন পথ খুলে দিয়েছে।

গ্রেডিয়েন্ট ন্যানো-ডোমেইন স্থাপত্যের রহস্য

এই উদ্ভাবনের মূল ভিত্তি হলো ‘গ্রেডিয়েন্ট ন্যানো-ডোমেইন স্থাপত্য’ নামে পরিচিত এক অভিনব অণুগঠনগত নকশা। প্রচলিত তামার ফয়েল তৈরিতে নির্মাতাদের বরাবরই আপস করতে হয়েছে: বিশুদ্ধ তামার বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা চমৎকার, কিন্তু উচ্চক্ষমতাসম্পন্ন ব্যবহারের জন্য প্রয়োজনীয় যান্ত্রিক শক্তি এতে কম। অন্যদিকে, বিভিন্ন উপাদান মিশিয়ে তামার সংকর ধাতুর শক্তি বাড়ানো যায়, তবে এতে পরিবাহিতা ও তাপীয় স্থিতিশীলতা উল্লেখযোগ্যভাবে কমে যায়।

একটি অত্যাধুনিক উৎপাদনপ্রক্রিয়ার মাধ্যমে গবেষক দল এই সীমাবদ্ধতা এড়িয়েছে। শিল্পে বড় পরিসরে প্রয়োগযোগ্য ইলেক্ট্রোডিপোজিশন পদ্ধতি ব্যবহার করে তারা মাত্র ১০ মাইক্রোমিটার পুরু (মানুষের চুলের পুরুত্বের প্রায় এক-সপ্তমাংশ) একটি তামার ফয়েল তৈরি করেছে, যাতে রয়েছে উচ্চ ঘনত্বের সুপার-ন্যানো ডোমেইন। এই ডোমেইনগুলোর আকার প্রায় তিন ন্যানোমিটার এবং সেগুলো উপাদানজুড়ে নির্দিষ্ট বিরতিতে গ্রেডিয়েন্ট বিন্যাসে ছড়ানো।

তামার এই ক্ষুদ্র ডোমেইনগুলো ধাতব কাঠামোর ভেতরে বসানো রিভেটের মতো কাজ করে। এগুলো তামার দানার চলাচলে বাধা দিয়ে শক্তি ও তাপীয় স্থিতিশীলতা বাড়ায়, পাশাপাশি বৈদ্যুতিক পরিবাহিতার জন্য জরুরি উচ্চ বিশুদ্ধতা বজায় রাখে। স্থিতিশীলতা ও শক্তিবর্ধনের এই দ্বৈত প্রক্রিয়ায় উপাদানটি বিশুদ্ধ তামার পরিবাহিতার প্রায় ৯০ শতাংশ ধরে রাখতে পারে এবং একই সঙ্গে প্রচলিত উপাদানের তুলনায় অনেক উন্নত যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য অর্জন করে।

তামার এই ক্ষুদ্র ডোমেইনগুলো তামার ভেতরে বসানো রিভেটের মতো কাজ করে। এগুলো তামার দানার চলাচলে বাধা দিয়ে শক্তি ও তাপীয় স্থিতিশীলতা বাড়ায়, পাশাপাশি তামার উচ্চ বিশুদ্ধতা বজায় রাখে।

শিল্পের মানদণ্ড বদলে দেওয়া কর্মক্ষমতার পরিমাপ

বর্তমান শিল্পে ব্যবহৃত উপাদানের সঙ্গে তুলনা করলে, নতুন এই তামার ফয়েলের পরিমাপযোগ্য উন্নতিগুলো উল্লেখযোগ্য। প্রচলিত তামার ফয়েলের টান-সহনশীলতা সাধারণত ৩০০ থেকে ৬০০ মেগাপ্যাসকেল (এমপিএ)। নতুন তৈরি সুপার কপার ফয়েলের টান-সহনশীলতা ৯০০ মেগাপ্যাসকেল পর্যন্ত, যা প্রচলিত বাণিজ্যিক পণ্যের প্রায় দ্বিগুণ এবং প্রচলিত তামার সংকর ধাতুর চেয়েও উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি।

বৈদ্যুতিক কর্মক্ষমতার দিক থেকে, উপাদানটি উচ্চ বিশুদ্ধতার তামার ৯০ শতাংশের সমান পরিবাহিতা ধরে রাখে। একই মাত্রার শক্তিসম্পন্ন প্রচলিত তামার সংকর ধাতুর সঙ্গে তুলনা করলে, নতুন ফয়েলের পরিবাহিতা প্রায় দুই থেকে তিন গুণ বেশি। পদার্থ প্রকৌশলে শক্তি ও পরিবাহিতার এমন সমন্বয় আগে অর্জন করা অসম্ভব বলে মনে করা হতো।

সম্ভবত সবচেয়ে উল্লেখযোগ্য বৈশিষ্ট্য হলো উপাদানটির অসাধারণ তাপীয় স্থিতিশীলতা। গঠনগত অস্থিতিশীলতার কারণে অনেক উচ্চ-শক্তিসম্পন্ন ন্যানো-কাঠামোর উপাদানের কর্মক্ষমতা দ্রুত কমে যায়। কিন্তু স্বাভাবিক পরিবেশে ছয় মাস সংরক্ষণের পরও এই তামার ফয়েলের কর্মক্ষমতায় কোনো অবনতি দেখা যায়নি। দীর্ঘ সময় ধরে নিরবচ্ছিন্ন কর্মক্ষমতা দরকার এমন ইলেকট্রনিক যন্ত্র ও শক্তি সঞ্চয়ব্যবস্থার জন্য এই স্থায়িত্ব অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

ইলেকট্রনিকস ও শক্তি সঞ্চয়ে রূপান্তরমূলক ব্যবহার

পদার্থবিজ্ঞানের এই উদ্ভাবনের বাস্তব প্রভাব বিস্তৃত হতে পারে উচ্চমূল্যের বিভিন্ন শিল্প খাতে। উন্নত ইলেকট্রনিকসের ক্ষেত্রে সমন্বিত সার্কিট ও চিপের সংযোগস্থলে তামার ফয়েল একটি গুরুত্বপূর্ণ উপাদান। নতুন এই উপাদানের বাড়তি শক্তি ও তাপীয় স্থিতিশীলতা আরও নিখুঁত স্মার্টফোন চিপ তৈরির সুযোগ দেয় এবং দীর্ঘক্ষণ ব্যবহারে অতিরিক্ত গরম হওয়া কমায়। এতে মোবাইল যন্ত্র ও কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তাভিত্তিক গণনাযন্ত্রের দীর্ঘদিনের সমস্যাগুলো মোকাবিলা করা সম্ভব হবে।

নবায়নযোগ্য জ্বালানি খাতে লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি তৈরিতে উপাদানটি বিশেষ সম্ভাবনা তৈরি করেছে। এসব ব্যাটারিতে তামার ফয়েল বিদ্যুৎ সংগ্রাহক হিসেবে কাজ করে। নতুন উপাদানের বৈশিষ্ট্য কাজে লাগিয়ে আরও পাতলা ও নিরাপদ ব্যাটারি তৈরি করা যেতে পারে, যেখানে উচ্চ কারেন্টে চার্জ দেওয়ার সময় শক্তির অপচয়ও কম হবে। বৈদ্যুতিক গাড়ি এবং গ্রিড-পর্যায়ের শক্তি সঞ্চয়ব্যবস্থার চলমান উন্নয়নে এ সক্ষমতা সহায়ক হবে, কারণ এসব ক্ষেত্রে দক্ষতা ও নিরাপত্তা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

উচ্চমানের তামার ফয়েল উৎপাদনে এই গবেষণা নতুন প্রযুক্তিগত পথ দেখায়, যা চীনের ইলেকট্রনিক তথ্যপ্রযুক্তি ও নবায়নযোগ্য জ্বালানি খাতে আরও স্বনির্ভরতা ও নিয়ন্ত্রণ প্রতিষ্ঠায় সহায়তা করবে। উন্নত শিল্প উৎপাদনের কৌশলগত অগ্রাধিকারের মধ্যে থাকা এসব খাতে বিশ্বমানের উপাদান দেশেই উৎপাদনের সক্ষমতা অর্থনৈতিক গুরুত্বের পাশাপাশি সরবরাহব্যবস্থার নিরাপত্তার জন্যও তাৎপর্যপূর্ণ।

শিল্পে উৎপাদন বাড়ানোর সক্ষমতা ও বাস্তবতা

গবেষণাগারের মধ্যে সীমাবদ্ধ থাকা অনেক উদ্ভাবনের বিপরীতে, তামার ফয়েলের এই প্রযুক্তি অবিলম্বে শিল্পে ব্যবহারের উপযোগিতা দেখিয়েছে। উৎপাদনপ্রক্রিয়ায় ইলেক্ট্রোডিপোজিশন ব্যবহার করা হয়, যা বাণিজ্যিক তামার ফয়েল তৈরিতে আগে থেকেই ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত। ফলে সম্পূর্ণ নতুন উৎপাদনকেন্দ্রের প্রয়োজন ছাড়াই বিদ্যমান উৎপাদন অবকাঠামোয় এই উদ্ভাবন যুক্ত করা সম্ভব।

ইলেক্ট্রোডিপোজিশন প্রক্রিয়ার সময় সামান্য পরিমাণ জৈব সংযোজক যোগ করে গ্রেডিয়েন্ট সুপার-ন্যানো ডোমেইন তৈরি করা হয়। এই পদ্ধতিতে প্রচলিত শিল্পপরিবেশে ধারাবাহিক উৎপাদন সম্ভব, যা গবেষণাগারের প্রদর্শন থেকে দ্রুত বৃহৎ পরিসরের উৎপাদনে যাওয়ার ইঙ্গিত দেয়। ফয়েলের ১০ মাইক্রোমিটার পুরুত্ব ইলেকট্রনিকস ও ব্যাটারি—উভয় ক্ষেত্রের বর্তমান শিল্পমানের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ। ফলে বাড়তি প্রক্রিয়াকরণ বা অভিযোজনের প্রয়োজন হয় না।

গবেষণাপত্রটির সম্পাদক মার্ক এস. ল্যাভিন লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারি ও সমন্বিত সার্কিটের ফয়েল তৈরিতে এর বিপুল সম্ভাবনার কথা উল্লেখ করেছেন। শিল্পপরিবেশে ধারাবাহিকভাবে উপাদানটি উৎপাদনের সক্ষমতা বাণিজ্যিকভাবে গ্রহণের ক্ষেত্রে গুরুত্বপূর্ণ সুবিধা দেবে। এতে গবেষণার আবিষ্কার থেকে বাজারজাত করার উপযোগী পণ্য তৈরি করতে সাধারণত যে সময় ও বিনিয়োগ লাগে, তা কমবে।

বৈশ্বিক সরবরাহব্যবস্থায় কৌশলগত গুরুত্ব

বিশ্বের প্রযুক্তি সরবরাহব্যবস্থার জন্য গুরুত্বপূর্ণ এক সময়ে এই উদ্ভাবন এসেছে, বিশেষ করে যখন বিভিন্ন দেশ সেমিকন্ডাক্টর ও পরিচ্ছন্ন জ্বালানি উৎপাদনে নিজস্ব সক্ষমতাকে অগ্রাধিকার দিচ্ছে। উন্নত ক্ষুদ্র ইলেকট্রনিকস এবং বৈদ্যুতিক গাড়ির ব্যাটারি—কৌশলগতভাবে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ দুটি শিল্পের মৌলিক কাঁচামাল হলো তামার ফয়েল। আন্তর্জাতিকভাবে অগ্রণী তামার ফয়েল প্রযুক্তির উন্নয়ন সরবরাহব্যবস্থায় চীনের অবস্থানকে শক্তিশালী করবে এবং উচ্চক্ষমতাসম্পন্ন উপাদান আমদানির ওপর নির্ভরতা কমাবে।

গবেষক দল জানিয়েছে, এই প্রযুক্তি শুধু উচ্চক্ষমতাসম্পন্ন তামার ফয়েলের নকশায় নতুন পদ্ধতিই দিচ্ছে না, বরং পরবর্তী প্রজন্মের উপাদান তৈরিতে ন্যানো-স্কেলের অণুগঠন প্রকৌশলের বৃহত্তর সম্ভাবনাও তুলে ধরছে। শক্তি ও কার্যকরী বৈশিষ্ট্যের মধ্যে একই ধরনের আপসের বাধায় থাকা অন্য ধাতব ব্যবস্থাতেও এই পদ্ধতি প্রয়োগ করা যেতে পারে।

এই উদ্ভাবন প্রযুক্তিগত স্বনির্ভরতা ও উচ্চমানের উৎপাদন সক্ষমতা বাড়ানোর বৃহত্তর জাতীয় লক্ষ্যের সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ। কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তার হার্ডওয়্যার ও নবায়নযোগ্য জ্বালানি ব্যবস্থায় পণ্যের উন্নয়ন আটকে রাখা পদার্থবিজ্ঞানের একটি মৌলিক চ্যালেঞ্জের সমাধানের মাধ্যমে, দ্রুত বিশ্বব্যাপী প্রবৃদ্ধি দেখা যাচ্ছে এমন খাতগুলোতে চীনা শিল্প প্রতিযোগিতামূলক সুবিধা পাবে।

যা জানা জরুরি

• ইনস্টিটিউট অব মেটাল রিসার্চের লু লেইয়ের নেতৃত্বে চীনা গবেষকেরা শক্তি, পরিবাহিতা ও তাপীয় স্থিতিশীলতার ‘অসম্ভব ত্রিভুজ’ সমস্যার সমাধান করে যুগান্তকারী তামার ফয়েল তৈরি করেছেন।
• ১০ মাইক্রোমিটার পুরু উপাদানটিতে রয়েছে গ্রেডিয়েন্ট ন্যানো-ডোমেইন স্থাপত্য; এর ৩ ন্যানোমিটার আকারের সুপার-ন্যানো ডোমেইনগুলো অভ্যন্তরীণ রিভেটের মতো কাজ করে, বৈদ্যুতিক কর্মক্ষমতা অক্ষুণ্ন রেখেই যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য বাড়ায়।
• এর কর্মক্ষমতার মধ্যে রয়েছে ৯০০ মেগাপ্যাসকেল টান-সহনশীলতা (প্রচলিত ফয়েলের দ্বিগুণ), বিশুদ্ধ তামার ৯০ শতাংশ পরিবাহিতা (তুলনীয় সংকর ধাতুর তিন গুণ) এবং ছয় মাস পরও কোনো অবনতি না হওয়া।
• জৈব সংযোজক ব্যবহার করে শিল্পে বড় পরিসরে প্রয়োগযোগ্য ইলেক্ট্রোডিপোজিশন পদ্ধতিতে এটি তৈরি করা হয়। ফলে সমন্বিত সার্কিট ও লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির জন্য অবিলম্বে বাণিজ্যিক উৎপাদন সম্ভব।
• এর ব্যবহারক্ষেত্রের মধ্যে রয়েছে উন্নত স্মার্টফোন চিপ, কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তাভিত্তিক গণনাযন্ত্র এবং আরও নিরাপদ, কম উত্তপ্ত হওয়া ও দক্ষতার সঙ্গে চার্জ হয় এমন বৈদ্যুতিক গাড়ির ব্যাটারি।
• এই উদ্ভাবন সেমিকন্ডাক্টর ও পরিচ্ছন্ন জ্বালানি উৎপাদনের মতো কৌশলগত খাতে চীনের সক্ষমতা বাড়ায় এবং ন্যানো-স্কেলের উপাদান প্রকৌশলের নতুন পথ দেখায়।