आधुनिक युगातील भारतीय "फॅरेडे" : डॉ.कौस्तव बॅनर्जी

पूर्वप्रसिद्धी : लोकसत्ता : ४ मार्च २०१८ : https://www.loksatta.com/vishesh-news/what-is-nanotechnology-1639796/

आधुनिक युगातील भारतीय "फॅरेडे" : डॉ.कौस्तव बॅनर्जी आजचे जग तंत्रयुग म्हणून ओळखले जाते. मोबाईल फोन , लॅपटॉप, रेडियो, टेलीव्हिजन, कार इत्यादी वस्तू ज्या काही वर्षांपूर्वी श्रीमंती समजल्या जायच्या त्या आज सहज मध्यमवर्गीय आणि काही प्रमाणात निम्न मध्यमवर्गीय घरांमध्ये सर्रास दिसतात . दिवसेंदिवस तंत्रज्ञानात प्रगती होतेय पण आश्चर्याची गोष्ट म्हणजे या सर्व आधुनिक तंत्रज्ञानाचे मूलभूत घटक असलेले विद्युत प्रवर्तक ( Inductor )  मात्र अजूनही दीडशेहून जास्त जुन्या काळातील तत्वावर चालतात ! विख्यात ब्रिटिश शास्त्रज्ञ मायकेल फॅरेडे यांनी १८३१ साली केलेल्या संशोधनावरून आजही विद्युत प्रवर्तक  तयार केले होते.आपण शाळेत असताना विज्ञानातील विद्युतशास्त्रात जे ‘फॅरेडेचे नियम’ शिकलो तोच हा  विश्वविख्यात भौतिक शास्त्रज्ञ मायकेल फॅरेडे प्रथम आपण विद्युत प्रवर्तक  म्हणजे काय ते समजून घेऊ . हा व्होल्टेज दिल्यावर ( विद्युत प्रवाह सोडल्यावर ) गोलाकार कॉईलमध्ये चुंबकीय क्षेत्र तयार करतो .AC प्रवाह  जोडणी ( सर्किट )मध्ये आला तर विद्युतप्रवर्तक हा AC प्रवाह ब्रेक करतो व DC प्रवाह बाहेर सोडतो . ‘यांत्रिकी ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर होते.’ या तत्त्वावर आधारलेली  पहिली ‘इंडक्शनमोटर’ ( विद्युत प्रवर्तक मोटर ) तयार केली फॅरेडे ने . परिणामी कालांतराने या उपकरणाचा वापर करून पंखा, शिवणयंत्र, चारचाकी, आगगाडी, विमान ही प्रगत साधने तयार केली.परंतु हे सर्व विद्युत प्रवर्तक धातूचे बनलेले असून एका मर्यादेपलीकडे त्यांचा आकार कमी करणे आज पर्यंत शक्य झाले नव्हते.त्यांच्या या मर्यादेमुळे सध्याच्या "कनेक्टेड" युगात "इंटरनेट ऑफ थिंग्स"  ( म्हणजे जगभरातील छोट्या छोट्या वस्तूंमधून निर्माण होणारे सिग्नल्स गोळा करून त्यावर डेटा अनालिटिक्स करण्यासाठी ) चा जास्तीत जास्त वापर छोट्या छोट्या वस्तूंमध्ये करण्यास मर्यादा होत्या  . हा मूलभूत प्रश्न सुटला तर इंटरनेट ऑफ थिंग्स द्वारे २०२० सालापर्यंत जगभरातील ५० अब्ज वस्तू एकमेकांशी जोडल्या जातील आणि मानवाला जीवन सुखकर बनविण्याच्या नवीन शक्यता उपलब्ध होतील सर्व विद्युत प्रवर्तक चुंबकीय आणि गतिमान उपयोजन ( Magnetic and Kinetic Inductance )  उत्पन्न करतात परंतु सामान्य धातूच्या कंडक्टरमध्ये, गतिमान  उपयोजन नगण्य स्वरूपात असते . गतिमान उपयोजनाचे महत्व असे की त्याचे कार्य विद्युत प्रवर्तकाच्या क्षेत्रफळावर अवलंबून नसते. गतिमान उपयोजन विद्युत प्रवाहातील अनियमितता मर्यादित करते त्यामुळे इलेक्ट्रॉन्स ची गती नियमित रहाते आणि इलेक्ट्रॉन्स सुद्धा न्यूटनच्या जडत्वाच्या नियमानुसार बदलाला विरोध करतात . उलट सध्याच्या धातूच्या विद्युत प्रवर्तकांमध्ये वापरले जाणारे चुंबकीय उपयोजन असते ! चुंबकीय उपयोजनासाठी किमान क्षेत्रफळाची आवश्यकता असते .त्यामुळे आपल्याला माहीतच आहे की " मूर्स लॉ "  नुसार सर्किट बोर्डावरील ट्रांसिस्टर चिप्स दिवसेंदिवस छोट्या होत गेल्या पण विद्युत प्रवर्तकांचा आकार लहान करण्यास चुंबकीय क्षेत्राच्या किमान क्षेत्रफळाच्या गरजेमुळे मर्यादा आल्या . त्यामुळे तांब्याची तार गुंडाळलेला धातूचा विद्युत प्रवर्तक ,इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या अजून लहान आकाराची होण्यात प्रमुख अडथळा होता भौतिकशास्त्राला हे बरीच वर्ष माहित आहे परंतु याचा उपयोग फारसा कोणी आजवर करू शकले नाही .परंतु भारतीयांसाठी एक अभिमानाची गोष्ट अशी की नुकताच या क्षेत्रातील एक क्रांतिकारी शोध एका मूळच्या भारतीय ( आणि पक्क्या मुंबईकर ) पण सध्या अमेरिकेत स्थायिक असलेल्या एका तरुण प्राध्यापकाने लावलाय ! सांता बार्बरा -कॅलिफोर्निया ( UCSB ) येथील विद्यापीठातील इलेक्ट्रिकल व कॉम्प्युटर इंजिनिअरिंग विभागाचे प्राध्यापक डॉ .कौस्तव बॅनर्जी आणि त्यांच्या टीमने आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्सच्या या मूलभूत घटकांची पुनर्रचना करण्याची सूक्ष्मातीत सामग्री-आधारित ( Nanomaterials Based ) पध्दत अवलंबली आहे. नेचर इलॅक्ट्रॉनिक जर्नलमध्ये नुकताच हा शोध प्रसिद्ध झाला आणि सम्पूर्ण जगाने याची दखल घेतली आहे डॉ .बॅनर्जी आणि त्यांच्या यूसीएसबी टीमचे सदस्य जियाहाओ कांग ,जुंकाय ज्यांग ,शुजून शे ,जे वान चू ,वे लियू   यांनी आपल्या नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स  संशोधन प्रयोगशाळेत हा शोध लावला . त्यांनी जपानमधील ल शिबाऊरा  इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी आणि चीनमधील शांघाय जिओ टॉंग युनिव्हर्सिटी बरोबर काम केले होते. धातूच्या विद्युत प्रवर्तकांमध्ये जर गतिमान उपयोजन नगण्य असेल आणि आपल्याला जर याचाच उपयोग जास्त करून विद्युत प्रवर्तकाचा आकार छोटा करायचा असेल तर आपण धातूला दुसऱ्या घटकाचा पर्याय का शोधू नये या प्रश्नाभोवती त्याचे संशोधन सुरु होते डॉ. बॅनर्जी हे आपले मुंबईकर . सेंट.झेवियर्स महाविद्यालयातून त्यांचे पदवी पर्यंत शिक्षण झाले .नव्वद च्या दशकात उच्च शिक्षणासाठी ते अमेरिकेत गेले आणि १९९९ साली इलेक्ट्रिकल इंजिनिअरिंग(भौतिकशास्त्र आणि सामग्री विज्ञानमधील उपविषया सकट ) मध्ये  युनिव्हर्सिटी ऑफ कॅलिफोर्निया ,बर्कली येथून पी.एच डी प्राप्त केली.आज जगभरात ते   नॅनोइलेक्ट्रोनिक्सच्या अग्रगण्य संशोधकांपैकी एक गणले जातात . सध्या ते इलेक्ट्रिकल व संगणक अभियांत्रिकीचे प्राध्यापक आहेत आणि यूसी सांता बारबरा येथे नैनोइलेक्ट्रोनिक्स रिसर्च लॅबचे संचालक आहेत. त्याचे सध्याचे संशोधन पुढील पिढीतीलग्रीन  इलेक्ट्रॉनिक्स, फोटोनिक्स, आणि बायोइलेक्ट्रोनिक्ससाठी ग्राफिन आणि इतर 2 डी सामग्री यासारख्या भौतिकशास्त्र, तंत्रज्ञान आणि कमी-आयामी सूक्ष्मातीत द्रव्यांच्या उपकरणावर केंद्रित आहे प्रोफेसर बॅनर्जी यांनी नॅनोमोटेरियल्स आणि कमी-आयामी भौतिकीपासून ते इलेक्ट्रॉनिक  उपकरणे , सर्किट्स, आणि चिप-डिटेक्शन पद्धती आणि आर्किटेक्चर्सपर्यंत वेगवेगळ्या विषयांचा अभ्यास करून विविध पर्यायांचा अभ्यास करून ऊर्जा-कार्यक्षम इलेक्ट्रॉनिक्सच्या सीमेपर्यंत विस्तार करण्यास महत्त्वपूर्ण योगदान दिले आहे. त्याच्या कल्पना आणि आविष्काराने उल्लेखनीय सामाजिक आणि आर्थिक परिणामांसह जगभरातील शोध आणि विकास प्रयत्नांना चालना देण्यासाठी एक निर्णायक भूमिका बजावली आहे. 2015 मध्ये, इन्स्टिट्यूट ऑफ इलेक्ट्रिकल आणि इलेक्ट्रॉनिक्स इंजिनीअर (IEEE ) यांनी त्यांना "त्रि -मितीय  (3D) आयसी तंत्रज्ञानाच्या मागे प्रमुख दृष्टिकोनांपैकी एक म्हणून म्हटले आहे ज्याने मूरच्या नियमांपासून सतत स्केलिंग आणि एकात्मतेसाठी अर्धसंवाहक उद्योगाद्वारे काम केले आहे, तसेच आयसी डिझाइन उद्योगात वापरल्या जाणाऱ्या थर्मल-जागृत डिझाईन पद्धती आणि साधनांच्या मागे अग्रगण्य आणि तांत्रिक क्षेत्र पुरस्कार - द कियो तोमियासु पुरस्कार, या संस्थेच्या सर्वोच्च सन्मानांपैकी एक म्हणून त्यांचे योगदान ओळखले जात प्राध्यापक  बॅनर्जी यांच्या रिसर्च ग्रुपने सूक्ष्मातीत ट्रांसिस्टर्स , इंटरकनेक्ट्स आणि सेन्सर्समध्ये वीज अपव्यय आणि इतर मूलभूत आव्हानांवर मात करण्यासाठी नॅनोमोटेरियल्सचा उपयोग केला आहे. यात जगातील सर्वात उंचावरील चॅनल टनेलिंग ट्रान्झिस्टरचा प्रात्यक्षिक समाविष्ट आहे जो कि 0.1V वर स्विच करतो, ज्यामुळे ऊर्जा वापरामध्ये  होते 90% पेक्षा कमी घट झाली .हेही संशोधन नेचर मासिकात २०१५ साली प्रसिद्ध झाले होते प्राध्यापक बॅनर्जी यांचे संशोधन व्यावसायिक जर्नल्समध्ये सुमारे 300 पेपरमध्ये नोंदवले गेले आहे, जसे की नेचर, नेचर इलेक्ट्रॉनिक्स ,  नेचर मटेरिअल्स , नेचर नॅनोटेक्नॉलॉजी, नॅनो लेटर्स, एसीएस नॅनो, फिजिकल रिव्ह्यू एक्स आणि आयईईईच्या प्रोसिडिंग्स सारख्या अनेक उच्च-प्रभाव पत्रके; तसेच आयईडीएम ( IEDM ) , आयएसएससीसी ( ISSCC ) , व्हीएलएसआय सिम्प्झोअम, डीएसी (DAC ) , आयसीसीएडी ( ICCAD ) आणि आयआरपीएस ( IRPS ).  प्रोफेसर बॅनर्जी 2008 पासून आईईईई इलेक्ट्रॉन डिव्हायसेस सोसायटीचे एक डिस्टिंग्विश्ड लेक्चरर आहेत. त्यांनी 200 हुन अधिक आंतरराष्ट्रीय  व्याख्याने , परीसंवाद , ट्यूटोरियल्स दिली असून आणि जगभरातील असंख्य आंतरराष्ट्रीय परिषदान मध्ये सहभाग घेतला आहे . प्रोफेसर बॅनर्जी यांचे लेखन आणि संशोधन   नेचर न्यूज अँड व्ह्यूज, नेचर नॅनोटेक्नॉलॉजी रिसर्च हाइलाइटस, फिझिक्स टुडे, आयईई स्पेक्ट्रम, ईई टाइम्स, सायन्स डेली, आर ऍण्ड डी मॅगझिन, फिजिक्स वर्ल्ड, नॅशनल रेडियो, एनएसएफ,एनएई, जपानचे एनईडीओ आणि द इकॉनॉमिस्ट अश्या  असंख्य वैज्ञानिक आणि लोकप्रिय न्यूज मीडियामध्ये प्रसिद्द झालेले आहे . प्रोफेसर बॅनर्जी आयईइई ( IEEE ), द अमेरिकन फिजिकल सोसायटी ( APS ) आणि अमेरिकन असोसिएशन फॉर द अॅडव्हान्समेंट ऑफ सायन्स ( AAAS ) चे महत्वाचे  सदस्य ( Fellow ) आहेत. त्याच्या कल्पना आणि नवकल्पनांना प्रतिष्ठेच्या बेसेल पुरस्कारांसह 2011 मध्ये हंबोल्ट फाऊंडेशन, जर्मनी, नैनोइलेक्ट्रोनिक्सच्या उत्कृष्ट योगदानाबद्दल  2013 मध्ये विज्ञान, 2D साहित्य आणि साधनांवरील त्याच्या संशोधनासाठी जपान सोसायटी ऑफ द प्रमोशन ऑफ सायन्स ( JSPS ) यांच्या तर्फे  फेलोशिप दिली गेली . डॉ.बॅनर्जी यांच्या टीम ने एक नवीन प्रकारचा सर्पिल विद्युत प्रवर्तक तयार केला आहे ज्यामध्ये ग्राफिन  च्या एकाधिक स्तरांचा समावेश आहे. एकल स्तरीय ( सिंगल-लेयर) ग्राफिन एक रेखीय इलेक्ट्रॉनिक बँडसंरचना आणि एक तुलनेने अधिक  मोठे गति विश्रांती वेळ दर्शवितो जी पारंपरिक धातूच्या (जसे की पारंपरिक ऑन-चिप विद्युत प्रवर्तका मध्ये वापरले जाणारे तांबे ) ही वेळ   1 / 1000 ते 1/100 पिको सेकंद असू शकते ( एक पिकोसेकंद = एक सेकंड भागिले  १० वर १२ शून्य )  पण एकल स्तरीय ग्राफिन मध्ये खूपच विद्युत प्रतिकार ( Resistance ) असल्याने त्याचा विद्युत प्रवर्तकासाठी उपयोग करता येत नाही    तथापि, हा  प्रश्न काही अंशी  बहुस्तरीय ग्राफिन वापरून सोडवता येतो  परंतु आंतरस्तरीय जोडांमुळे त्याचा गति विश्रांती वेळ अपुरा पडू शकते. डॉ.बॅनर्जी आणि टीम ने हा प्रश्न सुद्धा एक आव्हान म्हणून स्वीकारला आणि भौतिकशास्त्राला रसायन शास्त्राची जोड दिली ! संशोधकांनी ग्राफिन च्या स्तरांच्या मध्ये  ब्रोमीन अणूंचा समावेश केला. या प्रक्रियेला अंतर्वेशन (Intercalation )असे म्हणतात. या प्रक्रियेत बहुस्तरीय ग्राफिन चा केवळ प्रतिकारच कमी होतो असे नाही तर ग्राफीन च्या एकल स्तरीय गुणधर्माप्रमाणे आवश्यक तो गती विश्रांती वेळ साधता येतो अश्या शोधावर आधारित हा क्रांतिकारक विद्युत प्रवर्तक एक तृतीयांश जागेत ,10-50 Ghz च्या श्रेणीत  काम करतो, पारंपारिक धातूच्या प्रवर्तकापेक्षा एक तृतीयांश जागेत मावतो तरीही दीड पट उपयोजन देतो ! हा नवीन प्रवर्तक अतिशय उच्च कार्यक्षमता प्रदान करतो .हा शोध लागण्यापूर्वी  उच्च प्रवर्तन ( Induction ) आणि कमी आकार हे एक चटकन जुळणारे संयोजन होते.ही तर फक्त सुरुवात असूनअंतर्वेशन प्रक्रियेची कार्यक्षमता वाढवून ग्राफिन ची घनता वाढविण्यासाठी आणि प्रवर्तकाचा आकार अजून कमी करण्यासाठी  भरपूर जागा उपलब्ध आहेत असा विश्वास संशोधकांना वाटतो त्यामुळे आधुनिक युगाचा फॅरेडे म्हणून जग डॉ.कौस्तव बॅनर्जी यांना ओळखू तर लागेलच पण अजून  काही वर्षांनी जेव्हा हे संशोधन प्रत्यक्ष वापरण्यात येईल तेव्हा अजून लहान  झालेला मोबाईल आणि लॅपटॉपवापरताना त्यामध्ये आपल्या भारतीय संशोधकाचे प्रयत्न कारणीभूत आहेत या विचाराने प्रत्येक भारतीयाची  मान ताठ होणार हे नक्की ! -चिन्मय गवाणकर

           chinmaygavankar@gmail.com