सध्या अमेरिकेत स्थायिक असलेले सांता बार्बरा कॅलिफोर्निया विद्यापीठातील इलेक्ट्रिकल व कॉम्प्युटर इंजिनीअरिंग विभागाचे प्राध्यापक डॉ. कौस्तव बॅनर्जी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी अब्जांश तंत्रज्ञानाच्या (नॅनो तंत्रज्ञान) माध्यमातून विद्युत प्रवर्तकाचा आकार अधिक छोटा करतानाच मोठे परिणाम साध्य केले. या क्रांतिकारी शोधामुळे कालांतराने मोबाइल व इलेक्ट्रॉनिक साधने आणखी आटोपशीर आकारात बनवणे शक्य होणार आहे. त्यांच्या संशोधनाचा हा परिचय… आजचे जग तंत्रयुग म्हणून ओळखले जाते. मोबाइल फोन, लॅपटॉप, रेडिओ, टेलिव्हिजन, 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 (इंडक्टर) मात्र अजूनही दीडशेहून जास्त जुन्या काळातील तत्त्वावर 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 दिसल्यावर (विद्युतप्रवाह सोडल्यावर) गोलाकार कॉइलमध्ये चुंबकीय क्षेत्र तयार करतो. एसी प्रवाहजोडणी (सर्किट)मध्ये आला तर विद्युत प्रवर्तक हा एसी प्रवाह ब्रेक करतो व डीसी प्रवाह बाहेर सोडतो. यांत्रिकी ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर होते. या तत्त्वावर आधारलेली पहिली इंडक्शन मोटर (विद्युत प्रवर्तक मोटार) तयार केली फॅरेडेने. 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 आजपर्यंत शक्य झाले नव्हते. त्यांच्या या मर्यादेमुळे सध्याच्या कनेक्टेड युगात इंटरनेट ऑफ थिंग्ज (म्हणजे जगभरातील छोटय़ा छोटय़ा वस्तूंमधून निर्माण होणारे सिग्नल्स गोळा करून त्यावर डेटा अ‍ॅनालिटिक्स करण्यासाठी)चा जास्तीत जास्त वापर छोटय़ा छोटय़ा वस्तूंमध्ये करण्यास मर्यादा होत्या. हा मूलभूत प्रश्न सुटला तर इंटरनेट ऑफ थिंग्जद्वारे २०२० सालापर्यंत जगभरातील ५० अब्ज वस्तू एकमेकांशी जोडल्या जातील आणि मानवाला सुखकर बनविण्याच्या नवीन शक्यता निर्माण होतील. सर्व विद्युत प्रवर्तक चुंबकीय आणि गतिमान उपयोजन (मॅग्नेटिक अ‍ॅण्ड कायनेटिक इंडक्टन्स) उत्पन्न करतात; परंतु सामान्य धातूच्या इंडक्टरमध्ये गतिमान उपयोजन नगण्य स्वरूपात असते. गतिमान उपयोजनाचे महत्त्व असे की, त्याचे कार्य विद्युत प्रवर्तकाच्या क्षेत्रफळावर अवलंबून नसते. गतिमान उपयोजन विद्युतप्रवाहातील अनियमितता मर्यादित करते, त्यामुळे इलेक्ट्रॉन्सची गती नियमित राहते आणि इलेक्ट्रॉन्ससुद्धा न्यूटनच्या जडत्वाच्या नियमानुसार बदलाला विरोध करतात. उलट सध्याच्या धातूच्या विद्युत प्रवर्तकांमध्ये वापरले जाणारे चुंबकीय उपयोजन असते! चुंबकीय उपयोजनासाठी किमान क्षेत्रफळाची आवश्यकता असते. त्यामुळे आपल्याला माहितीच आहे की, ‘मूर्स लॉ’नुसार सर्किट बोर्डावरील ट्रान्सिस्टर चिप्स दिवसेंदिवस छोटय़ा 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 आकाराचा होण्यात प्रमुख अडथळा होता. भौतिकशास्त्राला हे बरीच वर्षे माहिती 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 (यूसीएसबी) येथील विद्यापीठातील इलेक्ट्रिकल व कॉम्प्युटर इंजिनीअरिंग विभागाचे प्राध्यापक डॉ. कौस्तव बॅनर्जी आणि त्यांच्या टीमने आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्सच्या या मूलभूत घटकांची पुनर्रचना करण्याची सूक्ष्मातीत सामग्री आधारित (नॅनोमटेरिअल्स बेस्ड) पद्धत अवलंबली आहे. ‘नेचर इलेक्ट्रॉनिक जर्नल’मध्ये नुकताच हा शोध प्रसिद्ध झाला आणि संपूर्ण 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 नॅनो इलेक्ट्रॉनिक्स संशोधन प्रयोगशाळेत हा शोध लावला. त्यांनी जपानमधील शिबाऊरा इन्स्टिटय़ूट ऑफ टेक्नॉलॉजी आणि चीनमधील शांघाय जिओ टाँग युनिव्हर्सिटीबरोबर 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 सुरू होते. डॉ. बॅनर्जी हे आपले मुंबईकर. सेंट झेवियर्स महाविद्यालयातून त्यांचे पदवीपर्यंतचे शिक्षण झाले. नव्वदच्या दशकात उच्चशिक्षणासाठी ते अमेरिकेत गेले आणि १९९९ साली इलेक्ट्रिकल इंजिनीअरिंग (भौतिकशास्त्र आणि सामग्री विज्ञानमधील उपविषयासकट)मध्ये युनिव्हर्सिटी ऑफ कॅलिफोर्निया, बर्कली येथून पीएच.डी. प्राप्त केली. आज जगभरात ते नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या अग्रगण्य संशोधकांपैकी एक गणले जातात. सध्या ते इलेक्ट्रिकल व संगणक अभियांत्रिकीचे प्राध्यापक आहेत आणि यूसी सांता बार्बरा येथे नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स रिसर्च लॅबचे संचालक आहेत. त्यांचे सध्याचे संशोधन पुढील पिढीतील ग्रीन इलेक्ट्रॉनिक्स, फोटोनिक्स आणि बायोइलेक्ट्रॉनिक्ससाठी ग्राफिन आणि इतर २-डी सामग्री यांसारख्या भौतिकशास्त्र, तंत्रज्ञान आणि कमी-आयामी सूक्ष्मातीत द्रव्यांच्या उपकरणांवर केंद्रित आहे. प्रोफेसर बॅनर्जी यांनी नॅनोमटेरिअल्स 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 व आविष्काराने उल्लेखनीय सामाजिक आणि आर्थिक परिणामांसह जगभरातील शोध आणि विकास प्रयत्नांना चालना देण्यासाठी एक निर्णायक भूमिका बजावली आहे. २०१५ मध्ये इन्स्टिटय़ूट ऑफ इलेक्ट्रिकल आणि इलेक्ट्रॉनिक्स इंजिनीअर (आयईईई) यांनी त्यांना ‘त्रि-मितीय’ (३-डी) 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 डिझाइन पद्धती आणि साधनांच्या मागे अग्रगण्य आणि तांत्रिक क्षेत्र पुरस्कार- द कियो तोमियासू पुरस्कार, या संस्थेच्या सर्वोच्च सन्मानांपैकी एक म्हणून त्यांचे योगदान ओळखले जाते. प्रा. बॅनर्जी यांच्या रिसर्च ग्रुपने सूक्ष्मातीत ट्रान्झिस्टर्स, इंटरकनेक्ट्स आणि सेन्सर्समध्ये वीज अपव्यय आणि इतर मूलभूत आव्हानांवर मात करण्यासाठी नॅनोमटेरिअल्सचा वापर केला आहे. यात जगातील सर्वात उंचावरील चॅनेल टनेलिंग ट्रान्झिस्टरचा प्रात्यक्षिक समाविष्ट आहे जो की ‘०.१व्ही’वर स्विच करतो, ज्यामुळे ऊर्जा वापरामध्ये होते ९० टक्क्यांपेक्षा कमी घट झाली. हेही संशोधन ‘नेचर’ मासिकात २०१५ साली प्रसिद्ध झाले होते. प्रा. बॅनर्जी यांचे संशोधन व्यावसायिक जर्नल्समध्ये सुमारे ३०० पेपरमध्ये नोंदवले गेले आहे, जसे की नेचर, नेचर इलेक्ट्रॉनिक्स, नेचर मटेरिअल्स, नेचर नॅनोटेक्नॉलॉजी, नॅनो लेटर्स, एसीएस नॅनो, फिजिकल रिव्ह्य़ू एक्स आणि आयईईईच्या प्रोसिडिंग्जसारख्या अनेक उच्च प्रभाव पत्रके, तसेच आयईडीएम, आयएसएससीसी, व्हीएलएसआय सिम्प्झोअम, डीएसी, आयसीसीएडी आणि आयआरपीएस. प्रोफेसर बॅनर्जी २००८ पासून आयईईईई इलेक्ट्रॉन डिव्हायसेस सोसायटीचे एक डिस्टिंग्विश्ड लेक्चरर आहेत. त्यांनी २०० हून अधिक आंतरराष्ट्रीय व्याख्याने, परिसंवाद, टय़ूटोरियल्स दिली असून, जगभरातील असंख्य आंतरराष्ट्रीय परिषदांमध्ये सहभाग घेतला आहे. प्रोफेसर बॅनर्जी यांचे लेखन आणि संशोधन नेचर न्यूज अ‍ॅण्ड व्ह्य़ूज, नेचर नॅनोटेक्नॉलॉजी रिसर्च हायलाइट्स, फिझिक्स टुडे, आयईई स्पेक्ट्रम, ईई टाइम्स, सायन्स डेली, आर अ‍ॅण्ड डी मॅगझिन, फिजिक्स वर्ल्ड, नॅशनल रेडिओ, एनएसएफ, एनएई, जपानचे एनईडीओ आणि द इकॉनॉमिस्ट अशा असंख्य वैज्ञानिक आणि लोकप्रिय न्यूज मीडियामध्ये प्रसिद्ध झालेले आहे. प्रोफेसर बॅनर्जी आयईईई, द अमेरिकन फिजिकल सोसायटी (एपीएस) आणि अमेरिकन असोसिएशन फॉर द अ‍ॅडव्हान्समेंट ऑफ सायन्स (एएएएस)चे महत्त्वाचे सदस्य (फेलो) आहेत. त्यांच्या कल्पना आणि नवकल्पनांना प्रतिष्ठेच्या बेसेल पुरस्कारांसह २०११ मध्ये हम्बोल्ट फाऊंडेशन, जर्मनी, नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या उत्कृष्ट योगदानाबद्दल २०१३ मध्ये विज्ञान, २-डी साहित्य आणि साधनांवरील त्यांच्या संशोधनासाठी जपान सोसायटी ऑफ द प्रमोशन ऑफ सायन्स (जेएसपीएस) यांच्यातर्फे फेलोशिप दिली गेली. डॉ. बॅनर्जी यांच्या टीमने एक नवीन प्रकारचा सर्पिल विद्युत प्रवर्तक तयार केला आहे, ज्यामध्ये ग्राफिनच्या एकाधिक स्तरांचा समावेश आहे. एकल स्तरीय (सिंगल लेयर) ग्राफिन एकरेखीय इलेक्ट्रॉनिक बॅण्ड संरचना आणि एक तुलनेने अधिक मोठे गती विश्रांती वेळ दर्शवतो जी पारंपरिक धातूच्या (जसे की पारंपरिक ऑन-चिप विद्युत प्रवर्तकामध्ये वापरले जाणारे तांबे) ही वेळ १/१००० ते १/१०० पिको सेकंद असू शकते (एक पिको सेकंद = एक सेकंद भागिले १० वर १२ शून्य). पण एकल स्तरीय ग्राफिनमध्ये खूपच विद्युत प्रतिकार (रेसिस्टन्स) असल्याने त्याचा विद्युत प्रवर्तकासाठी उपयोग करता येत नाही. तथापि, हा प्रश्न काही अंशी बहुस्तरीय ग्राफिन वापरून सोडवता येतो, परंतु आंतरराष्ट्रीय जोडांमुळे त्याचा गती विश्रांती वेळ अपुरा पडू शकतो. डॉ. बॅनर्जी आणि टीमने हा प्रश्नसुद्धा एक आव्हान म्हणून स्वीकारला आणि भौतिकशास्त्राला रसायनशास्त्राची जोड दिली. संशोधकांनी ग्राफिनच्या स्तरांच्या मध्ये ब्रोमिन अणूंचा समावेश केला. या प्रक्रियेला अंतर्वेशन (इंटरकॅलेशन) असे म्हणतात. या प्रक्रियेत बहुस्तरीय ग्राफिनचा केवळ प्रतिकारच कमी होतो असे नाही तर ग्राफिनच्या एकल स्तरीय गुणधर्माप्रमाणे आवश्यक तो गती विश्रांती वेळ साधता येतो. अशा शोधावर आधारित हा क्रांतिकारक विद्युत प्रवर्तक एकतृतीयांश जागेत, १०-५० गिगाहर्ट्झच्या श्रेणीत काम करतो. पारंपरिक धातूच्या प्रवर्तकापेक्षा एकतृतीयांश जागेत मावतो तरीही दीडपट उपयोजन देतो! हा नवीन प्रवर्तक अतिशय उच्च कार्यक्षमता प्रदान करतो. हा शोध लागण्यापूर्वी उच्च प्रवर्तन (इंडक्शन) आणि कमी आकार हे एक चटकन जुळणारे संयोजन होते. ही तर फक्त सुरुवात असून अंतर्वेशन प्रक्रियेची कार्यक्षमता वाढवून ग्राफिनची 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 मोबाइल आणि लॅपटॉप वापरताना त्यामध्ये आपल्याला भारतीय संशोधकाचे प्रयत्न कारणीभूत आहेत या विचाराने प्रत्येक भारतीयाची मान ताठ होणार, हे नक्की. बॅनर्जी आणि त्यांची टीम (प्रमुख लेखक जिआहो कांग, जुन्काई जिआंग, शिजुन शी, जी वान चू आणि वीलू, हे सगळेच बॅनर्जी यांच्या नॅनोइलेक्ट्रॉनिक्स संशोधन प्रयोगशाळेत काम करतात.) यांनी विद्युत प्रवर्तकावरील संशोधनासाठी जपानमधील शिबौरा तंत्रज्ञान संस्था आणि चीनमधील शांघाय जीओ ताँग विद्यापीठातील सहकाऱ्यांची मदत घेतली. या संशोधकांनी गतिमान विद्युत प्रवर्तकत्वाच्या कार्यकौशल्याचा वापर पूर्णत: वेगळ्या स्वरूपाचा विद्युत प्रवर्तक बनवण्यासाठी केला. आतापर्यंत सर्व विद्युत प्रवर्तक चुंबकीय विद्युत प्रवर्तकत्वाच्या मूलभूत तत्त्वावर बनवले जात होते. चुंबकीय प्रवाहातील चढउताराला आळा घालणे हे त्यामागचे मूळ सूत्र. विद्युत प्रवर्तकातून वाहणाऱ्या विद्युतप्रवाहातातील बदलामुळे होणारे चुंबकीय चढउतार रोखावे लागतात. विद्युतप्रवाहातील चढउताराचा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या क्षमतेवर विपरीत परिणाम होत असतो. हे टाळण्यासाठी पुरेसे चुंबकीय विद्युत प्रवर्तकत्व निर्माण करावे लागते. त्यासाठी मोठय़ा आकाराचा विद्युत प्रवर्तक लागतो ज्याद्वारे चुंबकीय चढउतार शोषून घेता येणे शक्य होईल. - चिन्मय गवाणकर chinmaygavankar@gmail.com
