एआई-डिज़ाइन किए गए 3डी प्रिंटेड नैनो-मटेरियल्स: स्टील से अधिक मजबूत, फोम से हल्के

भविष्य की अंतरिक्ष यात्रा और कई अन्य उद्योगों का भविष्य इस बात पर निर्भर करेगा कि मानवता अधिक मजबूत, हल्के और आसानी से उपलब्ध सामग्री विकसित करे। स्टील से लेकर कार्बन फाइबर तक, आज की सबसे उन्नत नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री तक, टिकाऊ और हल्के घटकों को बनाने की खोज कई विज्ञान क्षेत्रों में प्राथमिकता बनी हुई है। सौभाग्य से, टोरंटो विश्वविद्यालय के फैकल्टी ऑफ एप्लाइड साइंस एंड इंजीनियरिंग द्वारा नेतृत्व की गई शोधकर्ताओं की टीम ने हाल ही में एक नई प्रक्रिया प्रस्तुत की है जिसने आशाजनक परिणाम दिखाए हैं। यहाँ वह सब कुछ है जो आपको जानना चाहिए।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री

उच्च प्रदर्शन के संदर्भ में, नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री सबसे मजबूत में से हैं। वे नैनो स्तर पर विविध आकारों का उपयोग करके उच्च स्तर की लचीलापन बनाते हैं। इन आकारों को सैकड़ों या हजारों बार दोहराया जाता है। यह विन्यास अनोखी लोड स्थितियों और नैनोस्केल साइड इफ़ेक्ट्स उत्पन्न करता है जो उनकी शक्ति में इज़ाफ़ा करते हैं,
विशेष रूप से, उनके आविष्कार के बाद से, नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री के कई विभिन्न संस्करण विकसित किए गए हैं, जो विभिन्न आकारों और आकारों जैसे लैटिस, गायरॉइड, शहद की छत्तियों और हाइब्रिड ज्यामितियों का उपयोग करते हैं। हालांकि इन सामग्रियों ने अतिरिक्त शक्ति प्रदान करने की पुष्टि की है, इस तकनीक में अब तक कुछ कमियां भी रही हैं।

आज की नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री की समस्या

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री की वर्तमान मुख्य कमियों में से एक यह है कि उनमें कठोर विफलता और टूटने के बिंदु होते हैं। इन वस्तुओं की संरचना और मानक लैटिस आकारों के उपयोग का अर्थ है कि कोनों और चौराहों पर अतिरिक्त तनाव पड़ता है। परिणामस्वरूप, उचित तनाव वितरण की कमी नोड्स और जंक्शन पर अचानक आपदा जैसी विफलताओं का कारण बन सकती है।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री अध्ययन

इन सीमाओं को पहचानते हुए, शोधकर्ताओं के एक समूह ने संभावित नई संरचनाओं की खोज और विकास के लिए एक अनूठा मशीन लर्निंग एल्गोरिदम बनाया।
बेयesian अनुकूलन द्वारा कार्बन नैनोलैटिस की अल्ट्रा-उच्च विशिष्ट शक्ति¹ एडवांस्ड मैटेरियल्स में प्रकाशित हुआ।

यह अध्ययन पहली बार दर्शाता है कि मशीन लर्निंग को नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री के निर्माण में लागू किया गया है। विशेष रूप से, एआई एल्गोरिदम ने सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान और यांत्रिकी के विभिन्न पहलुओं को मिलाकर विभिन्न विन्यासों, सामग्रियों और आकारों के प्रदर्शन को सटीक रूप से मॉडल किया। शोध का लक्ष्य नैनोमटेरियल द्वारा प्रदान किए जाने वाले “छोटा अधिक मजबूत” प्रभाव का उपयोग करना है।

स्रोत – University of Toronto’s Faculty of Applied Science & Engineering

टीम ने बेयesian अनुकूलन मशीन लर्निंग एल्गोरिदम का उपयोग करके अपने कार्य शुरू किए। यह एआई एल्गोरिदम अन्य विकल्पों की तुलना में कम डेटा बिंदुओं के उपयोग के कारण आदर्श है। बेयesian अनुकूलन मशीन लर्निंग एल्गोरिदम को केवल 400 डेटा बिंदुओं की आवश्यकता होती है, जबकि अन्य एल्गोरिदम को हजारों की आवश्यकता होती है।

एल्गोरिदम ने विभिन्न जटिल 3डी संरचनाओं का विश्लेषण और परीक्षण किया। इसने तनाव स्थानों और टूटने के दबाव जैसे प्रमुख डेटा बिंदुओं की समीक्षा की जबकि पायरोलिटिक कार्बन परमाणु संरचना की उच्च-रिज़ॉल्यूशन विशेषता को दर्ज किया। फिर इस डेटा का उपयोग नई संरचना को अनुकूलित करने के लिए किया गया ताकि शक्ति-से-भार अनुपात को और बेहतर बनाया जा सके।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री परीक्षण

अपनी सिद्धांत की जांच के लिए, इंजीनियरों ने दो-फोटॉन पॉलिमराइज़ेशन 3डी प्रिंटर का उपयोग करके, जो सेंटर फॉर रिसर्च एंड एप्लिकेशन इन फ्लुइडिक टेक्नोलॉजीज (CRAFT) में स्थित है, चार क्यूबिक-फेस सेंटर्ड क्यूबिक (CFCC) लैटिस जेनरेटिव डिज़ाइनों को अनुकूलित बीम आकारों के साथ 3डी प्रिंट किए। यह उपकरण मल्टी-फ़ोकस मल्टी-फोटॉन पॉलिमराइज़ेशन को सक्षम करता है। विशेष रूप से, प्रिंट किए गए परीक्षण वस्तुओं में 18.75 मिलियन नैनोमीटर आकार के लैटिस कोशिकाएँ थीं।
विशेष रूप से, लैटिस ने एक एक्रिलिक पॉलिमरिक संरचना का उपयोग किया जिसे फिर पॉलिमर को कांच जैसी अरोमैटिक कार्बन में क्रॉसलिंक करने के लिए गरम किया गया। इस चरण ने कुल आकार को 20% तक कम कर दिया। उसके बाद, विभिन्न दबाव परीक्षण किए गए।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री परीक्षण परिणाम

परीक्षणों ने सिद्ध किया कि नई नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री ने मशीन-लर्निंग बीम एलिमेंट अनुकूलन, उच्च-शुद्धता पायरोलाइज़्ड कार्बन, और नैनोस्केल स्ट्रट व्यास बनाने की क्षमता के कारण शक्ति में सुधार दिखाया। विशेष रूप से, नई डिज़ाइनों ने अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में 118% से 68% तक अधिक शक्ति प्राप्त की।
उनकी संरचनात्मक दक्षता भी सुधरी। परीक्षण ने मूल डिज़ाइनों की तुलना में बेहतर तनाव और वजन वितरण तथा शक्ति-से-भार अनुपात दिखाए। विशेष रूप से, नई सामग्री और डिज़ाइन ने पिछले मॉडल की शक्ति को दोगुना कर दिया, कम घनत्व पर .03 MPa m3 kg−1 प्राप्त किया।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री लाभ

बेयesian अनुकूलित डिज़ाइनों और नैनो-आर्किटेक्टेड पायरोलाइज़्ड कार्बन के उपयोग के लाभ तुरंत स्पष्ट होते हैं। ये सामग्री अधिक शक्ति प्रदान करती हैं, हल्की होती हैं, और विभिन्न आवश्यकताओं के अनुसार अनुकूलित की जा सकती हैं।

शक्ति

नैनोमटेरियल और संरचना इन अल्ट्रा-हल्की सामग्रियों को टाइटेनियम से अधिक शक्ति-से-भार अनुपात देती है। इस प्रकार, यह सामग्री आने वाले वर्षों में विभिन्न औद्योगिक और वाणिज्यिक कार्यों में सुधार कर सकती है।

न्यूनतम वजन

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि उनका निर्माण स्टाइरोज़ फोम जितना हल्का था, जबकि यह टिकाऊपन और शक्ति परीक्षणों में स्टील से बेहतर प्रदर्शन करता है। अल्ट्रा-हल्की डिज़ाइन की कुंजी कम-घनत्व वाली सामग्रियों और घटकों का उपयोग है। विशेष रूप से, नैनोलैटिस स्ट्रट व्यास को 300 नैनोमीटर तक घटाने से एक अनोखा उच्च-शक्ति कार्बन बनता है जो पूर्ववर्तियों से बेहतर है।

स्थिरता

नई सामग्री उन अन्य उद्योगों में उड़ान के उच्च कार्बन फुटप्रिंट को कम करने में मदद कर सकती है जो संचालन के लिए हल्की कंपोजिट सामग्री पर निर्भर होते हैं। निर्माण प्रक्रिया में सामग्री की कमी सीधे अतिरिक्त स्थिरता में परिणत होती है।

अनुकूलन

सामग्रियों को बनाने के लिए उपयोग की गई प्रिंटिंग प्रक्रिया का अर्थ है कि इन्हें लगभग किसी भी उपयोग केस, आकार या माप के अनुसार बनाया जा सकता है। यह अतिरिक्त लचीलापन इंजीनियरों के लिए नई संभावनाएँ बनाता है ताकि वे बेहतर प्रणालियों का विकास कर सकें जो कई क्षेत्रों में उच्च प्रदर्शन प्रदान करती हैं।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री शोधकर्ता

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री के लिए शोध टोरंटो विश्वविद्यालय के फैकल्टी ऑफ एप्लाइड साइंस एंड इंजीनियरिंग में किया गया। यह प्रोफेसर टोबिन फ़िलेटर (MIE) द्वारा नेतृत्व किया गया। उनको दक्षिण कोरिया के दाएजोन में स्थित कोरिया एडवांस्ड इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (KAIST) के पीटर सर्लेस, प्रोफेसर स्युनहवा, और जिनवूक यियो की सहायता मिली।
यह शोध एक सहयोगी प्रयास था जिसने जर्मनी के कार्ल्सरुहे इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (KIT), संयुक्त राज्य के मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (MIT), और राइस यूनिवर्सिटी को अंतर्राष्ट्रीय डॉक्टोरल क्लस्टर्स कार्यक्रम के तहत एक साथ लाया।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री अनुप्रयोग

इस तकनीक के कई संभावित अनुप्रयोग हैं। एयरोस्पेस से लेकर ऑटोमोटिव उद्योग तक, हल्की और टिकाऊ सामग्रियों की बड़ी मांग है। इन नई नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्रियों के कुछ ही अनुप्रयोग यहाँ प्रस्तुत हैं।

सेना

सेना हल्की सामग्री की खोज जारी रखती है, चाहे वह वाहन निर्माण हो या अधिक प्रभावी बॉडी आर्मर बनाना। यह तकनीकी प्रगति भविष्य के सैनिकों को युद्ध क्षेत्रों में अधिक प्रभावी ढंग से जीवित रहने और अधिक करने में मदद कर सकती है।

ऑटोमोटिव

इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) के उदय ने सबसे हल्की और टिकाऊ किफायती सामग्री खोजने की प्रतिस्पर्धा को जन्म दिया है। इस खोज का कारण यह है कि EV बैटरी जीवन सीधे वाहन के वजन-से-शक्ति अनुपात से जुड़ा है। EV निर्माण सामग्री के वजन को कम करने से ड्राइव समय काफी बढ़ेगा।

एयरोस्पेस

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री ने एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में अल्ट्रा-हल्के घटकों के रूप में लंबे समय से स्थान पाया है। यह सामग्री विमानों, हेलीकॉप्टरों और अंतरिक्ष यानों के घटकों के निर्माण के लिए आदर्श है। यह हल्का डिज़ाइन और कंपोजिट निर्माण का अर्थ है कि इंजीनियर सुरक्षा से समझौता किए बिना वजन-से-उठान अनुपात को सुधार सकते हैं।

वे कंपनियां जो नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री को एकीकृत कर लाभ उठा सकती हैं

ऐसी कंपनियों की कमी नहीं है जो अधिक मजबूत और हल्की सामग्री से लाभ उठा सकती हैं। ये फर्में पूरे बाजार को कवर करती हैं, औद्योगिक निर्माताओं से लेकर सुरक्षा गियर और खेल उपकरण विकास तक। यहाँ एक कंपनी है जो आज इस तकनीक को एकीकृत कर तुरंत लाभ देख सकती है।

TransDigm Group

TransDigm (TDG ) ने 1993 में बाजार में प्रवेश किया। यह क्लिवलैंड, ओहायो में एक विमान भाग निर्माता के रूप में स्थापित हुआ। कंपनी ने जल्दी ही अपने संचालन और पेशकशों का विस्तार किया, जिससे यह बाजार में एक प्रमुख खिलाड़ी बन गया।

आज, TransDigm अत्यधिक इंजीनियर किए गए एयरोस्पेस घटकों, सिस्टम और सबसिस्टमों के शीर्ष-मान्यता प्राप्त निर्माताओं में से एक है। इसने नवाचार और कई उच्च-स्तरीय अधिग्रहणों के माध्यम से प्रतिस्पर्धी शक्ति बनी रहने में सफलता पाई है।

शोधकर्ताओं द्वारा विकसित हल्की और टिकाऊ नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री को पेश करना कंपनी को अधिक टिकाऊ विकल्प बनाने में मदद करेगा। वजन में अतिरिक्त कमी और शक्ति उपभोक्ताओं के लिए अधिक मूल्य और निर्माताओं के लिए बेहतर प्रदर्शन लाएगी।

TransDigm का वर्तमान बाजार पूंजीकरण $77.1 बिलियन है। कंपनी को उसके स्थिति और सिद्ध ट्रैक रिकॉर्ड के कारण अधिकांश विश्लेषकों द्वारा “होल्ड” माना जाता है। जो लोग एक मान्यता प्राप्त और स्थापित एयरोस्पेस निर्माण स्टॉक की तलाश में हैं, उन्हें TDG की समीक्षा पर विचार करना चाहिए।

नैनो-आर्किटेक्टेड सामग्री में खेल बदलने की क्षमता है

जब आप इन हल्की सामग्रियों द्वारा कई उद्योगों में लाई गई प्रमुख उन्नतियों को देखते हैं, तो यह स्पष्ट है कि वे खेल बदलने वाले हैं। हल्की और मजबूत सामग्रियों का उपयोग कई बाजारों को उन्नत करेगा और इंजीनियरों को अतिरिक्त क्षमताएँ प्रदान करेगा। इसलिए, आपको इंजीनियरों के प्रयासों की सराहना करनी चाहिए।
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अध्ययन संदर्भ:

^{1. Serles, P., Yeo, J., Haché, M., Guerra Demingos, P., Kong, J., Kiefer, P., Dhulipala, S., Kumral, B., Jia, K., Yang, S., Feng, T., Portela, C. M., Wegener, M., Howe, J., Singh, C. V., Zou, Y., Ryu, S., & Filleter, T. (2025). बेयesian अनुकूलन द्वारा कार्बन नैनोलैटिस की अल्ट्रा-उच्च विशिष्ट शक्ति. Advanced Materials, 37(5), 2410651. https://doi.org/10.1002/adma.202410651}