पदार्थ विज्ञान
लेज़र-प्रिंटेड मेटामटेरियल अब अधिक मजबूत और लचीले हैं
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MIT की खोज कठोर पदार्थों को मेटामटेरियल्स के साथ लचीला बनाती है
Material sciences is the domain of better understanding materials at the microscopic, often atomic level, in order to make them better. The most common goal is to make a material stronger than in its classical form, be it steel, glass, or ceramic.
सामग्री विज्ञान वह क्षेत्र है जिसमें सामग्री को सूक्ष्म, अक्सर परमाणु स्तर पर बेहतर समझा जाता है, ताकि उन्हें बेहतर बनाया जा सके। सबसे सामान्य लक्ष्य किसी सामग्री को उसकी पारंपरिक रूप से अधिक मजबूत बनाना है, चाहे वह स्टील, कांच या सिरेमिक हो।
स्रोत: MIT
यहाँ भी, अधिकांश शोध इस बात पर केंद्रित रहा है कि अंतिम उत्पाद को उसके मूल घटक से अधिक मजबूत बनाया जाए, संभावित सुपर स्टील, कार्बन फाइबर, रेशम, और अन्य सामग्री जो बॉडी आर्मर, निर्माण, या भविष्य के प्रोजेक्ट जैसे स्पेस एलीवेटर में उपयोग की जा सकती हैं।
एक नया प्रकार का मेटामटेरियल अब आविष्कार किया जा रहा है, जो अन्यथा कठोर और सख्त तत्वों को लचीला बनाता है। यह खोज MIT शोधकर्ताओं द्वारा की गई और नेचर मैटेरियल्स1 में प्रकाशित हुई, शीर्षक “Double-network-inspired mechanical metamaterials” के तहत।
मेटामटेरियल्स पारंपरिक सामग्रियों से कैसे बेहतर हैं
The creation of regular micro-structures in a controlled way can lead to improved performance of a material compared to its base component. This can be affected by many different properties, like electromagnetic, acoustic, structural strength, thermal, etc.
नियंत्रित तरीके से नियमित माइक्रो-संरचनाओं का निर्माण सामग्री के प्रदर्शन को उसके मूल घटक की तुलना में बेहतर बना सकता है। यह कई विभिन्न गुणों से प्रभावित हो सकता है, जैसे विद्युतचुंबकीय, ध्वनिक, संरचनात्मक शक्ति, तापीय आदि।
सामान्यतः, यह एक समझौता होता है। उदाहरण के लिए, अधिक मजबूत सामग्री आमतौर पर अधिक कठोर हो जाती है, जिससे उनका व्यावहारिक उपयोग कम हो सकता है।
इसलिए MIT शोधकर्ता एक तरह का क्रांति कर रहे हैं, विभिन्न तरीकों को मिलाकर, एक सामग्री को अधिक कठोर और मजबूत बनाते हुए, साथ ही उसे अधिक लचीला भी बनाते हैं।
“हमने महसूस किया कि मेटामटेरियल्स का क्षेत्र वास्तव में सॉफ्ट मैटर क्षेत्र में प्रभाव डालने की कोशिश नहीं कर रहा है।
अब तक, हम सभी सबसे कठोर और सबसे मजबूत सामग्री की तलाश में रहे हैं।”
अधिक मजबूत और अधिक लचीला: मेटामटेरियल समझौते का समाधान
So far, most metamaterials are made using a method similar to 3D printing, producing microscopic struts and trusses.
स्रोत: ETH Zurich
इसके बजाय, MIT शोधकर्ताओं ने इंटरवूवन स्प्रिंग्स या कॉइल्स की एक वास्तुकला विकसित की, जो स्वाभाविक रूप से अधिक लचीली है।
अपने प्रारंभिक प्रयोग में, उन्होंने प्लेक्सिग्लास जैसी सामग्री का उपयोग किया, जो बहुत कठोर होनी चाहिए, और इसे “सामान्य” रूप से असेंबल किया। जब इसे मेटामटेरियल में बुन दिया गया, तो यह नरम और स्प्रिंग जैसा हो गया, जैसे रबर।
“हम मेटामटेरियल्स के लिए इस नए क्षेत्र को खोल रहे हैं।
आप डबल-नेटवर्क धातु या सिरेमिक प्रिंट कर सकते हैं, और आप इन कई लाभों को प्राप्त कर सकते हैं, क्योंकि उन्हें तोड़ने में अधिक ऊर्जा लगेगी, और वे काफी अधिक खिंचाव योग्य होंगे।”
यह एक अच्छी शुरुआत थी, क्योंकि यह मजबूत सामग्रियों का उपयोग करके उन्हें नरम और लचीला बना सकता था। हालांकि, यह थोड़ा अधिक सफल था, क्योंकि यद्यपि सामग्री खिंचाव योग्य थी, वह “थोड़ी बहुत नरम और लचीली” थी।
हाइड्रोजेल-प्रेरित डिजाइन लचीलापन और टिकाऊपन को बढ़ाता है
एक और उल्लेखनीय सामग्री हाइड्रोजेल है, जो एक प्रकार का नरम, खिंचाव योग्य, जेल जैसा यौगिक है, जो मुख्यतः पानी और थोड़ी सी पॉलीमर संरचना से बना होता है। कुछ हाइड्रोजेल प्राकृतिक भी होते हैं, जैसे जेली, उदाहरण के लिए।
MIT शोधकर्ताओं ने पहले ही हाइड्रोजेल को अधिक मजबूत बनाने के तरीके खोज लिए हैं, जबकि उसकी नरमी और खिंचाव क्षमताओं को बनाए रखा है। वे ऐसा कई पॉलीमर नेटवर्क को बहुत अलग गुणों के साथ मिलाकर करते हैं, जैसे कि एक नेटवर्क जो प्राकृतिक रूप से कठोर है और दूसरा जो स्वाभाविक रूप से नरम है।
इसलिए शोधकर्ताओं ने इस अवधारणा को अपने प्लेक्सिग्लास मेटामटेरियल में अनुकूलित किया। उन्होंने स्ट्रट्स और ट्रस की ग्रिड जैसी स्कैफ़ोल्ड का उपयोग करके एक कठोर और मजबूत पारंपरिक मेटामटेरियल को, प्रत्येक स्ट्रट और ट्रस के चारों ओर बुनने वाले कॉइल्स के पैटर्न के साथ मिलाया।
दोनों सामग्री नेटवर्क एक साथ बनाए गए, उच्च-परिशुद्धता, लेज़र-आधारित प्रिंटिंग तकनीक जिसका नाम दो-फोटॉन लिथोग्राफी है, का उपयोग करके।
स्रोत: LiqCreate
डबल-नेटवर्क मेटामटेरियल्स किसी भी स्केल पर कैसे प्रदर्शन करते हैं
नव निर्मित डबल-नेटवर्क मेटामटेरियल को विभिन्न आकारों पर परीक्षण किया गया। कुछ नमूने कई वर्ग माइक्रोन के घटक माप के साथ बनाए गए, कुछ कई वर्ग मिलीमीटर तक।
फिर उन्होंने सामग्री को उसकी सीमा तक धकेलते समय उच्च गति कैमरों का उपयोग करके प्राप्त शक्ति और लचीलापन को मापा।
स्रोत: MIT
डबल नेटवर्क ने अपने स्वयं के लंबाई से 3 गुना खिंचाव करने की क्षमता दिखाई, जो पारंपरिक लैटिस-प्रत्यायित मेटामटेरियल से 10 गुना अधिक है।
“इस बुनिए हुए नेटवर्क को स्पेगेटी के जाल के रूप में सोचें जो लैटिस के चारों ओर उलझा हुआ है। जब हम मोनोलिथिक लैटिस नेटवर्क को तोड़ते हैं, तो टूटे हुए हिस्से साथ में चलते हैं, और अब यह सारी स्पेगेटी लैटिस टुकड़ों के साथ उलझ जाती है।
यह बुनिए हुए फाइबरों के बीच अधिक उलझाव को बढ़ावा देता है, जिसका मतलब है कि आपके पास अधिक घर्षण और अधिक ऊर्जा विसर्जन है।”
ऊर्जा का यह प्रसार ही मेटामटेरियल की लचीलापन का मुख्य चालक है, क्योंकि प्रारंभिक दरार सीधे होकर सामग्री को जल्दी नहीं फाड़ेगी।
रणनीतिक दोष कैसे मेटामटेरियल्स को और भी अधिक मजबूत बनाते हैं
विरोधाभासी रूप से, उन्होंने यह भी खोजा कि लैटिस में छेद करने से इसे और भी मजबूत बनाना संभव है।
यह दोष अधिक ऊर्जा विसर्जन की अनुमति देता है और अंतिम उत्पाद की समग्र लचीलापन को बढ़ाता है।
“आप सोच सकते हैं कि इससे सामग्री खराब हो जाएगी। लेकिन हमने देखा कि जब हमने दोष जोड़ना शुरू किया, तो हमने खिंचाव की मात्रा को दोगुना कर दिया, और ऊर्जा विसर्जन को तीन गुना कर दिया।
यह हमें एक ऐसी सामग्री देता है जो दोनों कठोर और मजबूत है, जो आमतौर पर एक विरोधाभास होता है।”
इससे शोध टीम को एक सैद्धांतिक ढांचा विकसित करने में मदद मिली, जिससे ऐसे मेटामटेरियल्स के व्यवहार की बेहतर भविष्यवाणी की जा सके।
MIT के लचीले मेटामटेरियल्स के वास्तविक दुनिया में उपयोग
ऐसा ब्लूप्रिंट फटे-प्रूफ टेक्सटाइल और कपड़ों के डिजाइन में उपयोगी होगा।
लचीले अर्धचालक, इलेक्ट्रॉनिक चिप पैकेजिंग, और टिकाऊ फिर भी लचीले स्कैफ़ोल्ड, जिन पर कोशिकाओं को ऊतक मरम्मत के लिए उगाया जा सकता है, भी इस तकनीक से लाभान्वित हो सकते हैं।
एक और विकल्प यह होगा कि विभिन्न मेटामटेरियल्स को मिलाने की इस अवधना (स्ट्रट्स और ट्रस को कॉइल्स के साथ) को वर्तमान में नाजुक सामग्रियों पर लागू किया जाए। यह उन्हें एक साथ अधिक लचीलापन और अधिक लचीलापन प्रदान कर सकता है।
इसी विचार को मौजूदा सामग्रियों में नई विशिष्टताएँ जोड़ने के लिए उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, उन्हें उनके पर्यावरण के प्रति स्वाभाविक रूप से प्रतिक्रियाशील बनाना।
“अब तक हमने यांत्रिक गुणों के बारे में बात की है, लेकिन अगर हम उन्हें विद्युत चालक या तापमान के प्रति प्रतिक्रियाशील भी बना सकें तो क्या होगा?
इसके लिए, दो नेटवर्क विभिन्न पॉलीमर से बनाए जा सकते हैं जो तापमान के प्रति अलग-अलग तरीकों से प्रतिक्रिया देते हैं, ताकि एक कपड़ा गर्म होने पर अपने छिद्र खोल सके या अधिक लचीला हो सके और ठंडा होने पर अधिक कठोर हो सके।”
व्यावसायिक मेटामटेरियल्स के भविष्य में निवेश
ड्यूपॉन्ट
DD मूल्य चार्ट
ड्यूपॉन्ट एक विशाल रासायनिक कंपनी है जिसमें कई महत्वपूर्ण ब्रांडेड रसायन हैं, जैसे केव्लर, स्टाइरोज़ोफोम, नोमैक्स (आग सुरक्षा), ग्रेट स्टफ़ (निर्माण चिपकने वाला) आदि। इसका उन्नत पॉलीमर अनुसंधान और सुरक्षा सामग्री ब्रांड इसे डबल-नेटवर्क मेटामटेरियल तकनीकों से लाभ उठाने की स्थिति में रख सकता है।
ड्यूपॉन्ट एक प्राचीन निगम है जिसका अधिग्रहणों का जटिल इतिहास है, और हाल ही में, कई स्पिन-ऑफ़ की श्रृंखला।
स्रोत: DuPont
इन स्पिन-ऑफ़ ने ड्यूपॉन्ट के पोषण और बायोसायंस विभागों को अलग कर दिया है, जो आंशिक रूप से कोर्टेवा बायोसायंस को बेचे गए हैं (CTVA ), टाइटेनियम उत्पादों ने Chemours Company बनाकर अलग किया है (CC ), और गतिशीलता।
यह भी अपने इलेक्ट्रॉनिक रसायन व्यवसाय को नवंबर 2025 में अलग करेगा, लेकिन जल खंड (जल शुद्धिकरण और वाष्पीकरण के लिए झिल्ली और फ़िल्टर) को बनाए रखेगा, पहले की योजनाओं के विपरीत।
स्रोत: DuPont
यह ड्यूपॉन्ट को एक अधिक केंद्रित कंपनी बना देगा, जिसका मुख्य कार्य जल शुद्धिकरण और सुरक्षा उपकरणों के लिए उन्नत पॉलीमर, साथ ही एयरोस्पेस, स्वास्थ्य देखभाल, और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए उन्नत सामग्री है।
स्रोत: DuPont
ड्यूपॉन्ट एक वास्तव में अंतरराष्ट्रीय निगम है, जिसमें जल शुद्धिकरण और औद्योगिक निर्माण में विशेष रसायनों की उच्च मांग है।
ड्यूपॉन्ट रसायनों द्वारा सेवा किए जाने वाले क्षेत्रों में भी बहुत विविधता है, जिसमें निर्माण, जल शुद्धिकरण, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग, ऑटोमोबाइल, एयरोस्पेस, स्वास्थ्य देखभाल, ग्रीन एनर्जी, और औद्योगिक उत्पादन शामिल हैं।
स्रोत: DuPont
ड्यूपॉन्ट की सुरक्षा उपकरणों में मजबूत उपस्थिति और केव्लर ब्रांड, एक उच्च-प्रदर्शन पॉलीमर, के साथ स्थापित स्थिति इसे मेटामटेरियल्स के नए रूपों को व्यावसायिक उत्पादों में अनुकूलित करने में मदद करनी चाहिए।
किसी भी स्थिति में, जैसे नई तकनीकें बढ़ रही हैं, वैसे ही जल खपत भी बढ़ रही है, और ड्यूपॉन्ट द्वारा उत्पादित उन्नत रसायनों की मांग भी बढ़ रही है।
ड्यूपॉन्ट पर नवीनतम
अध्ययन संदर्भित:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
