केव्लर को अलविदा, एक हल्का, अधिक मजबूत वैरिएंट यहाँ है

अत्यंत मजबूत प्लास्टिक पॉलिमर

अत्यधिक मजबूत सामग्रियों का अध्ययन करते समय चर्चा अक्सर साधारण लोहे से लेकर अधिक विशिष्ट टाइटेनियम, टंगस्टन या रेनियम जैसी कठोर धातुओं की ओर मुड़ जाती है (हर धातु की विशेष निवेश रिपोर्ट के लिए संबंधित लिंक देखें)।

लेकिन अत्यधिक मजबूत सामग्री का यही एकमात्र रूप नहीं है। मजबूत पॉलिमर एक और विकल्प हैं, खासकर उन अनुप्रयोगों में जहाँ केवल कठोरता और उच्च गलनांक ही नहीं, बल्कि कम वजन और लचीलापन भी महत्वपूर्ण होते हैं।

ऐसी ही एक प्रसिद्ध सामग्री केव्लर है। DuPont (DD ) के स्वामित्व वाली यह सामग्री बुलेटप्रूफ जैकेटों में उपयोग के लिए सबसे अधिक जानी जाती है। इसका इस्तेमाल रस्सियों, औद्योगिक और आपातकालीन सुरक्षा उपकरणों, एयरोस्पेस, फाइबर ऑप्टिक्स और बाहरी उपयोग के उपभोक्ता उत्पादों में भी होता है।

स्रोत: DuPont

केव्लर की मजबूती का रहस्य एक सघन द्वि-आयामी तल पर फैले आणविक बंधनों के घने जाल में है। इसमें हाइड्रोजन बंधन और अनेक एरोमैटिक रिंग (कार्बन से बने षट्भुज) शामिल हैं। इसकी बनावट प्राकृतिक रेशम जैसी है, लेकिन उससे भी अधिक मजबूत है।

स्रोत: Wikipedia

हालाँकि, भौतिकी का कोई नियम यह नहीं कहता कि केव्लर ही सबसे मजबूत पॉलिमर सामग्री है। Duke University, Cornell University और Northwestern University के शोधकर्ताओं ने इससे भी मजबूत विकल्प खोजा है।

उन्होंने अपने परिणाम प्रतिष्ठित Science पत्रिका में “यांत्रिक रूप से परस्पर जुड़े द्वि-आयामी पॉलिमर”¹ शीर्षक से प्रकाशित किए।

पॉलिमर चेनमेल का एक नया प्रकार

केव्लर को मजबूती द्वि-आयामी तल में मौजूद आणविक बंधनों से मिलती है। लेकिन सामान्यतः सबसे मजबूत सामग्रियों की त्रि-आयामी संरचना अधिक जटिल होती है।

उदाहरण के लिए, पूरी चेनमेल उसे बनाने वाली अलग-अलग कड़ियों से कहीं अधिक मजबूत होती है। शोधकर्ताओं ने इसी डिजाइन को पॉलिमर और आणविक स्तर पर दोहराने की कोशिश की।

उद्देश्य यांत्रिक रूप से परस्पर जुड़े अति-पतले पदार्थ का निर्माण करना था।

स्रोत: Northwestern University

एक नई निर्माण विधि का आविष्कार

परस्पर जुड़ने वाले बंधनों का विचार नया नहीं है, लेकिन अब तक इसे विश्वसनीय रूप से या बड़े पैमाने पर तैयार नहीं किया जा सका था। यांत्रिक, न कि रासायनिक, जुड़ाव बनाना बहुत कठिन था; अधिकांश सामग्रियाँ ऐसा करती ही नहीं थीं।

शोधकर्ताओं ने X आकार के मोनोमर का उपयोग करते हुए नया तरीका अपनाया (मोनोमर पॉलिमर की अलग-अलग निर्माण इकाई होती है)। फिर प्रत्येक मोनोमर को अत्यंत व्यवस्थित क्रिस्टलीय संरचना में लगाया गया।

इसके बाद उन्होंने क्रिस्टल को दूसरे अणु के साथ अभिक्रिया कराई, जिससे क्रिस्टल के भीतर बंधन बने।

अंतिम परिणाम परस्पर जुड़े द्वि-आयामी पॉलिमर शीटों की कई परतों से बनी जटिल संरचना था। इससे X आकार के मोनोमर के ऐसे “धागे” बने जो यांत्रिक रूप से जुड़े थे, लेकिन रासायनिक रूप से बंधे नहीं थे। यांत्रिक जुड़ाव और एक-दूसरे के सापेक्ष खिसकने की क्षमता ने सामग्री को आश्चर्यजनक रूप से लचीला बना दिया।

“यह चेनमेल जैसा है, क्योंकि इसे आसानी से फाड़ा नहीं जा सकता; हर यांत्रिक बंधन को थोड़ा खिसकने की स्वतंत्रता होती है।

खींचने पर यह लगाए गए बल को कई दिशाओं में फैला सकता है। यदि आप इसे फाड़ना चाहें, तो इसे बहुत-सी अलग-अलग जगहों पर तोड़ना पड़ेगा।”

Northwestern University में रसायन विज्ञान के प्रोफेसर William Dichtel।

रिकॉर्ड प्रदर्शन & स्केलेबिलिटी

नई विकसित सामग्री में प्रति वर्ग सेंटीमीटर 100 ट्रिलियन तक यांत्रिक बंधन हैं, जो सामग्री विज्ञान में अब तक प्राप्त सबसे अधिक घनत्व है। उन्नत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी तकनीकों से परिणाम की दोबारा जाँच की गई और परस्पर जुड़ी संरचना की दृश्य पुष्टि हुई।

नई सामग्री की प्रभावशीलता जाँचने के लिए शोधकर्ताओं ने इसे केव्लर के ही परिवार के उत्पाद Ultem (पॉलीईथरइमाइड) के साथ मिलाया। Ultem का व्यावसायीकरण सऊदी पेट्रोकेमिकल कंपनी SABIC करती है।

Ultem एक प्लास्टिक फाइबर है जो गर्मी और रसायनों के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी है। इसका उपयोग चिकित्सा उपकरणों, इलेक्ट्रॉनिक्स, वाहन उद्योग, रासायनिक उद्योग और एयरोस्पेस में होता है। इसे 3D प्रिंटिंग या एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में भी इस्तेमाल किया जा सकता है।

ULTEM उन चुनिंदा रेजिन में है जिन्हें वाणिज्यिक एयरोस्पेस क्षेत्र में उपयोग की मंजूरी मिली है। यह समान थर्मोप्लास्टिक की तुलना में क्रीप का बेहतर प्रतिरोध करता है—अर्थात बार-बार यांत्रिक तनाव पड़ने पर सामग्री के विकृत और कमजोर होने की प्रवृत्ति।

विभिन्न ईंधनों, कूलेंट और लुब्रिकेंट के संपर्क में आने पर भी यह अच्छी तरह टिकता है। इसकी ज्वाला-प्रतिरोधी क्षमता सुनिश्चित करती है कि यह ज्वलनशीलता संबंधी FAA विनियम 25.853 को पूरा करे।

Sybridge

97.5% Ultem फाइबर और केवल 2.5% नए द्वि-आयामी पॉलिमर से बने कंपोजिट के शुरुआती परीक्षण में सामग्री अत्यधिक मजबूत साबित हुई। इससे Ultem फाइबर की तन्यता शक्ति 45% और तनाव प्रतिरोध 22% बढ़ा।

निर्माण में संभावित उपयोग का एक और महत्वपूर्ण पहलू यह है कि प्रयोगशाला के प्रायोगिक वातावरण में भी नई सामग्री अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में बनाई गई। शोधकर्ताओं ने आधा किलोग्राम सामग्री तैयार की, जो यांत्रिक बंधनों वाले पिछले पॉलिमर की तुलना में कहीं अधिक है।

उनकी विधि बड़े पैमाने पर उत्पादन में इस्तेमाल की जा सकती है, क्योंकि क्रिस्टलीय संरचना और उसके बाद रासायनिक बंधन बनाने के क्रमिक चरणों को स्वचालित कर बड़े पैमाने पर लागू किया जा सकता है।

आगे क्या?

शोध दल ने नई सामग्री का विश्लेषण अभी शुरू ही किया है।

अब तक मापा गया प्रत्येक मानक संकेत देता है कि पॉलिमर असाधारण रूप से मजबूत है और अभी तक विकसित किसी भी पॉलिमर सामग्री से कहीं अधिक मजबूत हो सकता है।

“हमें अभी बहुत अधिक विश्लेषण करना है, लेकिन हम कह सकते हैं कि यह इन कंपोजिट सामग्रियों की मजबूती बढ़ाता है। हमने जितनी भी विशेषताएँ मापी हैं, उनमें से लगभग हर एक किसी न किसी तरह असाधारण रही है।”

Northwestern University में रसायन विज्ञान के प्रोफेसर William Dichtel।

Ultem और अन्य उन्नत फाइबर के साथ इस सामग्री की अधिक मात्रा मिलाकर परीक्षण करना संभवतः शुरुआती प्रयोगों में शामिल होगा।

इससे शुद्ध फाइबर बनाकर केव्लर और Ultem से तुलना भी की जानी चाहिए। उत्पाद की व्यावसायिक क्षमता का पूरा आकलन करने के लिए वास्तविक परिस्थितियों में इसके प्रतिरोध की जाँच भी महत्वपूर्ण होगी।

अनुप्रयोग

यह खोज आणविक बंधनों में Northwestern University की विशेषज्ञता की विरासत को आगे बढ़ाती है। यहीं Sir Fraser Stoddart ने नियंत्रित तरीके से बदलने, घूमने, सिकुड़ने और फैलने वाली आणविक मशीनें बनाने के लिए आणविक स्तर के यांत्रिक बंधन विकसित किए थे।

Sir Stoddart को उनकी खोज के लिए 2016 का रसायन विज्ञान नोबेल पुरस्कार मिला और जब William Dichtel पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता थे, तब Stoddart उनके मार्गदर्शक थे। Dichtel नई “चेनमेल” पॉलिमर खोज के प्रमुख वैज्ञानिक हैं।

Dichtel का मानना है कि नए पॉलिमर में हल्के बॉडी आर्मर और बैलिस्टिक फैब्रिक के लिए बड़ी क्षमता है। यह उन अन्य अनुप्रयोगों में भी उपयोगी हो सकता है जिनमें अभी केव्लर और/या Ultem इस्तेमाल होते हैं।

पॉलिमर की अत्यधिक मजबूती, लचीलापन और कम वजन उन नए अनुप्रयोगों का रास्ता खोल सकते हैं जहाँ मौजूदा पॉलिमर पर्याप्त नहीं हैं। उदाहरण के लिए, इसे रॉकेट, स्पेससूट और बैटरी में शामिल किया जा सकता है।

हालाँकि, 3D प्रिंटिंग में इसका उपयोग संभव नहीं लगता, क्योंकि प्लास्टिक को अंतिम आकार देने के लिए आंशिक रूप से पिघलाने वाली एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग विधि पॉलिमर के त्रि-आयामी यांत्रिक बंधनों को बिगाड़ सकती है।

पॉलिमर में निवेश

पॉलिमर बाजार विशाल है। 2024 में इसका मूल्य 792 अरब डॉलर तक था और 2034 तक 5.4% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर से बढ़कर 1.3 ट्रिलियन डॉलर होने की उम्मीद है।

स्रोत: Precedence Research

आप अनेक ब्रोकर के माध्यम से रासायनिक कंपनियों में निवेश कर सकते हैं। Securities.io पर संयुक्त राज्य अमेरिका, कनाडा, ऑस्ट्रेलिया, यूनाइटेड किंगडम और कई अन्य देशों के सर्वोत्तम ब्रोकर के लिए हमारी सिफारिशें मिलेंगी।

यदि आप किसी खास कंपनी को नहीं चुनना चाहते, तो iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) या Vanguard Materials ETF (VAW) जैसे ETF पर भी विचार कर सकते हैं। ये रासायनिक उद्योग से लाभ उठाने के लिए अधिक विविध एक्सपोजर देते हैं।

पॉलिमर कंपनी

DuPont

DuPont एक विशाल रासायनिक कंपनी है जिसके पास कई महत्वपूर्ण ब्रांडेड रसायन हैं, जैसे Kevlar, Styrofoam, Nomex (अग्नि सुरक्षा) और Great Stuff (निर्माण चिपकाने वाला पदार्थ)।

DuPont एक पुराना निगम है जिसका अधिग्रहण का जटिल इतिहास है और हाल के वर्षों में कई व्यवसाय अलग किए गए हैं।

स्रोत: DuPont

इन विभाजनों के माध्यम से DuPont ने पोषण और जैव-विज्ञान विभागों को अलग किया, जिन्हें आंशिक रूप से Corteva Biosciences (CTVA ) को बेचा गया; टाइटेनियम उत्पाद Chemours Company (CC ) बने; और मोबिलिटी तथा मैटेरियल व्यवसाय भी अलग हुए।

कंपनी नवंबर 2025 में इलेक्ट्रॉनिक रसायन व्यवसाय को भी अलग करेगी, लेकिन पहले की योजना के विपरीत जल खंड—जल शोधन और विलवणीकरण के लिए झिल्लियाँ और फिल्टर—को अपने पास रखेगी।

स्रोत: DuPont

इससे DuPont अधिक केंद्रित कंपनी बनेगी, जिसकी मुख्य गतिविधियाँ जल शोधन और सुरक्षा उपकरण के लिए उन्नत पॉलिमर तथा एयरोस्पेस, स्वास्थ्य सेवा और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए उन्नत सामग्री होंगी।

स्रोत: DuPont

DuPont वास्तव में अंतरराष्ट्रीय निगम है और जल शोधन तथा औद्योगिक निर्माण में उसके विशेष रसायनों की भारी माँग है।

DuPont के रसायन निर्माण, जल शोधन, इलेक्ट्रॉनिक्स, वाहन उद्योग, एयरोस्पेस, स्वास्थ्य सेवा, हरित ऊर्जा और औद्योगिक उत्पादन सहित अनेक क्षेत्रों में काम आते हैं।

स्रोत: DuPont

सुरक्षा उपकरण में DuPont की मजबूत उपस्थिति और Kevlar ब्रांड की स्थापित स्थिति कंपनी को इस लेख में वर्णित नए अति-मजबूत पॉलिमर फाइबर के अनुकूल होने में मदद करेगी। यह भी संभव है कि कंपनी दोनों सामग्रियों वाले हाइब्रिड फाइबर बनाकर नई सामग्री को Kevlar उत्पाद शृंखला में शामिल करे।

नई तकनीकों और पानी की खपत बढ़ने के साथ DuPont द्वारा निर्मित उन्नत रसायनों की माँग भी बढ़ेगी।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Madison I. Bardot et al. (2025) Mechanically interlocked two-dimensional polymers.Science387,264-269. DOI:10.1126/science.ads4968}