नई शोध ने श्रेष्ठ थर्मल मैनेजमेंट के लिए प्रभावी सामग्री बनाने का तरीका उजागर किया

हम अक्सर सामग्री को उनकी विशेषताओं के आधार पर पहचानते हैं। हालांकि, सामग्री विज्ञान और अभियांत्रिकी में प्राप्त प्रगति ने ऐसी सामग्री बनाना संभव कर दिया है जो असामान्य विशेषताओं को मिलाती हैं, जो अक्सर एक-दूसरे के विपरीत होती हैं। 

हाल ही में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह संभावना प्रदर्शित की कि इंजीनियर्ड सामग्री, जब गर्मी के संपर्क में आती है, तो दोनों कठोर और इन्सुलेशन प्रदान करने वाली विशेषताएँ रखती हैं। 

Jun Liu, जो इस कार्य पर पेपर के सह‑संबंधित लेखक और नॉर्थ कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी में मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर हैं, ने खोज की विशिष्टता और सामग्री के बारे में निम्नलिखित कहा:

“हमने अब ऐसी सामग्री की एक श्रृंखला खोजी है जो दोनों कठोर और उत्कृष्ट थर्मल इन्सुलेटर हैं। इसके अलावा, हम आवश्यकतानुसार सामग्री को इस तरह इंजीनियर कर सकते हैं कि उनकी कठोरता और थर्मल चालकता को नियंत्रित किया जा सके।”

आमतौर पर, यह पाया जाता है कि उच्च इलास्टिक मॉड्यूलस वाली सामग्री, जो बढ़ी हुई कठोरता के रूप में प्रकट होती है, इन्सुलेटिंग नहीं होती। बल्कि, वे काफी हद तक थर्मली कंडक्टिव होती हैं। 

लेकिन अगर हमें ऐसी सामग्री चाहिए जो अच्छी इन्सुलेशन प्रदान करे बिना उनकी कठोरता खोए? ऐसी सामग्री उच्च तापमान से इलेक्ट्रॉनिक्स की रक्षा करने के लिए थर्मल इन्सुलेशन कोटिंग बनाने के परिदृश्यों में उपयोगी होगी।

सामग्री में गहराई से उतरते हुए और शोध के बारे में अधिक पूछताछ करने पर पता चलता है कि शोधकर्ताओं द्वारा काम की गई सामग्री दो-आयामी हाइब्रिड ऑर्गेनिक‑इनऑर्गेनिक पेरोव्स्काइट (2D HOIP) का एक उपसमुच्चय है। ये सामग्री पतली फिल्में हैं जिनमें ‘उच्च क्रमबद्ध क्रिस्टलीय संरचना में वैकल्पिक ऑर्गेनिक और इनऑर्गेनिक परतें’ होती हैं। इनकी मूल्य में यह जोड़ता है कि इनऑर्गेनिक या ऑर्गेनिक परत की संरचना को ट्यून करना संभव है।

इस प्रक्रिया में इन सामग्रियों की ऑर्गेनिक परतों में कार्बन‑कार्बन श्रृंखलाओं को बेंज़ीन रिंग्स से बदलना शामिल है। इससे ऐसी स्थिति बनती है जहाँ इलास्टिक मॉड्यूलस और थर्मल कंडक्टिविटी को नियंत्रित या नियमन किया जा सकता है। 

शोध ने टीम को कम से कम तीन विशिष्ट 2D HOIP सामग्री विकसित करने में मदद की, जो जितनी अधिक कठोर हुईं, उनकी थर्मल कंडक्टिविटी उतनी ही कम हो गई।

कठोर लेकिन इन्सुलेटिंग सामग्री बनाने के अलावा, शोध ने ऑर्गेनिक परतों में चिरालिटी को भी प्रस्तुत किया, जिससे यह संकेत मिलता है कि समान कठोरता और थर्मल कंडक्टिविटी को बिना ऑर्गेनिक परतों की संरचना में बड़े बदलाव किए बनाए रखा जा सकता है। इस पहलू में आगे की प्रगति इन सामग्रियों की अन्य विशेषताओं को अनुकूलित करने की संभावना सुनिश्चित कर सकती है, बिना सामग्री की कठोरता या थर्मल कंडक्टिविटी पर इन बदलावों के प्रभाव की चिंता किए। 

जब इन सामग्रियों की व्यावहारिक अनुप्रयोग संभावनाओं का मूल्यांकन किया जाता है, तो कई कंपनियां इस शोध से लाभ उठा सकती हैं। इन कंपनियों के पास इस शोध को आगे बढ़ाने, बड़े पैमाने पर परीक्षण करने, और इसके लाभों को अपने मौजूदा उत्पाद लाइन में एकीकृत करने या पूरी नई उत्पाद लाइन बनाने के लिए आरएंडडी संसाधन हैं। अगले खंडों में, हम ऐसी कुछ कंपनियों पर चर्चा करेंगे और देखेंगे कि ये कंपनियां इस नवाचार को कैसे अपनाएंगी। 

#1. Owens Corning

Owens Corning (OC ) की Foamular उत्पाद श्रृंखला उच्च‑प्रदर्शन एक्सट्रूडेड पॉलीस्टाइरीन इन्सुलेशन से बनी है। एक्सट्रूडेड पॉलीस्टाइरीन फोम बंद कोशिकाओं से बना होता है और बेहतर सतह रफ़नेस, उच्च कठोरता, और कम थर्मल कंडक्टिविटी प्रदान करता है। 

इसका उच्च‑प्रदर्शन एक्सट्रूडेड पॉलीस्टाइरीन एक टिकाऊ, बहुमुखी और लचीला उत्पाद के माध्यम से इन्सुलेशन प्रदान करता है और वास्तुकला, अभियांत्रिकी और निर्माण में विभिन्न उपयोग मामलों के लिए उपयोगी है। इन्सुलेशन गुणों के अलावा, यह सामग्री नमी प्रतिरोधी भी है।

Owens Corning के पास Hydrovac नामक एक स्वामित्व वाली निर्माण प्रक्रिया है जो इन समाधानों का उत्पादन करती है। यह प्रक्रिया निरंतर बंद‑कोशिका संरचना प्रदान करती है, जिसमें कोई वायु नहीं होती, जिससे नमी बाहर रहती है जबकि प्रति इंच मोटाई पर 5 का R‑value देता है। इन्सुलेशन के संदर्भ में, R‑value इस बात का माप है कि भवन की इन्सुलेशन कितनी अच्छी तरह से गर्मी के प्रवाह को रोकती है। जितना अधिक R‑value, उतनी ही इन्सुलेशन उत्पाद की प्रदर्शन क्षमता अधिक होती है।

उत्पाद की संपीड़न शक्ति 15 से 100 psi तक होती है और यह ASTM C5781 के अनुरूप निर्मित है। यह वनस्पति छतों के लिए संरक्षित रूफ मेम्ब्रेन असेंबली (PRMA) में आदर्श विकल्प हो सकता है, जो गीली मिट्टी और भार को सहन कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, यह हल्का, संभालने में आसान, और सामान्य बाहरी क्लैडिंग और फिनिश के साथ संगत है। यह उत्पाद न केवल पारंपरिक EPS इन्सुलेशन की तुलना में पानी के प्रति 13 गुना अधिक प्रतिरोध प्रदान करता है, बल्कि 20 वर्षों में न्यूनतम 90% R‑value भी बनाए रखता है।

पहले खंड में चर्चा किए गए हाइब्रिड ऑर्गेनिक‑इनऑर्गेनिक पेरोव्स्काइट (2D HOIP) पर शोध Owens Corning को इस क्षेत्र में अपनी नेतृत्वता को बढ़ाने के नए मार्ग प्रदान कर सकता है।

1938 में स्थापित और टोलिडो, ओहायो में स्थित Owens Corning ने 2023 में शुद्ध बिक्री $9.7 बिलियन दर्ज की।

#2. Gore

2D HOIP पर शोध पर चर्चा करते हुए, हमने देखा कि इन सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों को थर्मल इन्सुलेशन प्रदान करने की क्षमता है। मोबाइल डिवाइसों के लिए थर्मल इन्सुलेशन में विशेषज्ञता रखने वाली कंपनी Gore, इन सामग्रियों और शोध से लाभान्वित होगी।

Gore Thermal Insulation एक उन्नत थर्मल मैनेजमेंट समाधान है जिसकी चालकता हवा से भी कम है। यह डिजाइन लचीलापन बढ़ा सकता है और डिजाइनर की क्षमता को हीट को ज़‑धुरी थर्मल चालकता के बेहतर नियंत्रण के माध्यम से निर्देशित करने में मदद करता है। ज़‑धुरी पर बेहतर नियंत्रण का अर्थ है श्रेष्ठ प्रसार विकल्प जो घटकों को अधिक समय तक उच्च स्तर पर कार्य करने में मदद करते हैं, घटते फॉर्म फैक्टर को समायोजित करते हैं, और सतह तापमान आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।

अपनी परिष्कृत थर्मल इन्सुलेशन विशेषताओं के अलावा, Gore के समाधान में अन्य प्रदर्शन लाभ भी हैं, जिसमें इसे एकीकृत करना आसान होना और इंजीनियरों की टीम का समर्थन शामिल है जो प्रारंभिक डिजाइन चक्र से लेकर व्यावसायीकरण तक डिजाइन मार्गदर्शन और मॉडलिंग एकीकरण प्रदान करती है।

1959 में बिल और विवे गोरे द्वारा स्थापित और न्यूआर्क, डेलावेयर, संयुक्त राज्य में मुख्यालय स्थित Gore की वार्षिक आय US$4.8 बिलियन है।

सामग्रियों की प्रकृति और उनकी थर्मल चालकता के बीच की गतिशीलता पर आगे का शोध

इन्सुलेशन के व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएँ हैं। अंततः, हमारे दैनिक जीवन में अधिकांश स्थान और सामग्री को गर्मी से सुरक्षा की आवश्यकता होती है। यह स्वाभाविक है कि सभी प्रकार की सामग्री हर प्रकार के अनुप्रयोग परिदृश्य में फिट नहीं होती। 

थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन पर शोध और इसका सेलुलोज‑आधारित थर्मल इन्सुलेशन सामग्रियों की इनडोर वायु गुणवत्ता पर प्रभाव ने थर्मल चालकता को प्रभावित करने वाले विभिन्न कारकों की जांच की। इन कारकों में उपयोग किए गए कच्चे माल का प्रकार, निर्माण प्रक्रियाएँ, घनत्व, नमी सामग्री, और परीक्षण पर्यावरण का तापमान शामिल थे।

शोध ने कुछ सहसंबंधों को भी उजागर किया जो श्रेष्ठ और अद्वितीय इन्सुलेटिंग गुणों वाली सामग्री विकसित करने में आवश्यक होंगे। उदाहरण के लिए, शोध ने बताया कि नमी थर्मल प्रदर्शन को नकारात्मक रूप से प्रभावित करती है। इसके विपरीत, सामग्री संपीड़न के माध्यम से प्राप्त घनत्व में वृद्धि, विशेष रूप से समान रूप से वितरित वायु अंतराल वाली सामग्रियों के लिए, थर्मल चालकता को कम करने की प्रवृत्ति रखती है।

शोध ने गहराई से विशिष्ट उत्पाद संरचनाओं की सूची दी जिनकी थर्मल प्रदर्शन उनके प्राकृतिक घनत्व पर सबसे बेहतर थी। एक उत्पाद में सेलुलोज एसीटेट, बचे हुए सिगरेट फ़िल्टर, बचे हुए सिगरेट कागज, और बचे हुए एल्यूमिनियमयुक्त कागज शामिल थे। दूसरा केवल बचे हुए कागजों से बना था।

सॉर्प्शन क्षमता के मामले में, सबसे स्पष्ट सॉर्प्शन वृद्धि लकड़ी के रेशों से बनी थर्मल इन्सुलेशन सामग्री और बचे हुए कार्डबोर्ड से प्राप्त सेलुलोज से बनी सामग्री में देखी गई, जो खराब प्रसंस्करण और असमान उत्पादों के कारण थी।

शोध को उपयोगी माना गया क्योंकि इसने पुनर्नवीनीकृत कृषि‑औद्योगिक अपशिष्ट से बनी थर्मल इन्सुलेशन सामग्रियों का विश्लेषण किया। ये सामग्री, जो अक्सर निर्माण सामग्री में पाई जाती हैं, अभी भी अपर्याप्त रूप से विकसित हैं।

वर्तमान चर्चा को प्रेरित करने वाला शोध इलेक्ट्रॉनिक वस्तुओं को गर्मी से बचाने के उद्देश्य से किया गया था। इस क्षेत्र में किए गए शोध के भी उदाहरण हैं। उदाहरण के लिए, शीआन जियाओटोंग विश्वविद्यालय, शीआन, चीन की एक शोध टीम ने गहरे‑ड्रिलहोल पर्यावरण अन्वेषण में उपयोग होने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए सक्रिय थर्मल सुरक्षा पर एक प्रयोगात्मक अध्ययन किया। अगले खंड में, हम उस शोध और उसके निष्कर्षों में गहराई से जाएंगे।

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गहरे‑ड्रिलहोल‑पर्यावरण अन्वेषण में उपयोग होने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए सक्रिय थर्मल सुरक्षा

आइए शुरू करते हैं यह समझकर कि गहरा‑ड्रिलहोल‑पर्यावरण अन्वेषण क्या है। यह इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग क्षेत्रों में से एक है जहाँ उपकरणों का उपयोग शेल तेल को निकालने और दोहन करने के लिए किया जाता है। चुनौती इस तथ्य से उत्पन्न होती है कि यह उच्च तापमान और उच्च दबाव वाले क्षेत्र है। इन स्थानों में थर्मल स्थितियाँ इतनी गंभीर हो सकती हैं कि वे इलेक्ट्रॉनिक घटकों के सुरक्षित संचालन को खतरे में डाल सकती हैं। इस मामले में शोधकर्ताओं ने एक सक्रिय थर्मल‑इन्सुलेशन प्रणाली का अध्ययन किया, जिसमें एक सर्पिल एन्युलर कूलिंग प्लेट (ACP), फेज‑चेंज मैटेरियल (PCM) वाला थर्मल स्टोरेज कंटेनर, और एक एयरोजेल मैट (AM) शामिल है।

टीम ने प्रयोगात्मक रूप से ACP की संरचना, लेआउट, और कार्य‑माध्यम प्रवाह दर का हीट‑प्रोटेक्शन प्रदर्शन पर प्रभाव मापा। प्रदर्शन दो पैरामीटरों को दर्शाता है: तापमान‑नियंत्रण क्षमता और प्रणाली‑संचालन समय। 

शोध ने पाया कि एयरोजेल मैट लेयर आवश्यक थी और आंतरिक ACP केस ने बेहतर थर्मल सुरक्षा प्रदर्शन दिखाया। अध्ययन ने गहरे ड्रिलहोल पर्यावरण में उपयोग के लिए इन्सुलेशन सामग्री के साथ हाइब्रिड थर्मल सुरक्षा के लिए सर्पिल प्रवाह वाली एन्युलर कूलिंग प्लेट (ACP) का प्रस्ताव भी किया।

एक अन्य अध्ययन, जो 2022 में किया गया और जर्नल Nature में प्रकाशित हुआ, ने पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नरम, स्ट्रेचेबल थर्मल प्रोटेक्टिव सबस्ट्रेट्स की जांच की।

पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नरम, स्ट्रेचेबल थर्मल प्रोटेक्टिव सबस्ट्रेट्स

आज कई चिकित्सा अनुप्रयोग पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के प्रभावी उपयोग पर आधारित हैं। इस संदर्भ में, इन उत्पादों को सावधानीपूर्वक संभालना आवश्यक है। हालांकि, संचालन के दौरान, ये उपकरण अधिक गर्म हो सकते हैं, जिससे थर्मल असुविधा या त्वचा को नुकसान हो सकता है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने ऐसे सामग्री और संरचनाओं की खोज की जो उन्नत थर्मल सुरक्षा प्रदान कर सकें।

उन्होंने एक नरम, स्ट्रेचेबल थर्मल प्रोटेक्टिव सबस्ट्रेट की रिपोर्ट की जिसमें एक कंपोजिट डिज़ाइन है। इसमें अत्यधिक लोकप्रिय पॉलीमर सामग्री पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन शामिल है, जिसमें एम्बेडेड हीट‑अब्जॉर्बिंग माइक्रोस्फीयर हैं, जो रेजिन शेल के भीतर संलग्न फेज‑चेंज मैटेरियल्स से बने हैं।

परिणाम आशाजनक थे क्योंकि सबस्ट्रेट को 150% से अधिक जटिल विकृतियों के तहत लागू किया जा सकता था और अनुकूलन के तहत त्वचा के शिखर तापमान वृद्धि को 82% या उससे अधिक तक कम कर सकता था। 

थर्मली तनावग्रस्त Google Pixel 3XL में स्थिर‑स्थिति प्रणाली प्रदर्शन को सुधारने वाली सामग्री

Another interesting example of selecting the appropriate thermal insulating material involved the use of graphite foils with ultra‑high spreading capacity and insulation sheets with ultra‑low thermal conductivity. These were deployed on modified Google Pixel 3XL to reduce surface touch (skin) temperatures.

The deployment was carried out to minimize the impact of the device junction temperature compared to standalone insulating solutions like air or graphite while also enhancing the device’s steady‑state system performance. Four unique thermal solutions of comparable thickness (~350 µm) were fabricated for the experiment. Afterward, these solutions were subjected to thermal stress testing in the Pixel via 3DMark—Sling Shot Extreme.

The results were promising. The steady‑state touch temperatures came down by up to 3.2°C with a <1°C increase in max junction temperature (TJ) when compared with single‑component thermal solutions of graphite, insulation, and air.

शोध ने निष्कर्ष निकाला कि उच्च‑प्रदर्शन इन्सुलेशन‑ग्रेफाइट कंपोजिट मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक्स की उच्च‑शक्ति, पतली आर्किटेक्चर को सशक्त बनाने में महत्वपूर्ण उपयोगिता प्रदान कर सकते हैं। हालांकि, इष्टतम डिजाइन कॉन्फ़िगरेशन भिन्न हो सकता है, क्योंकि प्रत्येक मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम अपनी प्रणाली शक्ति और उपलब्ध स्थान की विविधता के कारण अद्वितीय थर्मल चुनौतियों का सामना कर सकता है।

समग्र रूप से, गर्मी संरक्षण एक ऐसी प्रथा है जिसमें हरे भविष्य के लिए हम जो स्थिरता मॉडल चाहते हैं, उन्हें प्राप्त करने की अपार संभावनाएँ हैं। प्रभावी इन्सुलेशन या थर्मल मैनेजमेंट पर कोई भी शोध मूलतः सामग्री पर शोध है, जिसमें उनकी अनूठी विशेषताओं की जांच और आवश्यकतानुसार उनका अनुकूलन किया जाता है। वर्तमान शोध प्रवृत्तियों से पता चलता है कि इस दिशा में पर्याप्त कार्य पहले ही किया जा रहा है। भविष्य में ये प्रयास और भी तीव्र हो जाएंगे। 

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