ट्विस्ट बकलिंग अल्ट्रा लचीले चिरल संरचनाओं को अनलॉक कर सकता है

A team of researchers from China and the US has introduced a new method to improve the performance of high-enthalpy elastic materials utilizing a technique called twist buckling. The new design could allow for the creation of lighter and more capable metamaterials. Here’s what you need to know.

उच्च-एन्थैल्पी इलास्टिक मेटामटेरियल्स क्या हैं और वे क्यों महत्वपूर्ण हैं

High-enthalpy elastic metamaterials इंजीनियरों को शॉक को अवशोषित करने, भार वहन क्षमता को सुधारने और यांत्रिक ऊर्जा संग्रहीत करने के महत्वपूर्ण साधन हैं। ये सामग्री आज के हाई-टेक उपकरणों में एक आवश्यक घटक हैं।
One common example of this concept would be visualizing a structure made of straight rods. Now, visualize the same structure with the rods twisted slightly. The slight twist provides the rods with more impact resistance and load capacity. As such, high-enthalpy elastic materials offer impact resistance and motion agility from a lightweight structure that can be customized for a wide array of applications.

अगली पीढ़ी के मेटामटेरियल्स के सामने चुनौतियां

There are several problems with high-enthalpy elastic metamaterials at the moment that must be addressed to improve their adoption. For one, they require engineers to build structures that have opposing properties.
These materials need to be able to handle stress, but remain stiff in certain positions. They need to be strong, but soft enough to absorb impact without damage. Additionally, these structures can be designed on the nanoscale, adding to their complexity. Thankfully, a team of Chinese and American engineers has introduced a novel method to create ultra-performance chiral structures using a concept called twist buckling.

ट्विस्ट बकलिंग का परिचय: मेटामटेरियल डिज़ाइन में एक गेम-चेंजर

The study titled “ट्विस्ट बकलिंग के माध्यम से चिरल मेटामटेरियल्स में बड़ी पुनर्प्राप्तीय इलास्टिक ऊर्जा”¹ यह स्पष्ट करता है कि कैसे मुक्त रूप से घुमाने योग्य चिरल मेटासेल्स के माध्यम से उच्च-एन्थैल्पी इलास्टिक मेटामटेरियल्स बनाए जा सकते हैं। ये सेल्स चिरल संरचनाओं का उपयोग करते हैं जो मोड़, संपीड़न और मोड़ को सम्मिलित करके प्रभाव प्रतिरोध और लचीलापन का नया स्तर सक्षम करती हैं।

स्रोत – नेचर

मैकेनिकल इंजीनियरिंग में चिरल संरचनाओं को समझना

Engineers noted that chiral structures were the ideal location to start their enhancements. The term chirality refers to objects that can’t be superimposed onto their mirror image. The easiest way to visualize this concept is to think of your hand. While your hand will reflect in the mirror, it can’t be rotated in any way that can make the reflection match its image.
इंजीनियरों ने नोट किया कि चिरल संरचनाएँ उनके सुधारों की शुरुआत के लिए आदर्श स्थान थीं। चिरालिटी शब्द उन वस्तुओं को दर्शाता है जिन्हें उनके प्रतिबिंबित छवि पर सुपरइम्पोज़ नहीं किया जा सकता। इस अवधारणा को समझने का सबसे आसान तरीका है अपने हाथ की कल्पना करना। जबकि आपका हाथ दर्पण में प्रतिबिंबित होता है, इसे किसी भी तरह घुमाया नहीं जा सकता जिससे प्रतिबिंब उसकी छवि से मेल खा सके।
There are several types of chiral structures in use today, including chiral molecules, Stereogenic Centers, Axial Chirality, and Planar Chirality. Each of these chiral structures can’t be superimposed on its mirror image due to its geometry or axis. Notably, Chiral structures offer some unique advantages, such as the ability to have a normal and deformation mode.
आज उपयोग में कई प्रकार की चिरल संरचनाएँ हैं, जिनमें चिरल अणु, स्टेरेजेनिक सेंटर्स, अक्षीय चिरालिटी, और समतलीय चिरालिटी शामिल हैं। इन प्रत्येक चिरल संरचनाओं को उनकी ज्यामिति या अक्ष के कारण उनके प्रतिबिंबित छवि पर सुपरइम्पोज़ नहीं किया जा सकता। विशेष रूप से, चिरल संरचनाएँ कुछ अनोखे लाभ प्रदान करती हैं, जैसे सामान्य और विकृति मोड दोनों का होना।

ट्विस्ट बकलिंग ऊर्जा भंडारण और लचीलापन को कैसे बढ़ाता है

In a deformational mode, chiral structures can store lots of energy while maintaining their structural integrity. Part of the way scientists improve the performance of the deformation mode is through tensional buckling deformation strategies.
विकृति मोड में, चिरल संरचनाएँ बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं जबकि अपनी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखती हैं। वैज्ञानिकों द्वारा विकृति मोड के प्रदर्शन को सुधारने का एक तरीका टेंशनल बकलिंग विकृति रणनीतियों के माध्यम से है।

टॉर्शनल बकलिंग विकृति

Years of research have led engineers to learn that by coupling axial deformation and twisting, they can improve their chiral structures’ capabilities. Interestingly, the engineers utilize the chiral structure itself to trigger the deformation.
सालों के शोध ने इंजीनियरों को यह सीखाया है कि अक्षीय विकृति और मोड़ को जोड़कर वे अपनी चिरल संरचनाओं की क्षमताओं को सुधार सकते हैं। रोचक बात यह है कि इंजीनियर चिरल संरचना स्वयं का उपयोग करके विकृति को ट्रिगर करते हैं।

ट्विस्ट बकलिंग

Now, the concept has been taken even further with the introduction of twist buckling. This structure utilizes mirror-symmetric metacells. These structures have chiral arms that integrate dual coaxial tori at a distance. These units have rods extending from the chiral structure that ensure it rotates at the proper angle when pressure is applied.
अब, इस अवधारणा को ट्विस्ट बकलिंग के परिचय के साथ और आगे बढ़ाया गया है। यह संरचना मिरर-सिमेट्रिक मेटासेल्स का उपयोग करती है। इन संरचनाओं में चिरल भुजाएँ होती हैं जो दूरी पर दोहरी कोएक्सियल टोरी को एकीकृत करती हैं। इन इकाइयों में छड़ें होती हैं जो चिरल संरचना से निकलती हैं और दबाव लागू होने पर इसे उचित कोण पर घुमाने को सुनिश्चित करती हैं।

ट्विस्ट बकलिंग के बाद का व्यवहार

As part of the research, engineers created several chiral structures and then studied their post-buckling behavior. This step allows them to make some critical distinctions. For one, they were able to fully capture the four deformation modes in each rod. These modes are in-plane bending, out-of-plane bending, twisting, and compression.
शोध के हिस्से के रूप में, इंजीनियरों ने कई चिरल संरचनाएँ बनाई और फिर उनके बकलिंग-के-बाद के व्यवहार का अध्ययन किया। यह चरण उन्हें कुछ महत्वपूर्ण अंतर करने की अनुमति देता है। सबसे पहले, वे प्रत्येक छड़ में चार विकृति मोड को पूरी तरह से कैप्चर करने में सक्षम थे। ये मोड हैं इन-प्लेन बेंडिंग, आउट-ऑफ-प्लेन बेंडिंग, ट्विस्टिंग, और संपीड़न।
They noticed that many chiral designs, the internal core remains vacant as the structure becomes more tightly packed. They also discovered that the chiral rod’s failure point is commonly at the twisted ribbon region on the rod surface. They then registered this data and incorporated it into their micropolar elasticity framework.
उन्होंने देखा कि कई चिरल डिज़ाइनों में, संरचना के अधिक कसकर पैक होने पर भी आंतरिक कोर खाली रहता है। उन्होंने यह भी खोजा कि चिरल छड़ का विफलता बिंदु आमतौर पर छड़ की सतह पर मोड़ी हुई रिबन क्षेत्र में होता है। उन्होंने इस डेटा को दर्ज किया और इसे अपने माइक्रोपोलर इलास्टिसिटी फ्रेमवर्क में शामिल किया।

हमेशा बेहतर नहीं

The engineers also noted that traditional rods could store more energy if they were utilized to the point prior to failure, when compared to the twisted rod design. However, when they fail, the twisted rods are able to continue without imperfections, avoiding catastrophic failure.
इंजीनियरों ने यह भी नोट किया कि पारंपरिक छड़ें विफलता से पहले के बिंदु तक उपयोग किए जाने पर अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकती थीं, जबकि मोड़ी हुई छड़ डिज़ाइन की तुलना में। हालांकि, जब वे विफल हो जाती हैं, तो मोड़ी हुई छड़ें बिना खामियों के जारी रह सकती हैं, जिससे विनाशकारी विफलता से बचा जा सकता है।

प्रायोगिक प्रमाण: 3डी-प्रिंटेड चिरल संरचनाएँ क्रांतिकारी परिणाम देती हैं

To test their theory, the engineers created several different chiral structures. They utilize 3D printers to trial multiple rods, beams, and plate-based specimens. These options were created using either rubber or TC4 titanium alloy.
अपने सिद्धांत का परीक्षण करने के लिए, इंजीनियरों ने कई विभिन्न चिरल संरचनाएँ बनाई। उन्होंने कई छड़ें, बीम, और प्लेट-आधारित नमूनों को आज़माने के लिए 3डी प्रिंटरों का उपयोग किया। इन विकल्पों को रबर या TC4 टाइटेनियम मिश्रधातु का उपयोग करके बनाया गया था।

ट्विस्ट बकलिंग परीक्षण परिणाम

Keenly, the test results demonstrate that chiral twist buckling actions matched the scientists’ analytical predictions. Additionally, the team reported massive performance improvements. Specifically, non-optimized chiral metamaterials improved buckling strength by 5–10 times, enthalpy by a max of 160 times, and increased energy per mass by up to 32 times.
ध्यानपूर्वक, परीक्षण परिणाम दर्शाते हैं कि चिरल ट्विस्ट बकलिंग क्रियाएँ वैज्ञानिकों की विश्लेषणात्मक भविष्यवाणियों से मेल खाती हैं। इसके अतिरिक्त, टीम ने बड़े प्रदर्शन सुधारों की रिपोर्ट की। विशेष रूप से, गैर-ऑप्टिमाइज़्ड चिरल मेटामटेरियल्स ने बकलिंग शक्ति में 5–10 गुना, एन्थैल्पी में अधिकतम 160 गुना, और प्रति द्रव्यमान ऊर्जा में 32 गुना तक वृद्धि की।
Interestingly, the engineers noted that both in-plane and out-of-plane bending follow the 1/2-order buckling mode set out by the team. Also, the chiral rods can store up to 4 times the energy of nonchiral options.
रोचक बात यह है कि इंजीनियरों ने नोट किया कि इन-प्लेन और आउट-ऑफ-प्लेन बेंडिंग दोनों टीम द्वारा निर्धारित 1/2-ऑर्डर बकलिंग मोड का पालन करती हैं। साथ ही, चिरल छड़ें गैर-चिरल विकल्पों की तुलना में 4 गुना अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं।

ट्विस्ट बकलिंग के लाभ

There are many benefits that the twist buckling study brings to the market. For one, it improves the performance of chiral structures, which are an ideal component of next-generation metamaterials and advanced manufacturing methods. The new design offers engineers a way to incorporate failure into their designs. Imagine a device that would buckle smoothly with increasing load, versus snapping or suddenly bending. These devices could help prevent catastrophic failure while offering the ability to be made at a nanoscale.
ट्विस्ट बकलिंग अध्ययन बाजार में कई लाभ लाता है। सबसे पहले, यह चिरल संरचनाओं के प्रदर्शन को सुधारता है, जो अगली पीढ़ी के मेटामटेरियल्स और उन्नत निर्माण विधियों का आदर्श घटक हैं। नया डिज़ाइन इंजीनियरों को उनके डिज़ाइनों में विफलता को शामिल करने का तरीका प्रदान करता है। कल्पना करें एक उपकरण जो बढ़ते भार के साथ सुगमता से बकल हो, बजाय टूटने या अचानक मोड़ने के। ये उपकरण विनाशकारी विफलता को रोकने में मदद कर सकते हैं जबकि नैनोस्केल पर निर्मित होने की क्षमता प्रदान करते हैं।

ट्विस्ट बकलिंग मेटामटेरियल्स के वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग

There are many applications for these advanced twist buckling chiral structures. They offer more resilience and can protect against unwanted pressure while threatening their deformed structure and energy. As such, multiple industries rely on these units. Here are some of the applications for chiral structures today.
इन उन्नत ट्विस्ट बकलिंग चिरल संरचनाओं के कई अनुप्रयोग हैं। वे अधिक लचीलापन प्रदान करती हैं और अनचाहे दबाव से संरचना और ऊर्जा को नुकसान पहुंचाए बिना बचा सकती हैं। इस प्रकार, कई उद्योग इन इकाइयों पर निर्भर हैं। यहाँ आज के चिरल संरचनाओं के कुछ अनुप्रयोग दिए गए हैं।

चिकित्सा

The medical field will utilize this technology to improve multiple aspects of the market. These structures can be utilized to make sensitive biosensors. These sensors can alert health care professionals to ailments and other issues long before other methods.
चिकित्सा क्षेत्र इस तकनीक का उपयोग बाजार के कई पहलुओं को सुधारने के लिए करेगा। इन संरचनाओं का उपयोग संवेदनशील बायोसेंसर बनाने में किया जा सकता है। ये सेंसर स्वास्थ्य पेशेवरों को बीमारियों और अन्य समस्याओं के बारे में अन्य तरीकों से बहुत पहले सतर्क कर सकते हैं।
Another use for chiral structures is in drug delivery. Researchers have created chiral structures that can target certain types of cells. These units enable healthcare professionals to improve treatments in hard-to-access areas like the kidney or liver, which are constantly flushing their contents.
चिरल संरचनाओं का एक और उपयोग दवा वितरण में है। शोधकर्ताओं ने ऐसी चिरल संरचनाएँ बनाई हैं जो कुछ प्रकार की कोशिकाओं को लक्षित कर सकती हैं। ये इकाइयाँ स्वास्थ्य पेशेवरों को किडनी या लिवर जैसे कठिन-प्राप्य क्षेत्रों में उपचार को सुधारने में सक्षम बनाती हैं, जहाँ सामग्री लगातार बहती रहती है।

औद्योगिक

There are several industrial uses for chiral structures. For one, they have been used as catalysts to help boost chemical reactions. Chiral structures are also a critical component of nanotechnology. Nanotubes rely on chiral structures to ensure their stiffness at such a tiny scale.
चिरल संरचनाओं के कई औद्योगिक उपयोग हैं। सबसे पहले, उनका उपयोग रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बढ़ाने के लिए उत्प्रेरक के रूप में किया गया है। चिरल संरचनाएँ नैनोटेक्नोलॉजी का भी एक महत्वपूर्ण घटक हैं। नैनोट्यूब्स अपनी कठोरता को इस छोटे पैमाने पर सुनिश्चित करने के लिए चिरल संरचनाओं पर निर्भर होते हैं।

मेटामटेरियल्स का भविष्य: ट्विस्ट बकलिंग के बाद क्या आएगा?

A team of researchers from multiple high-level institutions contributed to this study, including the National Key Laboratory of Equipment State Sensing and Smart Support, College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha, China. Specifically, the report lists Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen & Yifan Dai as the main authors with support from Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao, and Peter Gumbsch.
कई उच्च-स्तरीय संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अध्ययन में योगदान दिया, जिसमें नेशनल की लैबोरेटरी ऑफ इक्विपमेंट स्टेट सेंसिंग एंड स्मार्ट सपोर्ट, कॉलेज ऑफ इंटेलिजेंट साइंस एंड टेक्नोलॉजी, नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ डिफेंस टेक्नोलॉजी, चांगशा, चीन शामिल हैं। विशेष रूप से, रिपोर्ट में मुख्य लेखकों के रूप में शिन फांग, डायनलोंग यू, जिहॉन्ग वेन और यिफान दाई का उल्लेख है, साथ ही यिफान दाई, मैथ्यू आर. बेगली, हुआजियन गाओ, और पीटर गंबश का समर्थन है।

ट्विस्ट बकलिंग भविष्य

The engineers will now seek to deepen their understanding of chiral structures and twist buckling. They will integrate new materials and utilize computer simulations to test other methods and approaches. The goal is to create ultra-performance chiral structure at the same or lower cost than today’s options.
इंजीनियर अब चिरल संरचनाओं और ट्विस्ट बकलिंग की अपनी समझ को गहरा करने का प्रयास करेंगे। वे नई सामग्रियों को एकीकृत करेंगे और कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके अन्य विधियों और दृष्टिकोणों का परीक्षण करेंगे। लक्ष्य आज के विकल्पों की समान या कम लागत पर अल्ट्रा-प्रदर्शन चिरल संरचना बनाना है।

नैनोटेक सेक्टर में निवेश

There are a lot of companies involved in the nanotechnology sector. This hi-tech market is seen as the future of many of the most advanced industries in the world. As such, billions of dollars continue to go into R&D and manufacturing. Here is one company that has remained at the forefront of the nanotech movement.
नैनोटेक्नोलॉजी सेक्टर में कई कंपनियाँ शामिल हैं। यह हाई-टेक बाजार दुनिया के सबसे उन्नत उद्योगों के भविष्य के रूप में देखा जाता है। इस प्रकार, अरबों डॉलर अनुसंधान एवं विकास और निर्माण में लगातार निवेशित होते रहते हैं। यहाँ एक कंपनी है जो नैनोटेक आंदोलन के अग्रभाग में बनी हुई है।

IBM

IBM (IBM ) ने 1911 में कंप्यूटिंग-टैब्यूलेटिंग-रिकॉर्डिंग कंपनी (CTR) के रूप में बाजार में प्रवेश किया। कंपनी ने 1924 में अपना नाम अंतर्राष्ट्रीय बिजनेस मशीन (IBM) बदल दिया ताकि उस समय की बढ़ती तकनीक को दर्शाया जा सके। अपनी शुरुआत के बाद से, IBM विश्व स्तर पर सबसे पहचान योग्य कंपनियों में से एक बन गई है.

This massive conglomerate has been behind some of the largest innovations in recent times. It’s based in New York and has operations in 170 countries. Notably, IBM has divisions that cover infrastructure services, software, IT services, and hardware.

यह विशाल समूह हाल के समय में कुछ सबसे बड़े नवाचारों के पीछे रहा है। इसका मुख्यालय न्यूयॉर्क में है और यह 170 देशों में संचालन करता है। विशेष रूप से, IBM के पास इन्फ्रास्ट्रक्चर सेवाओं, सॉफ़्टवेयर, आईटी सेवाओं और हार्डवेयर को कवर करने वाले विभाग हैं।

IBM remains a pioneer in the biotech sector. It has put forth several patents and continues to seek out ways to integrate the tech into their products. Those looking for a proven and long-time innovator in the nanotech sector should do more research into IBM.
IBM बायोटेक सेक्टर में एक अग्रणी बना हुआ है। इसने कई पेटेंट प्रस्तुत किए हैं और अपने उत्पादों में तकनीक को एकीकृत करने के तरीकों की खोज जारी रखी है। जो लोग नैनोटेक सेक्टर में एक सिद्ध और दीर्घकालिक नवप्रवर्तक की तलाश में हैं, उन्हें IBM के बारे में अधिक शोध करना चाहिए।

IBM पर नवीनतम

चिरल ट्विस्ट बकलिंग: एक मजबूत, स्मार्ट सामग्री युग की शुरुआत

The average person may never understand how important chiral structures are to today’s world. However, it must be noted that the engineers in this study have opened the door for additional adoption and innovations. Their hard work has led to several revelations that are sure to help make the most of this technology.
औसत व्यक्ति शायद कभी नहीं समझ पाएगा कि आज की दुनिया में चिरल संरचनाएँ कितनी महत्वपूर्ण हैं। हालांकि, यह उल्लेखनीय है कि इस अध्ययन के इंजीनियरों ने अतिरिक्त अपनाने और नवाचारों के लिए द्वार खोल दिया है। उनके कठिन परिश्रम ने कई खुलासे किए हैं जो इस तकनीक का अधिकतम उपयोग करने में मदद करेंगे।
Learn about other cool nanotech अब.

संदर्भित अध्ययन:

^{1. Fang, X., Yu, D., Wen, J., Dai, Y., Begley, M. R., Gao, H., & Gumbsch, P. (2025). ट्विस्ट बकलिंग के माध्यम से चिरल मेटामटेरियल्स में बड़ी पुनर्प्राप्तीय इलास्टिक ऊर्जा. Nature, 639, 639–645. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z}