ट्विस्ट बकलिंग अल्ट्रा लचीले चिरल संरचनाओं को अनलॉक कर सकता है

चीन और अमेरिका के शोधकर्ताओं ने अध्ययन किया कि दबाव पड़ने पर मुड़ने वाली चिरल मेटामटेरियल संरचनाएँ लोचदार ऊर्जा कैसे संचित करके फिर लौटा सकती हैं। उन्होंने रबर और टाइटेनियम मिश्रधातु के 3D-प्रिंटेड नमूनों की अन्य जालीनुमा संरचनाओं से तुलना की। परिणाम आघात सोखने वाली संरचनाओं के डिजाइन में मदद कर सकते हैं, पर किसी तैयार चिकित्सा या औद्योगिक उत्पाद का परीक्षण नहीं हुए हैं।

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

ऐसे मेटामटेरियल की कार्यप्रणाली केवल पदार्थ पर नहीं, बल्कि उसके भीतर बनाई गई ज्यामिति पर भी निर्भर करती है। दबाव से संचित ऊर्जा वापस मिल सके तो संरचना बार-बार लगने वाले भार या आघात के लिए उपयोगी हो सकती है। प्रदर्शन सामग्री, आकार और परीक्षण की परिस्थितियों से तय होता है।
सीधी छड़ों से बने जाल और घूमने वाली छड़ों से बने जाल का व्यवहार अलग हो सकता है। लेकिन केवल हल्का होना या एक परीक्षण में अधिक भार सहना हर उपयोग में बेहतर प्रदर्शन का प्रमाण नहीं है।

अगली पीढ़ी के मेटामटेरियल्स के सामने चुनौतियां

कई जालियाँ अचानक मुड़कर टूट जाती हैं और उसके बाद अपनी मूल आकृति नहीं पातीं। इसलिए अधिकतम मजबूती के साथ-साथ बकलिंग के बाद का व्यवहार भी समझना जरूरी है।
शोधकर्ताओं ने ऐसी संरचना खोजी जो भार सहते समय ऊर्जा संचित करे और फिर भी लचीले रूप में लौट सके। इस अध्ययन का लक्ष्य नियंत्रित मोड़ और दबाव का उपयोग करना था, न कि यह सिद्ध करना कि सभी मौजूदा सामग्री अनुपयोगी हैं।

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

नेचर में प्रकाशित अध्ययन “ट्विस्ट बकलिंग के माध्यम से चिरल मेटामटेरियल्स में बड़ी पुनर्प्राप्तीय इलास्टिक ऊर्जा”¹” में स्वतंत्र रूप से घूम सकने वाली चिरल कोशिकाओं का विश्लेषण किया गया। इनमें दबाव, घुमाव और झुकना एक साथ होते हैं और ऊर्जा के भंडारण को बदलते हैं।

स्रोत – नेचर

मैकेनिकल इंजीनियरिंग में चिरल संरचनाओं को समझना

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।

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

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

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

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

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।

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

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

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

मापे गए घुमावदार बकलिंग का व्यवहार गणितीय मॉडल से काफी मेल खाता था। नेचर शोधपत्र के अनुसार, एक छड़-आधारित चिरल संरचना की बकलिंग मजबूती तुलना में प्रयुक्त कठोर प्रिज्म जाल से लगभग 7.5 गुना थी। संचित ऊर्जा के तुलनात्मक गुणक चुनी गई संदर्भ संरचना के अनुसार बहुत बदलते हैं। ये परिणाम समान सामग्री और निश्चित प्रयोगशाला परिस्थितियों वाले नमूनों के हैं, सभी वास्तविक उत्पादों के नहीं।

शोधकर्ताओं ने छड़ों के समतल के भीतर और बाहर झुकने, मुड़ने तथा संपीड़न को अलग-अलग समझा। कोई एक अनुपात सभी आकृतियों या बार-बार पड़ने वाले भार के लिए समान नहीं माना जा सकता।

ट्विस्ट बकलिंग के लाभ

नियंत्रित विकृति ऐसी संरचना का विकल्प दे सकती है जो अचानक टूट जाए। हालांकि आघात से सुरक्षा का दावा करने के लिए गतिशील भार, थकान, बड़े पुर्जों और तापमान के प्रभाव की जांच जरूरी है। यह अध्ययन किसी तैयार उत्पाद का परीक्षण नहीं था।

ट्विस्ट बकलिंग मेटामटेरियल्स के वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग

बार-बार दबने वाले यांत्रिक पुर्जे और आघात सोखने वाली संरचनाएँ संभावित उपयोग हैं। वास्तविक उपयुक्तता आवश्यक विकृति, टिकाऊपन, निर्माण लागत और सुरक्षा मानकों पर निर्भर करेगी।

चिकित्सा

लचीली संरचनाओं में चिकित्सा तकनीक की रुचि हो सकती है। लेकिन इस शोध में न तो बायोसेंसर और न ही मनुष्यों के लिए कोई चिकित्सा उपकरण परीक्षण किया गया। ऐसे उपयोग के लिए अलग से जैव-संगतता और नैदानिक अध्ययन चाहिए।

दवा पहुँचाने की अन्य प्रणालियों में चिरल आकृतियों पर शोध हुआ है, पर इस बकलिंग अध्ययन ने किसी दवा वितरण प्रणाली का परीक्षण नहीं किया। इसे गुर्दे या यकृत के उपचार में सिद्ध उपलब्धि कहना गलत होगा।

औद्योगिक

उद्योग आघात अवशोषण और बार-बार लगने वाले भार के लिए ऐसी ज्यामिति की जांच कर सकता है। चिरालिटी अन्य नैनो तकनीकों में भी मिलती है, लेकिन इससे यह साबित नहीं होता कि यहां के नमूने सीधे उत्प्रेरक या नैनोट्यूब का काम करेंगे।

मेटामटेरियल्स का भविष्य: ट्विस्ट बकलिंग के बाद क्या आएगा?

इस शोध में कई संस्थानों के वैज्ञानिक शामिल थे, जिनमें शिन फांग, दियानलोंग यू, जिहोंग वेन, यीफान दाई, मैथ्यू आर. बेगली, हुआजियान गाओ और पीटर गुंब्श शामिल हैं। अध्ययन में मॉडलिंग, नमूनों का निर्माण और दबाव परीक्षण जोड़े गए।

ट्विस्ट बकलिंग भविष्य

आगे अन्य सामग्री, आकृतियाँ, बार-बार पड़ने वाला भार और बड़े पैमाने पर उत्पादन जांचे जा सकते हैं। अभी यह नहीं पता कि वही गुण औद्योगिक स्तर पर उचित लागत में मिल पाएंगे या नहीं।

नैनोटेक सेक्टर में निवेश

अनेक कंपनियाँ उन्नत सामग्री पर काम करती हैं, लेकिन यह शोध किसी खास सूचीबद्ध कंपनी द्वारा इसके व्यावसायिक उपयोग या आय का प्रमाण नहीं है। नीचे दिया गया कंपनी परिचय एक अलग उद्योग उदाहरण 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.

IBM कंप्यूटिंग और उद्योग से जुड़े अनेक क्षेत्रों में शोध करती है। इस अध्ययन की चिरल जाली IBM ने विकसित नहीं की थी और परिणाम से कंपनी को किसी निश्चित व्यावसायिक लाभ का प्रमाण नहीं मिलता।

IBM के पास कई तकनीकी क्षेत्रों में पेटेंट और शोध कार्यक्रम हैं। फिर भी इस बकलिंग अध्ययन से कंपनी की आय या शेयर मूल्य का अनुमान नहीं लगाया जा सकता; निवेश के लिए स्वतंत्र वित्तीय जांच जरूरी है।

IBM पर नवीनतम

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

अध्ययन ने दिखाया कि 3D-प्रिंटेड चिरल संरचना की डिजाइन से लौट सकने वाली लोचदार ऊर्जा बढ़ाई जा सकती है। वास्तविक उपयोग के लिए बार-बार परीक्षण, बड़े आकार, समान निर्माण गुणवत्ता, लागत और सुरक्षा की अलग जांच आवश्यक है। मूल शोधपत्र नीचे दिया गया है।
संबंधित नैनो तकनीक शोध के बारे में और पढ़ें यहाँ.

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}