High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

ध्वनि पानी के माध्यम से उस तरह से यात्रा करती है जो ठोस पदार्थों के माध्यम से होने वाली गति से भिन्न होती है। पानी जैसे तरल में, पदार्थ दबने (squeezed) का विरोध करता है लेकिन फिसलने या बगल में खिसकने (sheared/slid) के प्रति लगभग कोई प्रतिरोध नहीं दिखाता है; यह आसानी से बहता है। एक ठोस धातु में, पदार्थ इन दोनों का विरोध करता है। दशकों से, वैज्ञानिक ऐसी कृत्रिम संरचनाएं बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो तरल पदार्थों के व्यवहार की नकल करती हों लेकिन ठोस पदार्थों से बनी हों। ये संरचनाएं, जिन्हें मेटामटेरियल्स (metamaterials) के रूप में जाना जाता है, सूक्ष्म, दोहराते हुए पैटर्न के साथ इंजीनियर की जाती हैं जो उन्हें वे गुण प्रदान करते हैं जो प्रकृति में नहीं पाए जाते। लक्ष्य लंबे समय से एक ऐसा ठोस बनाना रहा है जो पानी की तरह व्यवहार करे जब ध्वनि तरंगें इसके माध्यम से गुजरें—एक ऐसा पदार्थ जो अपना आकार बनाए रखने के लिए पर्याप्त सख्त हो, लेकिन ध्वनि को अपने भीतर तरल की तरह बहने देने के लिए पर्याप्त कोमल हो। यह विशेष रूप से पानी के नीचे की तकनीक के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ संचार और नेविगेशन के लिए ध्वनि को नियंत्रित करना आवश्यक है।

चुनौती एक भौतिक विरोधाभास में निहित है। पानी की तरह व्यवहार करने के लिए, एक पदार्थ को दबाने के प्रति बहुत कठिन (उच्च बल्क मॉड्यूलस) होना चाहिए लेकिन फिसलने के प्रति बहुत आसान (कम शियर मॉड्यूलस) होना चाहिए। पानी की नकल करने वाले अधिकांश मौजूदा ठोस डिजाइन इसलिए विफल हो जाते हैं क्योंकि वे या तो उपयोगी होने के लिए बहुत नरम होते हैं या ध्वनि को सही ढंग से गुजरने देने के लिए बहुत सख्त होते हैं। वे अक्सर वास्तविक पानी के ध्वनिक गुणों से काफी पीछे रह जाते हैं, जिससे वे वास्तविक चीज़ के खराब विकल्प बन जाते हैं। शोधकर्ता इस समस्या पर वर्षों से काम कर रहे हैं, इन सामग्रियों के सूक्ष्म निर्माण खंडों (building blocks) के लिए एक ज्यामितीय आकार खोजने की कोशिश कर रहे हैं जो इस संतुलन को हल कर सके।

पॉलिटेक्निको डि मिलानो के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक समाधान प्रस्तावित किया है जिसे वे एक ऐसा समाधान बताते हैं जो पहला मेटामटेरियल है जो पूरी तरह से "3D मेटल वॉटर" (3D धातु जल) नाम का हकदार है। उन्होंने धातु से बनी एक त्रि-आयामी संरचना डिजाइन की है जो कम आवृत्ति (low frequency) के क्षेत्र में, ध्वनिक रूप से पानी से अभिन्न व्यवहार करती है। उनकी सफलता की कुंजी यह महसूस करना था कि इन सामग्रियों को बनाने के लिए पहले उपयोग किए जाने वाले आकार मौलिक रूप से सीमित थे। वर्षों तक, मानक डिजाइन उन कड़ियों (links) पर निर्भर था जिनका आकार 'डबल कोन' (दो शंकु जो उनके संकीर्ण सिरों पर जुड़े होते हैं) जैसा था। जबकि ये आकार दो-आयामी मॉडलों में अच्छी तरह काम करते थे, शोधकर्ताओं ने पाया कि तीन आयामों में, वे अत्यधिक भारी या कठोर हुए बिना आवश्यक कठोरता प्राप्त नहीं कर सकते थे। सामग्री को लचीला बनाने के लिए आवश्यक पतले सिरे इसे संपीड़न (compression) का विरोध करने के लिए बहुत कमजोर बना देते थे, जिससे यह घनत्व और पानी की ध्वनि गति से मेल खाने में विफल रहता था।

इसे दूर करने के लिए, टीम ने 'डबल-कोन' आकार को त्याग दिया और एक अलग प्रकार के यांत्रिक व्यवहार की ओर देखा: जिस तरह से रस्सियाँ काम करती हैं। उन्होंने एक नया डिजाइन प्रस्तावित किया जहाँ संरचना में जोड़ने वाली कड़ियाँ एकल ठोस छड़ें नहीं, बल्कि कई पतले, समानांतर रेशों (fibers) के बंडल हैं। एक रस्सी में, व्यक्तिगत रेशे मुड़ने पर एक-दूसरे के ऊपर फिसल सकते हैं, जो पूरे बंडल को झुकने वाले बलों के प्रति बहुत लचीला बनाता है। हालाँकि, जब रस्सी को सीधा खींचा जाता है, तो सभी रेशे खींचने का विरोध करने के लिए मिलकर काम करते हैं, जिससे यह बहुत मजबूत हो जाती है। इस सिद्धांत को अपने धातु के जालीदार ढांचे (metal lattice) पर लागू करके, शोधकर्ताओं ने ऐसी कड़ियाँ बनाईं जो संपीड़न के विरुद्ध अविश्वसनीय रूप से सख्त हैं लेकिन बगल में फिसलने के लिए लगभग पूरी तरह स्वतंत्र हैं। यह विशिष्ट संयोजन उन्हें पानी से मेल खाने के लिए आवश्यक उच्च संपीड़न प्रतिरोध बनाए रखने की अनुमति देता है, जबकि फिसलने के प्रतिरोध को इतना कम रखता है कि पदार्थ एक तरल की तरह व्यवहार करता है।

शोधकर्ताओं ने अपने इस नए डिजाइन का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि यह पिछले प्रयासों की तुलना में दो गुना अधिक बल्क मॉड्यूलस प्राप्त कर सकता है, जिससे अंततः कम आवृत्ति के क्षेत्र में वास्तविक पानी के स्तर तक पहुँच गया। उन्होंने यह भी पाया कि यह संरचना कुछ प्रकार के कंपनों को संभालने के तरीके में एक विशिष्ट अंतराल (gap) बनाती है, जो प्रभावी रूप से शियर तरंगों (shear waves) को रोकती है जबकि दबाव तरंगों (pressure waves) को गुजरने देती है। इसका अर्थ है कि ध्वनि उनके धातु ढांचे के माध्यम से ठीक वैसे ही यात्रा करती है जैसे पानी के माध्यम से करती है, बिना उन अवांछित विकृतियों के जो आमतौर पर ठोस पदार्थों में होती हैं। हालांकि यह डिजाइन वर्तमान में एक सैद्धांतिक मॉडल और एक कंप्यूटर सिमुलेशन है, परिणाम सुझाव देते हैं कि वास्तव में एक ठोस बनाना संभव है जो तरल की तरह कार्य करता है। यह सफलता उन्नत ध्वनिक उपकरणों, जैसे लेंस या क्लोकिंग डिवाइस (cloaks) के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करती है, जो ध्वनि तरंगों को तीन आयामों में उस सटीकता के साथ नियंत्रित कर सकते हैं जो पहले असंभव थी।