Enhanced reversible barocaloric effect at low pressure in neopentyl plastic crystal solid solutions
पेंटाग्लिसरीन को नियोपेंटिल ग्लाइकोल के साथ मिलाने और मिश्रण को पेंटाएरिथ्रिटोल के साथ डोपिंग करने के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने कम दबाव पर प्रतिवर्ती एंट्रॉपी परिवर्तन में सात गुना वृद्धि और परिचालन तापमान विस्तार में बीस गुना विस्तार प्राप्त किया, जो यह प्रदर्शित करता है कि बहु-घटक आणविक मिश्रण ठोस-अवस्था रेफ्रिजरेंट के रूप में प्लास्टिक क्रिस्टल को अनुकूलित करने के लिए एक प्रभावी रणनीति है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसा रेफ्रिजरेटर बनाना चाहते हैं जो हानिकारक गैसों (जैसे वे जो ओजोन परत को नुकसान पहुँचाती हैं) का उपयोग नहीं करता है और न ही शोर करने वाले, ऊर्जा की खपत करने वाले कंप्रेसर पर निर्भर करता है। इसके बजाय, आप एक ठोस सामग्री का उपयोग करना चाहते हैं जो दबने (squeeze) पर ठंडी हो जाती है और दबाव छोड़ने पर गर्म हो जाती है। इसे बैरोकैलोरिक प्रभाव (barocaloric effect) कहा जाता है।
यह एक स्पंज की तरह है: जब आप एक गीले स्पंज को दबाते हैं, तो पानी बाहर निकल आता है (ऊष्मा बाहर निकल जाती है, यह ठंडा हो जाता है)। जब आप उसे छोड़ देते हैं, तो वह पानी सोख लेता है (ऊष्मा अंदर आती है, यह गर्म हो जाता है)। वैज्ञानिकों ने पाया है कि कुछ "जादुई स्पंज" (प्लास्टिक क्रिस्टल) इस काम को अविश्वसनीय रूप से अच्छी तरह से करते हैं, लेकिन उनमें एक बड़ी खामी है: वे जिद्दी हैं।
समस्या: "चिपचिपा" स्पंज
इस कहानी का मुख्य पात्र नियोपेंटिल ग्लाइकोल (NPG) नामक एक सामग्री है। यह एक शानदार स्पंज है जो चीजों को बहुत अधिक ठंडा कर सकता है। लेकिन इसका व्यक्तित्व में एक समस्या है:
- यह हिस्टेरेटिक (Hysteretic) है: जब आप इसे ठंडा करने के लिए दबाते हैं, तो यह तब तक वापस गर्म होने से इनकार करता है जब तक कि आप दबाव हटा न दें और लंबे समय तक प्रतीक्षा न करें। यह एक ऐसे दरवाजे की तरह है जो अटक जाता है; आपको इसे खोलने के लिए बहुत जोर से धक्का देना पड़ता है, और यह आसानी से बंद भी नहीं होता।
- इसे उच्च दबाव की आवश्यकता है: इसे सुचारू रूप से चलाने के लिए, आपको इसे गहरे समुद्र में गोताखोर की तरह अत्यधिक बल के साथ दबाना होगा, जो एक घरेलू फ्रिज के लिए बहुत अधिक है।
- यह बहुत गर्म है: यह उन तापमानों पर सबसे अच्छा काम करता है जो आपके भोजन को ठंडा रखने के लिए बहुत अधिक गर्म हैं।
वैज्ञानिकों ने तापमान को कम करने के लिए NPG को उसके एक संबंधी पदार्थ पेंटाग्लिसरीन (PG) के साथ मिलाने की कोशिश की। इसने तापमान पर तो काम किया, लेकिन सामग्री और भी अधिक जिद्दी हो गई। यह कम दबाव पर विश्वसनीय रूप से स्विच (बदल) नहीं हो पा रही थी।
समाधान: "विक्षेपण" अणु (The "Distractor" Molecule)
शोधकर्ताओं को एक शानदार विचार आया। उन्होंने महसूस किया कि यह "चिपचिपाहट" आणविक पकड़ (हाइड्रोजन बॉन्ड) के एक तंग नेटवर्क के कारण आती है जिसे तोड़ना और फिर से बनाना कठिन होता है।
उन्होंने तय किया कि वे इसमें तीसरे घटक, पेंटाएरिथ्रिटोल (PE) की बस एक चुटकी (2%) मात्रा मिलाएंगे।
NPG और PG अणुओं को एक समूह के नर्तकों के रूप में सोचें जो हाथ पकड़कर एक तंग घेरे में घूम रहे हैं, और घूमने की कोशिश कर रहे हैं। वे इतने समन्वित हैं कि वे एक कठोर संरचना में फंस जाते हैं।
- NPG/PG मिश्रण: नर्तक अभी भी हाथ बहुत कसकर पकड़े हुए हैं। वे आसानी से अपनी संरचना बदलने के लिए हाथ नहीं छोड़ सकते।
- PE का समावेश: PE अणु एक अलग नर्तक की तरह है जो घेरे में शामिल होता है। इसके पास पकड़ने के लिए अलग संख्या में हाथ (हाइड्रॉक्सिल समूह) हैं। यह पैटर्न में पूरी तरह फिट नहीं बैठता है।
यह छोटा सा घुसपैठिया डांस फ्लोर को बाधित (disrupt) कर देता है। यह पूर्ण, कठोर पकड़ वाले नेटवर्क को तोड़ देता है। अब, नर्तक आसानी से हाथ छोड़ सकते हैं और अपनी संरचना बदल सकते हैं। वे फंसते नहीं हैं।
परिणाम: एक सुपर-परफॉर्मिंग फ्रिज सामग्री
इस "विक्षेपण" को जोड़कर, वैज्ञानिकों ने तीन अद्भुत चीजें हासिल कीं:
- यह कम दबाव पर काम करता है: सामग्री अब एक हल्के दबाव (1,000 बार) के साथ सुचारू रूप से आगे-पीछे बदलती है, जो वास्तविक दुनिया के उपकरणों के लिए अधिक व्यावहारिक है।
- यह प्रतिवर्ती (Reversible) है: "दरवाजा" अब अटकता नहीं है। आप ठंडा करने के लिए इसे दबा सकते हैं और गर्म होने के लिए इसे छोड़ सकते हैं, जिससे चिपचिपाहट से लड़ने में लगभग कोई ऊर्जा बर्बाद नहीं होती है।
- यह 70 गुना बेहतर है: क्योंकि यह इतनी आसानी से बदलता है, इसलिए इसकी शीतलन क्षमता (refrigeration capacity) शुद्ध NPG सामग्री की तुलना में 70 गुना बढ़ गई है (उसी स्थिति के तहत)।
उन्हें कैसे पता चला कि यह काम कर रहा है
टीम ने यह देखने के लिए कुछ उच्च-तकनीकी "माइक्रोस्कोप" का उपयोग किया कि क्या हो रहा है:
- एक्स-रे विजन: उन्होंने देखा कि क्रिस्टल संरचना PE अणुओं द्वारा थोड़ी विकृत हो गई थी, जिससे पुष्टि हुई कि "डांस फ्लोर" बाधित हो गया था।
- न्यूट्रॉन स्कैटरिंग: उन्होंने अणुओं की गति को देखा। उन्होंने पाया कि अणुओं को घूमने के लिए आवश्यक ऊर्जा (जो ठंडक पैदा करती है) 50% कम हो गई। यह ऐसा है जैसे नर्तकों को घूमने में बहुत आसानी हो गई क्योंकि उनकी सख्त पकड़ ढीली हो गई थी।
- इन्फ्रारेड कैमरे: उन्होंने सामग्री के ठंडा होने का फिल्मांकन किया। शुद्ध NPG बड़े, तेज़ तरंगों (जैसे डोमिनो प्रभाव) में ठंडा हुआ। नया मिश्रण एक साथ हजारों छोटे, बिखरे हुए स्थानों में ठंडा हुआ। यह "अराजकता" वास्तव में अच्छी है! इसका मतलब है कि सामग्री हर जगह एक साथ अपनी अवस्था बदल रही है, बजाय इसके कि वह एक स्थान पर फंस जाए।
बड़ी तस्वीर
यह शोध पत्र हरित कूलिंग (green cooling) के भविष्य के लिए एक ब्लूप्रिंट है। यह दिखाता है कि आपको शून्य से पूरी नई सामग्री बनाने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, आप एक आशाजनक सामग्री ले सकते हैं, उसमें कुछ और थोड़ा सा मिला सकते हैं ताकि उसकी आंतरिक संरचना को "ढीला" किया जा सके, और अचानक, यह एक व्यावहारिक, कुशल और पर्यावरण के अनुकूल रेफ्रिजरेटर बन जाता है।
यह एक सख्त, पुराने चमड़े के जैकेट में सिलाई के पास थोड़ा सा तेल डालने जैसा है। अचानक, यह लचीला, आरामदायक और पहनने के लिए तैयार हो जाता है। यह "आणविक तेल" हमारे घरों में गैस-खपत करने वाले फ्रिज को शांत, सॉलिड-स्टेट कूलरों से बदलने की कुंजी हो सकता है जो ग्रह के लिए अच्छे हैं।
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