On-Device Control of Electronic Friction

घर्षण वह अदृश्य प्रतिरोध है जो चीजों को धीमा कर देता है, वह कारण जिससे गियर घिस जाते हैं, इंजन गर्म हो जाते हैं और मशीनें अंततः विफल हो जाती हैं। सदियों से, वैज्ञानिकों ने यह समझा है कि यह प्रतिरोध मुख्य रूप से सतहों के आपस में रगड़ने की भौतिक खुरदरापन, या फिसलते समय परमाणुओं के कंपन (jiggling) से आता है। लेकिन एक दूसरा, अधिक मायावी घर्षण का स्रोत है जो एक रहस्य बना हुआ है: बिजली द्वारा उत्पन्न घर्षण। जब दो सतहें एक-दूसरे को छूती और चलती हैं, तो वे सामग्रियों के भीतर सूक्ष्म आवेशित कणों (charged particles) को विचलित कर सकती हैं, जिससे एक खिंचाव पैदा होता है जो ऊर्जा को नष्ट कर देता है, भले ही सतहें पूरी तरह से चिकनी क्यों न हों। इस विद्युत खिंचाव (electrical drag) को परमाणुओं की यांत्रिक हलचल से अलग करना अतीत में लगभग असंभव रहा है, क्योंकि ये दोनों प्रभाव आमतौर पर एक साथ होते हैं और माप में एक जैसे ही दिखाई देते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशेष उपकरण बनाया है जो अंततः उन्हें इन दो बलों को अलग करने की अनुमति देता है। परमाणु रूप से समतल परतों के बीच एक स्लाइडिंग इंटरफेस बनाकर, वे सामान्य यांत्रिक खुरदरापन को समाप्त करने में सफल रहे, जिससे केवल सूक्ष्म विद्युत अंतःक्रियाओं का अध्ययन करना संभव हो सका। उनका कार्य प्रकट करता है कि इन अत्यंत चिकनी संपर्कों में, विद्युत घर्षण वास्तव में यांत्रिक घर्षण से अधिक मजबूत हो सकता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने पाया कि यह विद्युत खिंचाव कोई स्थिर बल नहीं है; इसे वोल्टेज या सामग्रियों पर लगाए गए दबाव को समायोजित करके बढ़ाया जा सकता है, कम किया जा सकता है, या पूरी तरह से बंद भी किया जा सकता है। यह खोज हमें मशीनों में ऊर्जा हानि को समझने के तरीके को बदल देती है और ऐसे उपकरणों को डिजाइन करने का मार्ग प्रशस्त करती है जो लगभग बिना किसी टूट-फूट के चल सकें।

इस स्तर का नियंत्रण प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने द्वि-आयामी क्रिस्टल (two-dimensional crystals) का उपयोग करके एक सूक्ष्म स्लाइडिंग मशीन का निर्माण किया, जो केवल एक परमाणु मोटी सामग्रियां हैं। उन्होंने ग्रेफाइट के एक छोटे टुकड़े को, जिसे एक छोटी मेसा (mesa) या सपाट चोटी वाले पहाड़ के आकार में बनाया गया था, मोलिब्डेनम डाइसल्फाइडड (molybdenum disulfide) नामक अर्धचालक (semiconductor) सामग्री से बनी एक सपाट सतह पर रखा। चूंकि दोनों सामग्रियों के परमाणु पैटर्न एक दूसरे के साथ पूरी तरह से मेल नहीं खाते, इसलिए वे घिसावट पैदा करने वाले सामान्य उभारों और खांचों के बिना एक-दूसरे के ऊपर से फिसलते हैं। इस स्थिति को 'स्ट्रक्चरल सुपरलुब्रिसिटी' (structural superlubricity) कहा जाता है, जहाँ सतहें लगभग शून्य यांत्रिक प्रतिरोध के साथ फिसलती हैं। इस सेटअप में, गति को धीमा करने वाली एकमात्र चीजें परमाणुओं के सूक्ष्म कंपन और इलेक्ट्रॉनों की गति हैं।

टीम ने फिर यह परीक्षण करना शुरू किया कि बिजली इस गति को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने एक सामान्य बल लगाया, ग्रेफाइट मेसा को मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड पर एक विशिष्ट भार के साथ दबाया, और उसे स्लाइड करने के लिए आवश्यक बल को मापा। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने दबाव बढ़ाया, घर्षण उस तरह से व्यवहार नहीं किया जैसा कि एक शुद्ध यांत्रिक प्रणाली के लिए अपेक्षित होता है। इसके बजाय, घर्षण बल बढ़ा और फिर फिर से गिर गया। कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ अपने परिणामों की तुलना करके, उन्होंने निर्धारित किया कि प्रारंभिक वृद्धि इंटरफेस के पार चलते इलेक्ट्रॉनों के कारण हुई थी, जबकि बाद की गिरावट तब हुई जब दबाव इतना अधिक हो गया कि उसने दोनों सामग्रियों के बीच के सूक्ष्म अंतराल को बंद कर दिया, जिससे बिजली स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होने लगी और खिंचाव समाप्त हो गया।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह प्रभाव वास्तव में विद्युत था, शोधकर्ताओं ने एक गेट वोल्टेज का उपयोग किया, जो इलेक्ट्रॉनों के लिए एक नल (faucet) की तरह काम करने वाला एक प्रकार का विद्युत नियंत्रण है। मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड पर सकारात्मक वोल्टेज लगाकर, उन्होंने सतह पर अधिक इलेक्ट्रॉन जोड़े, जिससे घर्षण बल बढ़ गया। जब उन्होंने नकारात्मक वोल्टेज लगाया, तो इलेक्ट्रॉन कम हो गए, और घर्षण गिर गया। इलेक्ट्रॉनों की संख्या और घर्षण की मात्रा के बीच इस सीधे संबंध ने पुष्टि की कि प्रतिरोध विद्युत प्रणाली से आ रहा था, न कि भौतिक परमाणुओं से। उन्होंने एक बायस वोल्टेज (bias voltage) के साथ भी इस प्रणाली का परीक्षण किया, जो संपर्क के आर-पार एक निरंतर विद्युत धक्का है। उन्होंने पाया कि यदि वोल्टेज पर्याप्त उच्च था, तो यह सामग्रियों के बीच के अंतराल को बंद कर देगा, जिससे प्रभावी रूप से विद्युत घर्षण समाप्त हो जाएगा।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि यह प्रभाव कितना सार्वभौमिक है, अन्य सामग्रियों के साथ अपने परिणामों की तुलना की। जब उन्होंने ग्रेफाइट को ग्रेफाइट के ही दूसरे टुकड़े (जो कि एक धातु है) के ऊपर स्लाइड किया, तो घर्षण कम रहा और वोल्टेज के साथ नहीं बदला, क्योंकि धातुओं में अर्धचालकों की तरह समान प्रकार के इलेक्ट्रॉन ट्रैप नहीं होते हैं। इसी तरह, जब उन्होंने हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड का उपयोग किया, जो एक इंसुलेटर है और बिजली का संचालन नहीं करता है, तो घर्षण भी कम था और वोल्टेज से अप्रभावित था। इन तुलनाओं ने दिखाया कि उनके द्वारा देखा गया विद्युत घर्षण धातु और अर्धचालक के बीच के इंटरफेस के लिए विशिष्ट है, जहाँ सतहों के चलते समय इलेक्ट्रॉन फंस सकते हैं और मुक्त हो सकते हैं।

यह अध्ययन एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि यह विद्युत घर्षण कैसे काम करता है। जैसे ही ग्रेफाइट मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड के ऊपर फिसलता है, वह अर्धचालक में इलेक्ट्रॉनों को विचलित करता है, जिससे एक ऐसा क्षेत्र बनता है जहाँ इलेक्ट्रॉन गायब होते हैं, जिसे 'डिप्लीशन ज़ोन' (depletion zone) कहा जाता है। यह ज़ोन स्लाइडिंग सतह के साथ चलता है, और इस ज़ोन को लगातार बनाने और चलाने के लिए आवश्यक प्रयास खिंचाव पैदा करता है। शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया का अनुकरण करने के लिए कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया और पाया कि इलेक्ट्रॉन कितनी जल्दी वापस अपनी जगह पर सेट होते हैं, इसकी गति घर्षण के बदलने की गति से मेल खाती है। यह पुष्टि करता है कि ऊर्जा की हानि इसलिए हो रही है क्योंकि इलेक्ट्रॉनों को लगातार विचलित किया जा रहा है और फिर उन्हें वापस स्थिर होने के लिए मजबूर किया जा रहा है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि इस विद्युत घर्षण को सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि दबाव या वोल्टेज को समायोजित करके, वे घर्षण बल को बहुत बड़ी मात्रा में बदल सकते हैं। कुछ मामलों में, विद्युत घर्षण इतना मजबूत था कि वह कुल प्रतिरोध पर हावी हो गया, जिसने परमाणुओं के यांत्रिक कंपनों को भी पीछे छोड़ दिया। अन्य मामलों में, दोनों सामग्रियों के बीच के अंतराल को बंद करके, वे घर्षण को लगभग शून्य तक कम कर सके। नियंत्रण की यह क्षमता यह सुझाव देती है कि भविष्य की मशीनों को विद्युत अंतराल को बंद रखकर या इलेक्ट्रॉन प्रवाह को प्रबंधित करके ऊर्जा हानि को न्यूनतम करने के लिए डिजाइन किया जा सकता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक भौतिक घटना को समझने तक सीमित नहीं हैं। यह प्रदर्शित करके कि घर्षण को विद्युत माध्यमों से नियंत्रित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने मशीन डिजाइन के बारे में सोचने का एक नया तरीका पेश किया है। यदि किसी उपकरण में घर्षण को वोल्टेज या दबाव द्वारा प्रबंधित किया जा सकता है, तो ऐसी यांत्रिक प्रणालियाँ बनाना संभव हो सकता है जो बिना घिसे चलें, और न्यूनतम ऊर्जा हानि के साथ वर्षों तक चल सकें। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने घर्षण की सभी समस्याओं को हल कर दिया है, लेकिन इसने सफलतापूर्वक उस पहेली के एक बड़े हिस्से को अलग किया है जो पहले छिपा हुआ था। यह दिखाता है कि अत्यंत चिकनी सतहों की दुनिया में, बिजली प्रतिरोध में कहीं अधिक बड़ी भूमिका निभाती है, और उस भूमिका पर महारत हासिल की जा सकती है।