Ferroelectric nematic liquid crystals: temperature-tunable electrocaloric fluids with large strength at low fields

हमारी दुनिया को ठंडा करने की हमेशा एक भारी कीमत रही है। एक सदी से भी अधिक समय से, हमारे भोजन को ताजा रखने और हमारे घरों को आरामदायक बनाए रखने वाली मशीनें गैसों को संकुचित (compress) करने पर निर्भर रही हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो भारी मात्रा में बिजली की खपत करती है और वातावरण के लिए हानिकारक रसायनों का रिसाव करती है। हालांकि इंजीनियरों ने दशकों तक इन प्रणालियों को स्वच्छ बनाने की कोशिश की है, लेकिन मौलिक विधि वही बनी हुई है, और ऊर्जा का बिल बढ़ता जा रहा है। वैज्ञानिक अब एक अलग रास्ते की तलाश कर रहे हैं, जो बिजली का उपयोग किसी मोटर को चलाने के लिए नहीं, बल्कि सीधे किसी पदार्थ का तापमान बदलने के लिए करे। यह घटना, जिसे इलेक्ट्रोकैलोरिक प्रभाव (electrocaloric effect) के रूप में जाना जाता है, एक पदार्थ पर विद्युत क्षेत्र (electric field) लगाने से काम करती है, जिससे उसके आंतरिक परमाणु पुनर्गठित होते हैं और गर्मी छोड़ते या अवशोषित करते हैं। लक्ष्य एक ऐसा पदार्थ खोजने का है जो बिना अत्यधिक शक्ति या जटिल मशीनरी की आवश्यकता के कुशलतापूर्वक ऐसा कर सके, और आदर्श रूप से, एक ऐसा पदार्थ जो गर्मी को दूर ले जाने के लिए एक तरल की तरह सिस्टम के माध्यम से पंप किया जा सके।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब तरल पदार्थों के एक नए परिवार की पहचान की है जो इस तकनीक की कुंजी हो सकते हैं। ये वे ठोस सिरेमिक या प्लास्टिक के ब्लॉक नहीं हैं जिनका अध्ययन आमतौर पर कूलिंग के लिए किया जाता है, बल्कि ये लिक्विड क्रिस्टल (liquid crystals) हैं जिनमें एक अनूठा गुण है: वे फेरोइलेक्ट्रिक (ferroelectric) हैं। सरल शब्दों में, इन तरल पदार्थों के अणुओं का एक विशिष्ट दिशा में स्वाभाविक रूप से संरेखण होता है, जिससे एक आंतरिक विद्युत व्यवस्था बनती है, ठीक वैसे ही जैसे छोटी चुंबकें एक पंक्ति में खड़ी हों। जब एक विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो ये अणु हिलते हैं, और इस बदलाव से पदार्थ गर्म या ठंडा होता है। शोधकर्ताओं ने इन तरल पदार्थों के एक विशिष्ट प्रकार पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे फेरोइलेक्ट्रिक नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल कहा जाता है, और पाया कि वे अविश्वसनीय रूप से कमजोर विद्युत संकेतों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, जो ठोस पदार्थों के लिए आवश्यक संकेतों की तुलना में बहुत कम हैं।

टीम ने इन तरल पदार्थों के दो विशिष्ट मिश्रणों का परीक्षण किया, जो एक रासायनिक कंपनी द्वारा प्रदान किए गए थे, ताकि यह देखा जा सके कि वे विद्युत क्षेत्र के तहत कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने दो तरीकों से तापमान परिवर्तन को मापा। सबसे पहले, उन्होंने तापमान बदलने के साथ पदार्थ के आंतरिक विद्युत संरेखण के बदलने का अवलोकन करके अपेक्षित परिवर्तन की गणना की। इस अप्रत्यक्ष विधि ने सुझाव दिया कि केवल 0.1 वोल्ट प्रति माइक्रोमीटर का क्षेत्र लगाने से लगभग 0.4 डिग्री सेल्सियस का तापमान उछाल आ सकता है। इसकी पुष्टि करने के लिए, उन्होंने प्रत्यक्ष माप (direct measurements) किए, जिसमें दो इलेक्ट्रोडों के बीच तरल में एक छोटा तापमान सेंसर सीधे रखा गया। जब उन्होंने विद्युत क्षेत्र को चालू और बंद किया, तो उन्होंने वास्तविक समय में तापमान को बढ़ते और घटते हुए देखा। प्रत्यक्ष मापों ने 0.1 वोल्ट प्रति माइक्रोमीटर जैसे कम क्षेत्र के लिए लगभग 0.2 डिग्री सेल्सियस का तापमान परिवर्तन दिखाया। हालांकि यह प्रत्यक्ष संख्या सैद्धांतिक भविष्यवाणी से कम थी, शोधकर्ताओं ने स्पष्ट किया कि कंटेनर और सेंसर से निकलने वाली अतिरिक्त गर्मी ने पूर्ण प्रभाव को ढक दिया है, जिसका अर्थ है कि तरल की वास्तविक क्षमता और भी अधिक होने की संभावना है।

इन निष्कर्षों को जो बात विशेष रूप से रोमांचक बनाती है, वह है उपयोग की गई शक्ति के सापेक्ष प्रभाव की अत्यधिक शक्ति। शोधकर्ताओं ने पाया कि लागू किए गए प्रत्येक विद्युत क्षेत्र की इकाई के लिए, तापमान परिवर्तन वर्तमान, अत्याधुनिक ठोस सामग्रियों में देखे जाने वाले परिवर्तन से 100 प्रतिशत अधिक था। इसके अलावा, ये तरल पदार्थ तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में प्रभावी ढंग से कार्य करते हैं। टीम ने इन लिक्विड क्रिस्टल के 129 विभिन्न मिश्रणों का परीक्षण किया और पाया कि उन्हें 0 डिग्री सेल्सियस से 100 डिग्री सेल्सियस के बीच कहीं भी उनके व्यवस्थित और अव्यवस्थित अवस्थाओं के बीच स्विच करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। इसका मतलब है कि एक रेफ्रिजरेटर, कार या कंप्यूटर चिप के लिए सही तरल मिश्रण चुनकर एक कूलिंग सिस्टम को कस्टमाइज़ किया जा सकता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि एक वास्तविक दुनिया के कूलिंग चक्र में यह प्रक्रिया कितनी कुशल हो सकती है। यह मॉडल करते हुए कि ये तरल पदार्थ एक सिस्टम के माध्यम से कैसे चलेंगे—एक ठंडे स्थान पर गर्मी सोखना और एक गर्म स्थान पर गर्मी छोड़ना—शोधकर्ताओं ने प्रदर्शन मीट्रिक जिसे 'कोएफिशिएंट ऑफ परफॉर्मेंस' (coefficient of performance) कहा जाता है, की भविष्यवाणी की। 5 से 10 डिग्री के तापमान अंतर के लिए, तरल 21 और 40 के बीच का मान प्राप्त कर सकता है। यह एक प्रतिस्पर्धी आंकड़ा है, जो वर्तमान में उपलब्ध सर्वोत्तम ठोस-अवस्था (solid-state) सामग्रियों के बराबर है, लेकिन इसमें यह अतिरिक्त लाभ भी है कि तरल स्वयं शीतलक (coolant) के रूप में कार्य कर सकता है। चूंकि पदार्थ एक तरल है, इसलिए इसे एक उपकरण के माध्यम से पंप किया जा सकता है, जिससे एक अलग ताप-हस्तांतरण तरल (heat-transfer fluid) की आवश्यकता समाप्त हो जाती है और अधिक सघन, कुशल डिजाइन संभव हो पाते हैं।

शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि इस प्रभाव को सक्रिय करने के लिए आवश्यक विद्युत क्षेत्र असाधारण रूप से कम हैं, जो ठोस सिरेमिकों की तुलना में लगभग एक क्रम (order of magnitude) छोटा है। यह कम वोल्टेज की आवश्यकता एक महत्वपूर्ण व्यावहारिक लाभ है, क्योंकि इसका अर्थ है कि ऐसे कूलिंग सिस्टम को चलाने के लिए आवश्यक इलेक्ट्रॉनिक्स सरल, सस्ते और विफलताओं के प्रति कम संवेदनशील होंगे। हालांकि प्रयोगात्मक सेटअप के कारण प्रत्यक्ष माप सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से थोड़े कम थे, लेकिन दोनों विधियों के बीच निरंतरता और सौ से अधिक अन्य मिश्रणों के व्यवहार से पता चलता है कि ये तरल पदार्थ कूलिंग के भविष्य के लिए एक मजबूत उम्मीदवार हैं। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने रातों-रात ग्लोबल वार्मिंग या ऊर्जा खपत की समस्या को हल कर दिया है, लेकिन यह गर्मी को प्रबंधित करने के एक स्वच्छ, अधिक कुशल तरीके की ओर एक मूर्त, मापने योग्य कदम प्रदान करता है, जो एक साधारण तरल को अगली पीढ़ी के रेफ्रिजरेशन के लिए एक शक्तिशाली उपकरण में बदल देता है।