Investigation on interlaminar fracture toughness and failure mechanisms of MWCNTs reinforced thermoplastic composites
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एलीयम/यूएचएमडब्ल्यूपीई (Elium/UHMWPE) थर्मोप्लास्टिक कंपोजिट में मल्टी-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs) को शामिल करना, विशेष रूप से एक गैर-आयनिक एरोमैटिक सर्फेक्टेंट (TNWDIS) के साथ बिखेरकर (dispersed) जिससे एकत्रीकरण को रोका जा सके, क्रैक ब्रिजिंग और बेहतर इंटरफेशियल आसंजन जैसे सहक्रियात्मक तंत्रों के माध्यम से इंटरलैमिर फ्रैक्चर टफनेस को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जिससे अनुकूलित लोडिंग पर मोड II टफनेस में 152.61% तक का सुधार प्राप्त होता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक सैंडविच बना रहे हैं, लेकिन ब्रेड और हैम के बजाय, आप हवाई जहाजों, रेस कारों या यहाँ तक कि बुलेटप्रूफ जैकेट के लिए सामग्री बनाने हेतु अविश्वसनीय रूप से मजबूत, हल्के रेशों की परतों को एक के ऊपर एक रख रहे हैं। यह कंपोजिट सामग्रियों (composite materials) की दुनिया है। उनकी मजबूती का रहस्य परतों के आपस में जुड़े रहने में छिपा है। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: ये परतें बर्फ की फिसलन भरी चादरों जैसी हैं। यदि आप उन्हें ज़ोर से मारते हैं या मरोड़ते हैं, तो परतें अलग हो सकती हैं या अंदर से बाहर की ओर उखड़ सकती हैं। इसे "डिलेमिनेशन" (delamination) कहा जाता है, और यह उच्च-तकनीकी संरचनाओं के लिए एक मूक हत्यारा है क्योंकि यह गहराई में होता है जहाँ आप इसे देख नहीं सकते। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक परतों के बीच के "गोंद" को मजबूत करने की कोशिश करते हैं। एक लोकप्रिय तरकीब यह है कि गोंद में कार्बन नैनोट्यूब जैसे छोटे, अत्यंत मजबूत ट्यूब मिला दिए जाते हैं। इन ट्यूबों को सूक्ष्म 'रीबार' (rebar) के रूप में सोचें जो परतों को एक साथ थामे रखते हैं। लेकिन समस्या यह है कि ये नन्हे ट्यूब चिपचिपे होते हैं और गीले स्पैगेटी की तरह आपस में गुच्छे बनाने के शौकीन होते हैं, जिससे वे समान रूप से फैलने के बजाय बेकार के ढेर बन जाते हैं। यदि वे गुच्छे बनाते हैं, तो वे वास्तव में सामग्री को कमजोर कर देते हैं। इसलिए, बड़ा सवाल यह है कि हम इन सूक्ष्म स्पैगेटी स्ट्रैंड्स को काम करने के लिए पूरी तरह से अलग और व्यवस्थित कैसे रखें?
यह शोध पत्र ठीक इसी समस्या के एक चतुर समाधान की जांच करता है। शेन्ज़ेन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक उच्च-तकनीकी सैंडविच के लिए एक नया नुस्खा आज़माने का निर्णय लिया। उन्होंने परतों को बनाने के लिए एक विशेष तरल प्लास्टिक रेजिन (जिसे एलीयम/Elium कहा जाता है) और अत्यंत मजबूत रेशों (UHMWPE) का उपयोग किया। गोंद को मजबूत करने के लिए, उन्होंने मल्टी-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब (MWCNTs) मिलाए। लेकिन उन्हें बस यूँ ही डालने के बजाय, उन्होंने एक "सहायक" अणु जिसे सर्फेक्टेंट (विशेष रूप से TNWDIS) कहा जाता है, पेश किया। आप इस सर्फेक्टेंट को एक सामाजिक तितली या एक शांतिदूत के रूप में सोच सकते हैं। इसका काम चिपचिपे नैनोट्यूब को गले लगाना और उन्हें आपस में इकट्ठा होने से रोकना है, जिससे वे गोंद में समान रूप से फैल सकें। टीम यह देखना चाहती थी कि क्या यह "शांतिदूत" नैनोट्यूब को अपना काम बेहतर ढंग से करने में मदद कर सकता है, जिससे परतों को अलग करना या उनके विरुद्ध फिसलना बहुत कठिन हो जाए। उन्होंने दो अलग-अलग तरीकों से परतों को अलग करके इसका परीक्षण किया: एक जिसमें उन्होंने उन्हें एक किताब की तरह खोलने की कोशिश की (मोड I), और दूसरा जिसमें उन्होंने उन्हें ताश के पत्तों की तरह एक-दूसरे के ऊपर से खिसकाने की कोशिश की (मोड II)।
परिणाम काफी रोमांचक थे, लेकिन वे अपने साथ एक बहुत ही महत्वपूर्ण चेतावनी भी लेकर आए। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल अधिक नैनोट्यूब जोड़ने से सामग्री हमेशा मजबूत नहीं होती है। वास्तव में, यदि उन्होंने "शांतिदूत" सर्फेक्टेंट के बिना बहुत अधिक नैनोट्यूब मिला दिए, तो ट्यूब आपस में गुच्छे बन गए, और सामग्री दरारों का विरोध करने में वास्तव में और खराब हो गई। यह एक दीवार को सुदृढ़ करने के लिए व्यक्तिगत छड़ों के बजाय उलझे हुए तार के ढेर का उपयोग करने जैसा था। हालाँकि, जब उन्होंने नैनोट्यूब को फैलाए रखने के लिए सर्फेक्टेंट का उपयोग किया, तो परिणाम एक बड़ी सफलता रहे। नैनोट्यूब की एकदम सही मात्रा (वजन का 0.1%) और सर्फेक्टेंट के संयोजन के साथ, सामग्री अविश्वसनीय रूप से मजबूत हो गई। जब उन्होंने परतों को अलग करने की कोशिश की, तो सामग्री का टूटना 78.53% अधिक कठिन हो गया। जब उन्होंने परतों को एक-दूसरे के विरुद्ध खिसकाने की कोशिश की, तो यह टूटने के प्रति 152.61% अधिक कठिन हो गया।
अध्ययन ने बारीकी से यह भी देखा कि यह क्यों काम कर रहा था। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि सर्फेक्टेंट ने नैनोट्यूब को छोटे पुलों और लंगर (anchors) की तरह कार्य करने में मदद की। जब कोई दरार बनने लगती है, तो नैनोट्यूब अंतराल के आर-पार खिंच जाते हैं, दरार को उसे लंबा और कठिन रास्ता लेने के लिए मोड़ देते हैं, और यहाँ तक कि गोंद को भी खिंचने और विकृत होने के लिए प्रेरित करते हैं, जिससे ऊर्जा सोखी जाती है। सर्फेक्टेंट वह कुंजी थी जिसने नैनोट्यूब को प्रभावी ढंग से यह काम करने की अनुमति दी, क्योंकि इसने यह सुनिश्चित किया कि वे हर जगह मौजूद हों, न कि केवल गुच्छों में। दिलचस्प बात यह है कि शोध पत्र में उल्लेख किया गया है कि यह "शांतिदूत" विशिष्ट मात्रा में सबसे अच्छा काम करता था; यदि उन्होंने सर्फेक्टेंट के साथ भी बहुत अधिक नैनोट्यूब मिला दिए, तो ट्यूब अंततः फिर से गुच्छे बनाने लगे, और लाभ कम होने लगा। यह सुझाव देता है कि हालांकि यह विधि शक्तिशाली है, लेकिन इसमें जोड़ने की एक "स्वीट स्पॉट" (सही मात्रा) होती है।
संक्षेप में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि एक तरल थर्मोप्लास्टिक रेजिन में कार्बन नैनोट्यूब को पूरी तरह से बिखेरने के लिए एक विशेष नॉन-आयनिक सर्फेक्टेंट का उपयोग करके, हम ऐसी कंपोजिट सामग्रियां बना सकते हैं जो काफी अधिक मजबूत और टूटने के प्रति प्रतिरोधी होती हैं। यह सिद्ध करता है कि रहस्य केवल अधिक "सुपर-सामग्री" जोड़ने में नहीं है, बल्कि यह सुनिश्चित करने में है कि वे सामग्रियां समान रूप से फैली हुई हों ताकि वे एक टीम के रूप में मिलकर काम कर सकें। यह खोज भविष्य के लिए हल्के, मजबूत और सुरक्षित सामग्रियों को डिजाइन करने का एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है, बशर्ते हमें अपना नुस्खा बिल्कुल सही मिले।
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