Healing-phase architecture governs cryogenic damage tolerance and mechanical recovery in EMAA-modified self-healing carbon fibre/epoxy composites

हाइड्रोजन एक स्वच्छ ईंधन है जो बिना कार्बन उत्सर्जन के जलता है, जो इसे भविष्य के वाहनों और अंतरिक्ष यान को शक्ति प्रदान करने के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है। हालांकि, इसका प्रभावी ढंग से उपयोग करने के लिए, इंजीनियरों को भारी मात्रा में हाइड्रोजन को ऐसे टैंकों में संग्रहीत करना होगा जो अत्यधिक दबाव या जमा देने वाले तापमान में गैस को थामे रखने के लिए अविश्वसनीय रूप से हल्के और मजबूत दोनों हों। सबसे उन्नत भंडारण टैंक कार्बन फाइबर की परतों से बने होते हैं जिन्हें एक मजबूत प्लास्टिक रेजिन में लपेटा जाता है। हालांकि ये सामग्रियां धातु की तुलना में हल्की होती हैं, लेकिन इनमें एक छिपा हुआ दोष है: जब तापमान तरल हाइड्रोजन को संग्रहीत करने के लिए आवश्यक अत्यधिक ठंड तक गिर जाता है, तो टैंक के भीतर की विभिन्न सामग्रियां अलग-अलग दरों पर सिकुड़ती हैं। यह बेमेल स्थिति फाइबर की परतों के बीच के प्लास्टिक में सूक्ष्म दरारें पैदा कर देती है। समय के साथ, ये दरारें आपस में जुड़कर ऐसे मार्ग बना सकती हैं जिनसे हाइड्रोजन बाहर निकल सकती है, जिससे टैंक के विफल होने का खतरा बढ़ जाता है। वैज्ञानिक इन टैंकों को "स्व-उपचार" (सेल्फ-हीलिंग) बनाने के तरीकों पर काम कर रहे हैं, जिसका अर्थ है कि वे गर्म होने पर इन सूक्ष्म दरारों को स्वचालित रूप से ठीक कर सकें, ठीक वैसे ही जैसे शरीर की प्राकृतिक प्रक्रियाएं घाव को भरने के लिए त्वचा के कट को बंद कर देती हैं।

क्वीन मैरी यूनिवर्सिटी ऑफ लंदन और ग्रेफीन इनोवेशन मैनचेस्टर के शोधकर्ताओं ने इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया कि इन स्व-उपचार वाले टैंकों का निर्माण कैसे किया जाए। वे जानते थे कि एक विशेष प्लास्टिक जिसे एथिलीन-मेथैक्रिलिक एसिड (EMAA) कहा जाता है, उसे जोड़ने से यह सामग्री गर्म होने पर खुद की मरम्मत करने में मदद मिल सकती है, लेकिन वे अनिश्चित थे कि क्रायोजेनिक वातावरण की अत्यधिक ठंड में इस हीलिंग प्लास्टिक को सर्वोत्तम कार्य करने के लिए कहाँ रखा जाना चाहिए। उन्होंने इस प्लास्टिक को कार्बन फाइबर की परतों में डालने के दो बहुत अलग तरीकों का परीक्षण किया। पहले तरीके में, उन्होंने हीलिंग प्लास्टिक की एक निरंतर शीट को परतों के बिल्कुल बीच में डाला, जैसे ब्रेड के दो स्लाइस के बीच मक्खन की एक परत रखी जाती है। दूसरे तरीके में, उन्होंने परतों को जोड़ने से पहले कार्बन फाइबर की सतह पर सीधे उसी प्लास्टिक के सूक्ष्म कणों का छिड़काव किया, जिससे पूरी संरचना में हीलिंग सामग्री का बिखरा हुआ वितरण बन गया। दोनों डिजाइनों का समान परिस्थितियों में परीक्षण करके, टीम का लक्ष्य यह पता लगाना था कि कौन सी व्यवस्था टैंक को बार-बार जमने और गर्म होने के चक्रों के बाद सबसे मजबूत और क्षति के प्रति सबसे अधिक प्रतिरोधी बनाएगी।

टीम ने दोनों विधियों का उपयोग करके कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक के नमूने बनाए और उन्हें कठोर परीक्षणों के अधीन किया। सबसे पहले, उन्होंने नमूनों को कमरे के तापमान पर खींचकर देखा कि वे कितने सख्त और मजबूत हैं। जैसा कि अपेक्षित था, हीलिंग प्लास्टिक जोड़ने से सामग्री मानक, बिना संशोधित नमूने की तुलना में थोड़ी कम सख्त और कमजोर हो गई क्योंकि यह प्लास्टिक उस एपॉक्सी रेजिन की तुलना में नरम है जिसे इसने प्रतिस्थापित किया था। हालांकि, जब शोधकर्ताओं ने नमूनों को तरल नाइट्रोजन के तापमान तक ठंडा किया, जो लगभग माइनस 196 डिग्री सेल्सियस है, तो व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। सभी नमूने बहुत अधिक सख्त और मजबूत हो गए, जो इन सामग्रियों के लिए ठंड में एक सामान्य प्रतिक्रिया है। दिलचस्प बात यह है कि छिड़के गए कणों वाले नमूने ने अपनी मूल शक्ति को पुनः प्राप्त कर लिया, जो बिना संशोधित सामग्री के प्रदर्शन से मेल खाता था, जबकि बीच वाली शीट वाले नमूना थोड़ा कमजोर रहा। इससे यह संकेत मिला कि हीलिंग कणों को फाइबर की सतहों पर फैलाने से सामग्री को ठंडे वातावरण के शुरुआती तनाव को संभालने में एक एकल मोटी परत की तुलना में बेहतर मदद मिली।

असली परीक्षा तब हुई जब शोधकर्ताओं ने वास्तविक हाइड्रोजन टैंक द्वारा अनुभव किए जाने वाले बार-बार होने वाले नुकसान और उपचार का अनुकरण किया। उन्होंने नमूनों पर भार डाला, उन्हें हीलिंग प्लास्टिक को पिघलने और दरारों में बहने देने के लिए गर्म किया, फिर से ठंडा किया, और इस चक्र को चार बार दोहराया। कमरे के तापमान पर, बिना संशोधित नमूनों ने परीक्षण के अंत तक अपनी कठोरता का आधा से अधिक हिस्सा खो दिया, जबकि स्व-उपचार वाले नमूनों ने अपनी अधिकांश शक्ति बनाए रखी। बीच वाली शीट वाले प्लास्टिक ने सबसे अच्छा प्रदर्शन किया, जिसने अपनी मूल कठोरता का लगभग 90 प्रतिशत बरकरार रखा, जबकि छिड़के गए नमूने ने लगभग 70 प्रतिशत बरकरार रखा। जब टीम ने क्रायोजेनिक स्थितियों के तहत इस भीषण चक्र को दोहराया, तो अंतर और भी महत्वपूर्ण हो गया। बिना संशोधित नमूने चौथे चक्र को पूरा करने से पहले ही पूरी तरह विफल हो गए, क्योंकि वे संचित क्षति के कारण टूट गए। इसके विपरीत, दोनों स्व-उपचार डिजाइनों ने सभी चार चक्रों में जीवित रहने में सफलता पाई। बीच वाली शीट वाले प्लास्टिक के नमूने ने न केवल जीवित रहने में सफलता पाई बल्कि वह पहले से भी अधिक मजबूत होकर उभरा, जिसने अपनी मूल शक्ति से भी अधिक अंतिम मजबूती दिखाई। यह टूटने से पहले बहुत अधिक तक खिंच गया, जो दर्शाता है कि हीलिंग प्रक्रिया के बाद यह अधिक लचीला और सहनशील हो गया था।

यह समझने के लिए कि मध्य वाली शीट अत्यधिक ठंड में इतनी बेहतर क्यों काम करती है, शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे टूटे हुए टुकड़ों का बारीकी से निरीक्षण किया। बिना संशोधित नमूनों में दरारों का एक अराजक जाल दिखा जो परतों के माध्यम से पूरी तरह फैल गया था, जिससे क्षति का एक ऐसा नेटवर्क बन गया जिसे सामग्री ठीक नहीं कर सकी। छिड़के गए नमूनों ने कुछ सुधार दिखाया, जिसमें पिघले हुए प्लास्टिक के कणों ने छोटे अंतराल को भरने में मदद की, लेकिन क्षति अभी भी सामग्री में बिखरी हुई थी। हालांकि, बीच वाली शीट वाले नमूने ने एक अलग कहानी बताई। हीलिंग प्लास्टिक की निरंतर परत ने एक समर्पित क्षेत्र के रूप में कार्य किया जिसने क्षति को अवशोषित किया। जब सामग्री को गर्म किया गया, तो इस परत ने अलग हुए हिस्सों को फिर से जोड़ा, जिससे दरारें प्रभावी रूप से बंद हो गईं और पूरे पैनल की संरचनात्मक अखंडता बहाल हो गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि इस मध्य परत के प्लास्टिक ने हीलिंग प्रक्रिया के दौरान किनारों से थोड़ा बाहर निकल आया था, जो यह सिद्ध करता कि यह पिघल गया और रिक्त स्थानों को भरने के लिए आगे बढ़ा। इस निरंतर प्रवाह ने सामग्री को बिखरे हुए कणों की तुलना में भार उठाने की क्षमता को बहुत बेहतर तरीके से पुनः प्राप्त करने में मदद की।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि हीलिंग प्लास्टिक जोड़ने के दोनों तरीके कार्बन फाइबर टैंकों के स्थायित्व में सुधार करते हैं, लेकिन उस प्लास्टिक का स्थान प्रदर्शन के लिए निर्णायक कारक है। परतों के बीच एक निरंतर शीट रखना जमने और पिघलने के कारण होने वाली बार-बार की दरारों के खिलाफ सबसे प्रभावी सुरक्षा प्रदान करता है। यह दृष्टिकोण न केवल सामग्री को टूटने से रोकता है, बल्कि प्रत्येक चक्र के बाद इसकी शक्ति और लचीलेपन को वापस पाने में भी मदद करता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट प्रयोग में गैस रिसाव को सीधे नहीं मापा, लेकिन तथ्य यह है कि मध्य-शीट डिजाइन ने दरारों के जुड़े हुए नेटवर्क के निर्माण को रोका, यह सुझाव देता है कि यह हाइड्रोजन को बाहर निकलने से रोकने में भी बहुत प्रभावी होगा। यह खोज इंजीनियरों को वाहनों और अंतरिक्ष यान के लिए अगली पीढ़ी के हल्के, सुरक्षित और पुन: प्रयोज्य हाइड्रोजन भंडारण टैंकों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है, जो यह दर्शाती है कि हीलिंग सामग्री को व्यवस्थित करने के तरीके में एक सरल परिवर्तन यह बनाने में बड़ा अंतर ला सकता है कि टैंक कठोरतम वातावरण में कितनी अच्छी तरह जीवित रहता है।