Investigation of Graphene-Filled Silicon–PU Form Composites for Pressure Sensing Applications

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ मशीनें मानव त्वचा की तरह दबाव महसूस कर सकती हैं, जो एक कोमल स्पर्श या एक मजबूत पकड़ के प्रति विद्युत संकेत के रूप में प्रतिक्रिया देती हैं। यह लचीले प्रेशर सेंसर (दबाव सेंसर) का वादा है, ऐसे उपकरण जो पहनने योग्य स्वास्थ्य निगरानी उपकरणों (wearable health monitors), सॉफ्ट रोबोट और मनुष्यों एवं कंप्यूटरों के बीच उन्नत इंटरफेस के लिए आवश्यक बनते जा रहे हैं। इन सेंसरों के काम करने के लिए, उन्हें ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो न केवल कोमल और खिंचाव वाले हों, बल्कि दबने पर बिजली का संचालन करने में भी सक्षम हों। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि नरम फोम में प्रवाहकीय कणों (conductive particles) को मिलाने से ऐसे पदार्थ बनाए जा सकते हैं, लेकिन उन्हें संवेदनशील, विश्वसनीय और किफायती बनाने के लिए सही सामग्रियों का संयोजन खोजना एक चुनौती बनी हुई है। लक्ष्य एक ऐसा सम्मिश्र (composite) बनाना है जो दबने पर अपने विद्युत व्यवहार को पूर्वानुमानित रूप से बदल सके, जिससे जटिल बाहरी बिजली स्रोतों की आवश्यकता के बिना भौतिक दबाव को एक मापने योग्य संकेत में बदला जा सके।

हाल ही के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए प्रयास किया कि विभिन्न प्रकार के प्रवाहकीय भराव (conductive fillers) एक नरम, स्पंज जैसे पदार्थ के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट मिश्रण पर ध्यान केंद्रित किया: एक पॉलीयुरेथेन फोम, जो एक सामान्य, टिकाऊ और लचीला फोम है, जिसे रबर जैसा बनावट देने के लिए लिक्विड सिलिकॉन रबर के साथ मिलाया गया था। इस आधार में, उन्होंने दो बहुत अलग प्रवाहकीय सामग्रियों को मिलाया ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा बेहतर प्रेशर सेंसर बनाता है। सामग्री के एक बैच में ग्रेफीन के छोटे फ्लेक्स (flakes) मिलाए गए थे, जो मजबूती और चालकता के लिए जाने जाने वाले कार्बन का एक रूप है, जिसका सांद्रण वजन का एक प्रतिशत था। दूसरे बैच में दस प्रतिशत वजन के सांद्रण के साथ आयरन डस्ट (लोहे की धूल) मिलाई गई थी। उन्होंने एक नियंत्रण नमूना (control sample) भी तैयार किया जिसमें केवल सिलिकॉन और फोम था, जिसमें कोई प्रवाहकीय भराव नहीं था, ताकि तुलना के लिए एक आधार रेखा के रूप में उपयोग किया जा सके।

टीम ने इन नमूनों को हाथ से तैयार किया, फोम को सिलिकॉन और अपने चुने हुए भराव के तरल मिश्रणों में भिगोकर, फिर सामग्री को सूखने तक पकने (cure) दिया। एक बार नमूने तैयार हो जाने के बाद, उन्होंने उन्हें छोटे वर्गों में काटा और उन्हें दो धातु की प्लेटों के बीच रखा। एक साधारण स्क्रू-आधारित प्रेस का उपयोग करके, उन्होंने नमूनों पर बढ़ता हुआ भार लगाया, जिससे उनकी लगभग छह मिलीमीटर की मूल मोटाई को तीन मिलीमीटर तक दबा दिया गया। इस प्रक्रिया ने उस दबाव का अनुकरण किया जो एक सेंसर वास्तविक दुनिया के उपयोग में अनुभव कर सकता है, जो लगभग 3.8 किलोपास्कल के हल्के स्पर्श से लेकर 21 किलोपास्कल के मजबूत दबाव तक जाता है। जैसे-जैसे उन्होंने सामग्री को संकुचित किया, उन्होंने मापा कि बिजली उनके माध्यम से कितनी अच्छी तरह प्रवाहित होती है और सामग्री कितनी विद्युत ऊर्जा संग्रहीत करती है, इन गुणों का एक से पांच मिलियन चक्र प्रति सेकंड की आवृत्तियों की एक श्रृंखला में परीक्षण किया।

सामग्री के भीतर क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के नीचे नमूनों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि शुद्ध फोम की संरचना चिकनी और छिद्रपूर्ण थी जिसमें छोटे छेद थे। जब उन्होंने इसमें आयरन डस्ट मिलाई, तो उन्होंने धातु के स्पष्ट, ऊबड़-खाबड़ फ्लेक्स देखे, जो 50 से 100 माइक्रोमीटर आकार के थे, जो फोम के छिद्रों की दीवारों के साथ अंतर्निहित थे। ग्रेफीन वाला नमूना अलग दिख रहा था; इसके फ्लेक्स बहुत छोटे थे, जिनका औसत 10 से 20 माइक्रोमीटर था, और उन्होंने सतह को अधिक बिखरा हुआ और बनावट वाला रूप दिया। इन अवलोकनों ने पुष्टि की कि भराव सफलतापूर्वक स्पंज जैसी संरचना में एकीकृत हो गए थे, जो दबने पर परस्पर क्रिया करने के लिए तैयार थे।

विद्युत परीक्षणों ने एक स्पष्ट पैटर्न का खुलासा किया: जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने नमूनों पर अधिक जोर दिया, बिजली के संचालन की क्षमता और सामग्री की विद्युत आवेश संग्रहीत करने की क्षमता दोनों में वृद्धि हुई। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि दबाव ने फोम को सिकोड़ दिया, जिससे प्रवाहकीय कण एक-दूसरे के करीब आ गए। जब कण दूर होते हैं, तो बिजली अंतराल को पार करने के लिए संघर्ष करती है। जैसे-जैसे सामग्री संकुचित होती है, अंतराल कम होते जाते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन कणों के बीच अधिक आसानी से कूद पाते हैं और करंट के प्रवाह के लिए मजबूत मार्ग बनाते हैं। यह प्रभाव विद्युत संकेत की आवृत्ति से भी प्रभावित हुआ, जिसमें उच्च आवृत्तियाँ आवेश वाहकों (charge carriers) को अधिक स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति देती हैं।

दोनों प्रवाहकीय सामग्रियों की तुलना करते समय, परिणामों ने दबाव के स्तर के आधार पर प्रदर्शन में बदलाव दिखाया। निम्न स्तर के संपीड़न (compression) पर, ग्रेफीन से भरा नमूना आयरन से भरे नमूने की तुलना में बिजली का बेहतर संचालन करता था। हालांकि, जैसे-जैसे दबाव बढ़ा और फोम को और अधिक दबाया गया, आयरन वाले नमूने ने बढ़त बना ली, और ग्रेफीन संस्करण से बेहतर प्रदर्शन किया। शोधकर्ताओं ने इस प्रभाव का श्रेय आयरन के फ्लेक्स की प्रकृति को दिया। चूंकि आयरन के कण काफी बड़े थे और एक वास्तविक धातु से बने थे, इसलिए वे भारी संपीड़न के दौरान मजबूत, निरंतर संपर्क नेटवर्क बनाने में बेहतर थे। ग्रेफीन, जो कम दबाव पर उत्कृष्ट था, उच्च तनाव के तहत बड़े धातु के फ्लेक्स की चालकता दक्षता का मुकाबला नहीं कर सका।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि ये सिलिकॉन-फोम सम्मिश्र (composites) दबाव के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं, जो उन्हें कम लागत वाले, लचीले सेंसरों के उपयोग के लिए मजबूत उम्मीदवार बनाते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि जबकि ग्रेफीन कुछ स्थितियों में लाभ प्रदान करता है, आयरन डस्ट एक शक्तिशाली विकल्प है जो उच्च संपीड़न के तहत उत्कृष्टता प्राप्त करता है। एक सरल फोम संरचना में विभिन्न भरावों द्वारा विद्युत व्यवहार को बदलकर, यह शोध रोबोटिक्स के लिए इंटरैक्टिव सतहों से लेकर प्रोस्थेटिक्स के लिए कृत्रिम त्वचा तक सब कुछ में उपयोग किए जाने वाले नए प्रकार के सेंसर विकसित करने की नींव रखता है। यह कार्य पुष्टि करता है कि सामग्रियों के सही मिश्रण को सावधानीपूर्वक चुनकर, भौतिक दुनिया को सटीकता के साथ विद्युत संकेतों में बदलने वाले नरम, टिकाऊ उपकरण बनाना संभव है।