Coding Metasurfaces with Coral-like Graphene for Thin and Strong Microwave Absorption

कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल, चमकदार धातु के पक्षी को एक अति-संवेदनशील टॉर्च से छिपाने की कोशिश कर रहे हैं जो हर चीज़ से टकराकर वापस लौट आती है। यह रडार स्टील्थ (radar stealth) की दुनिया है। दशकों से, वैज्ञानिक विमानों को रडार से अदृश्य बनाने के लिए उन पर विशेष "ब्लैक मैजिक" कोटिंग्स का उपयोग करने की कोशिश कर रहे हैं जो रडार तरंगों को वापस उछालने के बजाय उन्हें निगल लेती हैं। लेकिन इसमें एक पेंच है: ये कोटिंग्स अक्सर भारी, पपड़ीदार होती हैं और विमान के तेज़ उड़ने पर उखड़ सकती हैं। यह एक तेज़ चलती कार पर एक भारी, गीले कंबल को टेप से चिपकाने जैसा है; यह एक पल के लिए काम कर सकता है, लेकिन यह लंबे समय तक चलने के लिए नहीं बना है।

इस समस्या को हल करने के लिए, इंजीनियर अब विमान की "त्वचा" को ही छिपने के काम में लगाने की कोशिश कर रहे हैं। वे ऐसे पदार्थ बनाना चाहते हैं जो विमान को जोड़ने के लिए पर्याप्त मजबूत हों और साथ ही रडार तरंगों को निगलने के लिए भी पर्याप्त स्मार्ट हों। मुख्य विचार "मेटासरफेस" (metasurfaces) का है। एक मेटासरफेस को ठोस पदार्थ के ब्लॉक के रूप में नहीं, बल्कि एक विशाल, उच्च-तकनीकी पिक्सेलेटेड स्क्रीन के रूप में सोचें। जिस तरह एक कंप्यूटर स्क्रीन चित्र बनाने के लिए छोटे लाल, हरे और नीले बिंदुओं का उपयोग करती है, उसी तरह एक मेटासरफेस तरंगों के टकराने के तरीके को नियंत्रित करने के लिए सूक्ष्म पैटर्न का उपयोग करता है। यदि आप इन पैटर्न को सही ढंग से व्यवस्थित कर सकें, तो आप रडार को यह विश्वास दिला सकते हैं कि विमान वहां है ही नहीं, या कम से कम वह वास्तव में जितना बड़ा है उससे बहुत छोटा है। सबसे बड़ी चुनौती इन पैटर्न को पतला, मजबूत और बिना टूटे रडार की विभिन्न आवृत्तियों (frequencies) को सोखने में सक्षम बनाना रहा है।

कोरल-ग्राफीन रेसिपी (The Coral-Graphene Recipe)

इस अध्ययन में, नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ग्लास फाइबर से बने कपड़े पर एक विशेष प्रकार की "त्वचा" उगाने का निर्णय लिया। वे एक ऐसा पदार्थ बनाना चाहते थे जो मजबूत भी हो और रडार से छिपने में भी अविश्वसनीय रूप से कुशल हो। इसे करने के लिए, उन्होंने मेथनॉल और इथेनॉल नामक दो प्रकार के अल्कोहल का एक चतुर प्रयोग किया।

कल्पना कीजिए कि आप कुकीज़ बना रहे हैं। यदि आप केवल एक ही प्रकार के आटे का उपयोग करते हैं, तो आपको एक समान बनावट मिलती है। लेकिन यदि आप दो अलग-अलग प्रकार के आटे को मिलाते हैं, तो आपको एक ऐसी कुकी मिल सकती है जिसकी अनूठी, भुरभुरी बनावट किसी विशिष्ट रेसिपी के लिए एकदम सही हो। शोधकर्ताओं ने कार्बन के साथ भी कुछ ऐसा ही किया। उन्होंने मेथानॉल और इथेनॉल को अत्यधिक तापमान पर गर्म किया ताकि वे कार्बन "धूल" में बदल जाएं जो ग्लास फाइबर पर जम सके।

• मेथनॉल ने चिकने, सपाट आटे की तरह काम किया, जिससे ग्राफीन (कार्बन का एक अति-पतला, मजबूत रूप) की साफ, सपाट परतें बनीं।
• इथेनॉल ने भुरभुरे आटे की तरह काम किया, जिससे अव्यवस्थित, घुमावदार कार्बन क्लस्टर बने।

जब उन्होंने इन दोनों अल्कोहल को बिल्कुल सही अनुपात में मिलाया, तो कार्बन केवल सपाट नहीं पड़ा। इसके बजाय, यह एक ऐसी संरचना में विकसित हुआ जो कोरल (मूंगा) जैसा दिखता था। ग्राफीन की सूक्ष्म, ऊर्ध्वाधर (vertical) परतें फाइबर की सतह से ऊपर की ओर फूट पड़ीं, जिससे एक ऊबड़-खाबड़, 3D जंगल बन गया। यह "कोरल" आकार एक गेम-चेंजर था क्योंकि यह प्रकाश और ऊर्जा को सोखने में अत्यंत सक्षम था। यह ऊर्जा को पकड़ने में इतना अच्छा था कि जब उन्होंने इस पर लेजर चमकाया, तो लेजर आसानी से कांच के फाइबर को नुकसान पहुँचाए बिना कार्बन को "खा" गया।

लेजर नक्काशी का खेल (The Laser Etching Game)

एक बार जब उनके पास इस कोरल जैसी कार्बन त्वचा आ गई, तो उन्हें इसे एक "कोडिंग मेटासरफेस" में बदलने की आवश्यकता थी। इसे "लाइट्स आउट" (Lights Out) के विशाल खेल या एक पिक्सेल आर्ट पहेली की तरह समझें। लक्ष्य एक ऐसा पैटर्न बनाना है जहाँ कुछ वर्ग चालक (conductive/resistive) हों और अन्य पूरी तरह से खाली (open circuit) हों, जिससे रडार तरंगें गुजर सकें।

शोधकर्ताओं ने कार्बन की त्वचा के कुछ हिस्सों को "नक्काशी" करने या जलाने के लिए एक उच्च-सटीक लेजर का उपयोग किया। चूंकि कोरल संरचना लेजर ऊर्जा को इतनी अच्छी तरह से सोख लेती थी, इसलिए वे इस बात पर नियंत्रण रख सकते थे कि कितना कार्बन हटाना है।

• यदि वे कार्बन को वैसे ही छोड़ देते, तो इसमें कम प्रतिरोध (बिजली के लिए एक चौड़े हाईवे की तरह) होता।
• यदि वे इसे आंशिक रूप से जला देते, तो प्रतिरोध बढ़ जाता (एक संकीर्ण, ऊबड़-खाबड़ सड़क की तरह)।
• यदि वे इसे पूरी तरह से जला देते, तो फाइबर फिर से खाली हो जाता, जो रडार तरंगों के लिए एक खुली खिड़की की तरह काम करता।

लेजर की शक्ति और गति को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे कपड़े पर चार अलग-अलग "प्रतिरोध अवस्थाओं" (resistance states) को बना सके। इसने उन्हें इस सामग्री पर एक जटिल, अदृश्य कोड पेंट करने की अनुमति दी।

AI का मस्तिष्क

इस कोड के लिए सही पैटर्न डिजाइन करना एक अंधे व्यक्ति द्वारा रुबिक क्यूब (Rubik's Cube) को हल करने जैसा है। इसमें अरबों संभावित संयोजन हैं, और यह अनुमान लगाना कि कौन सा सबसे अच्छा काम करेगा, बहुत लंबा समय ले सकता है। इसलिए, टीम ने मदद के लिए एक "मस्तिष्क" का उपयोग किया: एक कंप्यूटर प्रोग्राम जिसने एक जेनेटिक एल्गोरिदम (जो सर्वोत्तम समाधान खोजने के लिए विकास की नकल करता है) को एक कनवल्शनल न्यूरल नेटवर्क (AI का एक प्रकार जो परिणामों की भविष्यवाणी करना सीखता है) के साथ जोड़ा।

AI को हजारों सिमुलेशन पर प्रशिक्षित किया गया था ताकि यह पता लगाया जा सके कि प्रतिरोध की चार अवस्थाओं का कौन सा विशिष्ट संयोजन सबसे अधिक रडार तरंगों को निगल लेगा। इसने जल्दी ही एक "विजेता पैटर्न" की पहचान की जो एक जटिल, सममित मोज़ेक (mosaic) जैसा दिखता था।

परिणाम: पतला, मजबूत और अदृश्य (The Results: Thin, Strong, and Stealthy)

जब उन्होंने अंतिम उत्पाद बनाया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। उन्होंने अपने ग्राफीन कोडिंग मेटासरफेस को 3 मिमी मोटी फोम की परत (लगभग कुछ सिक्कों के ढेर जितनी मोटाई) के साथ जोड़ा।

• अवशोषण (Absorption): यह पतला सैंडविच आवृत्तियों की एक विशाल सीमा पर रडार तरंगों को सोख सकता था। विशेष रूप से, इसने 7.3 GHz की प्रभावी अवशोषण बैंडविड्थ (9.6 से 16.9 GHz की रेंज को कवर करते हुए) प्राप्त की जहाँ इसने रडार ऊर्जा को कम से कम 96.8% तक सोख लिया (Reflection Loss ≤ -15 dB)। सरल शब्दों में, इस विशिष्ट आवृत्ति रेंज के भीतर, इसने टकराने वाली लगभग सभी रडार ऊर्जा को निगल लिया, जिससे रडार स्क्रीन पर लगभग कुछ भी दिखाई नहीं देता।
• पंख पर स्टील्थ (Stealth on a Wing): वास्तविक दुनिया में परीक्षण करने के लिए, उन्होंने इस सामग्री को एक मॉडल हवाई जहाज के पंख के चारों ओर लपेटा। जब उन्होंने इसके ऊपर रडार चमकाया, तो पंख का "सिग्नेचर" (रडार को वह कितना बड़ा दिखता है) कम से कम 10 dB तक सिकुड़ गया। यह एक बहुत बड़ी कमी है, जिससे सामान्य धातु के पंख की तुलना में वह पंख एक छोटे से बिंदु जैसा दिखने लगा।
• टिकाऊपन (Durability): पुरानी कोटिंग्स के विपरीत जो उखड़ जाती हैं, यह सामग्री सीधे फाइबर पर उगाई गई थी, जिससे यह संरचना का हिस्सा बन गई। यह लचीली थी और बिना टूटे पंख के साथ मुड़ सकती थी।

शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि यह विधि लचीली है। AI के निर्देशों को बदलकर, वे आसानी से विभिन्न जरूरतों के लिए अलग-अलग पैटर्न डिजाइन कर सकते थे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह "कोरल-ग्राफीन" दृष्टिकोण विमानों को मजबूत और रडार से अदृश्य बनाने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण है। हालांकि उन्होंने उल्लेख किया कि सामग्री को और भी पतला बनाना या अधिक कार्य जोड़ना (जैसे बर्फ को रोकने के लिए पंख को गर्म करना) भविष्य की चुनौती होगी, लेकिन इस अध्ययन ने सफलतापूर्वक साबित कर दिया है कि आप अल्कोहल के मिश्रण, लेजर और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का उपयोग करके एक मजबूत कपड़े पर एक स्मार्ट, अदृश्य त्वचा उगा सकते हैं।