Engineering Printable PNIPAM/HPC Thermochromic Hydrogels through Multi-Parameter Optimization for Energy-Efficient Smart Windows

एक ऐसी खिड़की की कल्पना करें जो केवल दीवार में चुपचाप नहीं बैठी है, जो कमरे को गर्म करने या उसे ठंडा करने का इंतज़ार करती है। इसके बजाय, एक ऐसी खिड़की की कल्पना करें जो एक जीवित त्वचा की तरह काम करती है, जो तापमान को महसूस करती है और अंदर के वातावरण को आरामदायक बनाए रखने के लिए अपने ही स्वरूप को बदल लेती है। जब बाहर की हवा गर्म होती है, तो कांच धुंधला हो जाता है, जिससे सूरज की गर्मी रुक जाती है। जब हवा ठंडी होती है, तो कांच फिर से साफ हो जाता है, जिससे रोशनी और गर्माहट वापस अंदर आ सके। यह "स्मार्ट विंडोज़" (smart windows) का वादा है, एक ऐसी तकनीक जो हमारे भवनों को गर्म और ठंडा करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को काफी कम कर सकती है। वर्षों से, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो बिना बिजली या जटिल नियंत्रणों की आवश्यकता के इसे स्वचालित रूप से कर सकें। सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक एक विशेष प्लास्टिक से बना एक प्रकार का जेल है जो गर्मी के प्रति प्रतिक्रिया करता है। हालाँकि, इस प्रयोगशाला की जिज्ञासा को एक वास्तविक, किफायती उत्पाद में बदलना कठिन रहा है। ये सामग्रियाँ बहुत महंगी, आकार देने में कठिन या बड़ी इमारतों में उपयोग करने के लिए बहुत अनिश्चित रही हैं।

तेहरान में इंस्टीट्यूट फॉर कलर साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन समस्याओं को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक नया स्मार्ट विंडो मटेरियल बनाने की विधि विकसित की है जो न केवल प्रभावी है बल्कि प्रिंट करने योग्य भी है, जिसका अर्थ है कि इसे उन्नत 3D प्रिंटिंग तकनीकों का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है। उनका कार्य एक पॉलीमर 'पॉली(N-आइसोप्रोपिलएक्रिलामाइड)' से बने जेल पर केंद्रित है, जो स्वाभाविक रूप से एक विशिष्ट तापमान पर स्पष्ट से धुंधले में बदल जाता है। चुनौती यह थी कि इस जेल को इतना सस्ता और आसान बनाया जाए कि इसका बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सके। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक सामान्य, कम लागत वाले वनस्पति फाइबर को सावधानीपूर्वक मिलाकर और सरल लवणों (salts) के साथ रासायनिक नुस्खे को समायोजित करके, वे इस जेल को मानवीय आराम के लिए उपयुक्त तापमान पर बदलने के लिए ट्यून कर सकते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट नुस्खा खोजा जो खिड़की को ठंडे होने पर पारदर्शी और गर्म होने पर अपारदर्शी होने की आवश्यकता के बीच संतुलन बनाता है, और साथ ही जटिल आकारों में प्रिंट होने के लिए पर्याप्त मजबूत भी है।

इस समाधान की यात्रा जेल की संरचना को समझने से शुरू हुई। यह सामग्री पानी से भरे सूक्ष्म पॉलीमर श्रृंखलाओं का एक स्पंज जैसा नेटवर्क है। जब तापमान कम होता है, तो श्रृंखलाएं पानी को थामे रखती हैं और फैल जाती हैं, जिससे जेल स्पष्ट हो जाता है। जब तापमान बढ़ता है, तो श्रृंखलाएं पानी को छोड़ देती हैं, सिकुड़ जाती हैं और आपस में जुड़ जाती हैं, जिससे प्रकाश बिखर जाता है और जेल सफेद हो जाता है। शोधकर्ता जानते थे कि इन श्रृंखलाओं के बीच के जुड़ाव की मजबूती महत्वपूर्ण थी। यदि जुड़ाव बहुत ढीला होता, तो जेल बहुत नरम और अस्थिर होता। यदि वे बहुत सख्त होते, तो जेल प्रभावी ढंग से अपना आकार बदलने में सक्षम नहीं होता। उन्होंने श्रृंखलाओं को एक साथ जोड़ने वाले एक रासायनिक "गोंद" (glue) की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि मध्यम मात्रा में गोंद ने सबसे अच्छी संरचना बनाई: एक ऐसा नेटवर्क जो अपना आकार बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत था लेकिन पारदर्शी और अपारदर्शी अवस्थाओं के बीच स्पष्ट रूप से बदलने के लिए पर्याप्त लचीला भी था। इस विशिष्ट संतुलन ने सामग्री को गर्म होने पर लगभग 84 प्रतिशत प्रकाश को रोकने और ठंडा होने पर 90 प्रतिशत से अधिक प्रकाश को गुजरने देने में सक्षम बनाया।

एक बार जब उनके पास सही संरचना आ गई, तो टीम को उस तापमान को समायोजित करने की आवश्यकता थी जिस पर यह बदलाव होता है। जेल का प्राकृतिक स्विचिंग पॉइंट कई इमारतों के लिए थोड़ा अधिक था। इसे कम करने के लिए, उन्होंने जेलों को नमक के पानी में भिगोया। उन्होंने दो प्रकार के नमक का परीक्षण किया: एक जो रसोई में सामान्य है और दूसरा जिसका उपयोग अक्सर औद्योगिक प्रक्रियाओं में किया जाता है। रसोई के नमक, सोडियम क्लोराइड ने बहुत अच्छा काम किया। इसने सामग्री की स्पष्टता को खराब किए बिना स्विचिंग तापमान को एक आरामदायक सीमा तक कम कर दिया। औद्योगिक नमक, कैल्शियम क्लोराइड ने तापमान को और भी कम कर दिया, लेकिन इसने जेल को ठंडा होने पर भी धुंधला बना दिया, जिससे खिड़की का उद्देश्य ही विफल हो गया। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि रसोई का नमक सही विकल्प था, जिससे वे खिड़की को मानव आराम के स्तर, लगभग 27 डिग्री सेल्सियस के आसपास स्विच करने के लिए सेट कर सके।

अंतिम बाधा लागत और निर्माण क्षमता थी। जेल का मुख्य घटक महंगा है, जो बड़ी खिड़कियों को अत्यधिक खर्चीला बना देगा। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने थोड़ी मात्रा में 'हाइड्रॉक्सीप्रोपिल सेलुलोज' मिलाया, जो लकड़ी की लुगदी से प्राप्त एक सामग्री है जो सस्ती और प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है। उन्होंने इस वनस्पति फाइबर को जेल बनते समय सीधे इसमें मिला दिया। इस जुड़ाव ने दो महत्वपूर्ण काम किए। पहला, इसने महंगे प्लास्टिक की मात्रा को कम कर दिया, जिससे लागत कम हो गई। दूसरा, इसने मिश्रण की बनावट को बदल दिया, जिससे यह इतना गाढ़ा हो गया कि बिना अपना आकार खोए प्रिंटर नोजल से बाहर निकाला जा सके। इसने चार-आयामी (4D) प्रिंटिंग के द्वार खोल दिए, जहाँ एक प्रिंट की गई वस्तु पर्यावरण के जवाब में समय के साथ अपना रूप या कार्य बदल सकती है। उन्होंने पाया कि इस वनस्पति फाइबर की लगभग 30 प्रतिशत मात्रा मिलाने से आदर्श मिश्रण तैयार हुआ। इसने जेल को स्पष्ट और प्रतिक्रियाशील बनाए रखा और साथ ही इसे मजबूत और प्रिंट करने में आसान बनाया।

परिणामस्वरूप एक ऐसी सामग्री प्राप्त हुई है जो विकास के अगले चरण के लिए तैयार है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट फॉर्मूला की पहचान की है जो सही मात्रा में रासायनिक गोंद, सही नमक और सही मात्रा में वनस्पति फाइबर को जोड़ता है। यह फॉर्मूला एक ऐसा हाइड्रो जेल बनाता है जो सही तापमान पर स्विच करता है, स्पष्ट और धुंधली अवस्थाओं के बीच उत्कृष्ट कंट्रास्ट प्रदान करता है, और जटिल आकारों में प्रिंट किया जा सकता है। हालांकि यह सामग्री अभी हर इमारत में नहीं है, लेकिन यह अध्ययन आगे बढ़ने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह दिखाता है कि रसायन विज्ञान को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और नवीकरणीय सामग्रियों का उपयोग करके, ऐसी स्मार्ट खिड़कियां बनाना संभव है जो उच्च प्रदर्शन करने वाली और किफायती दोनों हों। यह दृष्टिकोण तकनीक को वास्तविकता के करीब ले जाता है, एक ऐसे भविष्य की पेशकश करता है जहाँ हमारे भवन मौसम के अनुकूल खुद को ढाल सकेंगे, ऊर्जा बचा सकेंगे और बिना किसी बिजली के स्विच के हमें आरामदायक बनाए रखेंगे।