Scalable Fabrication and Quantitative Validation of a Crescent moon shaped Thermal metamaterial for Enhanced Thermal Cloaking

ऊष्मा एक निरंतर यात्री है। भौतिक दुनिया में, यह स्वाभाविक रूप से गर्म स्थानों से ठंडे स्थानों की ओर बहती है, और तब तक फैलती रहती है जब तक कि सब कुछ एक ही तापमान पर न पहुँच जाए। संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स या नाजुक उपकरणों को डिजाइन करने वाले इंजीनियरों के लिए, यह निरंतर प्रवाह एक समस्या हो सकता है। कभी-कभी, एक विशिष्ट घटक को ठंडा रखने की आवश्यकता होती है जबकि उसके आस-पास की मशीनरी गर्म हो रही होती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 'थर्मल मेटा-मटेरियल्स' (thermal metamaterials) नामक सामग्रियों का एक वर्ग विकसित किया है। ये प्रकृति में नहीं पाए जाते; ये इंजीनियर की गई ऐसी संरचनाएं हैं जिन्हें एक संरक्षित क्षेत्र के चारों ओर ऊष्मा को निर्देशित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, ठीक वैसे ही जैसे पानी एक धारा में चट्टान के चारों ओर बहता है, जिससे चट्टान के पीछे का स्थान अप्रभावित रहता है। हालांकि इसके पीछे का सिद्धांत अच्छी तरह स्थापित है, लेकिन इन्हें वास्तविक, काम करने वाली वस्तुओं में बदलना कठिन रहा है। इनके जटिल आकार के लिए अक्सर महंगी और धीमी निर्माण विधियों की आवश्यकता होती है जो व्यावहारिक उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर बनाना कठिन है।

भारत में जेएनटीयू काकीनाडा (JNTU Kakinada) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन ऊष्मा-निर्देशित ढालों को बनाने का एक नया तरीका विकसित करके इस बाधा को दूर किया है। उन्होंने एक विशिष्ट डिजाइन पर ध्यान केंद्रित किया: तांबे और 'पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन' (polydimethylsiloxane) या पीडीएमएस (PDMS) नामक एक नरम, रबर जैसी प्लास्टिक की परतों से बना एक अर्धचंद्राकार (crescent-moon-shaped) आवरण। इन जटिल परतों को बनाने के लिए महंगे 3D प्रिंटर का उपयोग करने के बजाय, टीम ने एक सरल और अधिक किफायती तरीका विकसित किया। उन्होंने तांबे की पतली चादरें लीं, लेजर का उपयोग करके उनमें सटीक अर्धचंद्राकार अंतराल काटे, और फिर उन अंतरालों में सीधे तरल पीडीएमएस डाला। एक बार जब प्लास्टिक सख्त हो गया, तो इसने एक ठोस, बहु-परतीय मिश्रित सामग्री (composite) का रूप ले लिया जो ऊष्मा के प्रवाह को नियंत्रित कर सकती थी। यह दृष्टिकोण उच्च-तकनीकी विनिर्माण की बाधाओं को दरकिनार करता है, जिससे इन उन्नत सामग्रियों को मानक और सुलभ उपकरणों का उपयोग करके बनाने का मार्ग प्रशस्त होता है।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए अपने निर्माण का परीक्षण किया कि क्या यह वास्तव में एक केंद्रीय क्षेत्र को ऊष्मा से बचा सकता है। उन्होंने अपने तांबे और पीडीएमएस के आवरण को एक परीक्षण उपकरण (test rig) पर रखा जहाँ एक सिरा 100°C तक गर्म किया गया और दूसरे सिरे को कमरे के तापमान पर छोड़ दिया गया। उन्होंने अपने मेटा-मटेरियल की तुलना एक सादे तांबे की चादर से की, जिसमें ऊष्मा को पुनर्निर्देशित करने की कोई विशेष क्षमता नहीं है। तापमान को देखने के लिए थर्मल कैमरों का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक नाटकीय अंतर पाया। सादी तांबे की चादर में, ऊष्मा सीधे निकल गई, जिससे केंद्र का तापमान लगभग 99°C तक बढ़ गया। इसके विपरीत, मेटा-मटेरियल आवरण का केंद्र उल्लेखनीय रूप से ठंडा रहा, जो गिरकर केवल 49.9°C रह गया। इसका अर्थ है कि आवरण ने केंद्र तक पहुँचने वाली ऊष्मा के आधे से अधिक हिस्से को सफलतापूर्वक रोक दिया।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये परिणाम भौतिक परीक्षण का कोई संयोग मात्र नहीं थे, टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए। उन्होंने उसी डिजाइन के माध्यम से ऊष्मा प्रवाह का मॉडल तैयार किया, जिसमें तांबे और पीडीएमएस के ऊष्मा संचालन के विभिन्न तरीकों को ध्यान में रखा गया। कंप्यूटर मॉडल ने 53.44°C का केंद्र तापमान अनुमानित किया, जो वास्तविक दुनिया के प्रयोग में मापे गए 49.9°C के बहुत करीब था। सिमुलेशन और भौतिक परीक्षण के बीच यह मजबूत सहमति पुष्टि करती है कि उनका डिजाइन इच्छित रूप से कार्य करता है। अध्ययन ने यह भी गणना की कि आवरण ने केंद्र की कितनी कुशलता से रक्षा की। मेटा-मटेरियल ने भौतिक परीक्षणों में लगभग 41% की थर्मल सुरक्षा दक्षता प्राप्त की, जो सादे तांबे की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जिसमें लगभग कोई सुरक्षा नहीं थी। इस सामग्री ने संरक्षित क्षेत्र में बहुत अधिक समान तापमान भी बनाया, जिससे सादे धातु की तुलना में आवरण के माध्यम से तापमान के अंतर को चार गुना कम कर दिया गया।

इस परियोजना की सफलता प्रदर्शन और व्यावहारिकता के बीच इसके संतुलन में निहित है। परतों को अर्धचंद्राकार ज्यामिति के साथ एक एकल, ठोस टुकड़े में मिलाकर, शोधकर्ताओं ने उन जटिल असेंबली चरणों की आवश्यकता को समाप्त कर दिया जो अक्सर त्रुटियों का कारण बनते हैं। उन्होंने सिद्ध किया कि प्रभावी थर्मल शील्ड बनाने के लिए आपको महंगी, उच्च-तकनीकी मशीनरी की आवश्यकता नहीं है; लेजर कटिंग और साधारण कास्टिंग का संयोजन पर्याप्त है। परिणाम दर्शाते हैं कि यह विधि एक ऐसी सामग्री बना सकती है जो प्रभावी रूप से ऊष्मा तरंगों को एक संवेदनशील क्षेत्र के चारों ओर मोड़ सकती है, और दूसरी ओर के तापमान पैटर्न को इस तरह बहाल कर सकती है जैसे कि वह वस्तु वहां मौजूद ही न हो। यह कार्य इलेक्ट्रॉनिक्स और अन्य अनुप्रयोगों के लिए ऊष्मा प्रबंधन हेतु थर्मल मेटा-मटेरियल्स के व्यापक उपयोग के द्वार खोलता है, जिससे यह तकनीक सैद्धांतिक डिजाइनों से निकलकर विश्वसनीय और किफायती रूप से निर्मित होने योग्य बन जाती है।