Magneto-Hyperdynamic Energetic Liquid Metals
यह शोध पत्र एक मैग्नेटो-हाइपरडायनामिक ऊर्जावान तरल धातु सम्मिश्र के विकास की रिपोर्ट करता है, जो प्रेरण तापन (इंडक्शन हीटिंग) और एक नवीन B-Ga₂O₃ ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया की सहकारी प्रणाली के माध्यम से, अत्यधिक तापमान और विस्तार आउटपुट के साथ तीव्र, रिमोट-कंट्रोल दहन प्राप्त करने के लिए तरल धातुओं की अंतर्निहित जड़ता पर विजय प्राप्त करता है।
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दशकों से, वैज्ञानिकों ने तरल धातुओं को एक परम निष्क्रिय सामग्री के रूप में माना है। ये मिश्र धातु हैं, जो अक्सर गैलियम और इंडियम से बने होते हैं, जो पानी की तरह बहते हैं लेकिन तांबे की तरह बिजली और ऊष्मा का संचालन करते हैं। क्योंकि ये गैर-विषाक्त हैं और कमरे के तापमान पर तरल अवस्था में रहते हैं, इसलिए ये लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स, सॉफ्ट रोबोट और चिकित्सा उपकरणों के लिए पसंदीदा सामग्री बन गए हैं। प्रचलित धारणा यह रही है कि हालांकि आप इन धातुओं को आकार दे सकते हैं या चुंबक से उन्हें हिला सकते हैं, वे रासायनिक रूप से निष्क्रिय होते हैं। उन्हें कार्यात्मक सिंक (functional sinks) के रूप में देखा जाता है—ऐसी सामग्रियां जो ऊर्जा को अवशोषित करती हैं या उसे दूर ले जाती हैं—लेकिन वे स्वयं ऊर्जा के स्रोत कभी नहीं हो सकतीं। यह विचार कि तरल धातु का एक गोला अचानक आग पकड़ सकता है, हिंसक रूप से जल सकता है या कमांड पर फट सकता है, असंभव माना जाता था, जो उनकी स्थिर, सुरक्षित तरल प्रकृति के विपरीत था।
इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को अब डालियन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और यूनिवर्सिटी ऑफ मैरीलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने चुनौती दी है। उन्होंने एक नए प्रकार की सामग्री बनाई है जो इस निष्क्रिय तरल को एक शक्तिशाली, रिमोट-नियंत्रित ऊर्जा स्रोत में बदल देती है। एक मानक गैलियम-इंडियम मिश्र धातु में विशिष्ट एडिटिव्स मिलाकर और इसे एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से हिलाकर, उन्होंने एक ऐसा कंपोजिट तैयार किया है जो तब तक शांत रह सकता है जब तक कि इसे चुंबकीय क्षेत्र द्वारा ट्रिगर न किया जाए, जिस बिंदु पर यह एक हिंसक परिवर्तन से गुजरता है। परिणाम एक ऐसा पदार्थ है जो एक सेकंड के भीतर 1,200 डिग्री सेल्सियस से अधिक गर्म हो जाता है और अपने मूल आकार से दोगुने से अधिक फैल जाता है। यह खोज बताती है कि तरल धातुएं, जिन्हें लंबे समय तक बहुत स्थिर माना जाता था, को रासायनिक ऊर्जा संग्रहीत करने और आवश्यकता पड़ने पर इसे तुरंत मुक्त करने के लिए पुन: इंजीनियर किया जा सकता है।
वह सामग्री, जिसे शोधकर्ता 'मैग्नेटो-हाइपरडायनामिक एनर्जेटिक लिक्विड मेटल' कहते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया के माध्यम से निर्मित होती है जो साधारण मंथन (stirring) से शुरू होती है। टीम ने एक मानक तरल धातु मिश्र धातु ली और इसमें बोरॉन पाउडर, नियोडिमियम-आयरन-बोरॉन से बने चुंबकीय कण, और गैलियम ऑक्साइड के सूक्ष्म कण मिलाए जो मिश्रण के दौरान स्वाभाविक रूप से बनते हैं। जैसे ही उन्होंने नियंत्रित समय के लिए मिश्रण को हिलाया, तरल धातु ने ऑक्साइड फिल्मों के नेटवर्क के भीतर हवा के पॉकेट को फंसा लिया, जिससे तरल के भीतर एक छिद्रपूर्ण स्पंज जैसी संरचना बन गई। यह संरचना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इस बात को बदल देती है कि सामग्री ऊष्मा और बिजली के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। फंसी हुई हवा और ऑक्साइड नेटवर्क सामग्री को बिजली के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाते हैं, जो बदले में इसे चुंबकीय क्षेत्र से ऊर्जा अवशोषित करने में बहुत अधिक कुशल बनाता है।
जब इस नई सामग्री के नमूने को एक अल्टरनेटिंग (alternating) चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो दो चरणों वाली प्रतिक्रिया शुरू होती है। पहले, चुंबकीय क्षेत्र सामग्री के भीतर एक विद्युत धारा प्रेरित करता है, जिससे यह तेजी से गर्म होने लगती है। इस प्रारंभिक हीटिंग में सामग्री की छिद्रपूर्ण संरचना सहायता करती है, जो एक स्पंज की तरह विद्युत चुंबकीय ऊर्जा को सोख लेती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़कर लगभग 700 डिग्री सेल्सियस तक पहुँचता है, एक महत्वपूर्ण सीमा प्राप्त होती है। इस बिंदु पर, एक छिपी हुई रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू हो जाती है। बोरॉन के कण, जो तरल के भीतर सुप्त अवस्था में थे, गैलियम ऑक्साइड नेटवर्क के साथ हिंसक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं। यह कोई धीमी जलन नहीं है; यह रासायनिक ऊर्जा का एक अचानक, विस्फोटक उत्सर्जन है जो एक आंतरिक एम्पलीफायर के रूप में कार्य करता है। एक सेकंड के भीतर, तापमान 1,275 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है, और सामग्री हिंसक रूप से जल उठती है, जिससे वह अपने मूल आयतन से दोगुने से अधिक फैल जाती है।
इस उपलब्धि को जो चीज़ विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाती है, वह है शोधकर्ताओं का इस प्रक्रिया पर नियंत्रण का स्तर। उन्होंने पाया कि मिश्रण को हिलाने की अवधि को समायोजित करके, वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि कितनी हवा फंसी हुई है, जो सीधे तौर पर यह प्रभावित करता था कि सामग्री कितनी विस्तारित होगी। उन्होंने यह भी खोजा कि चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति (frequency) प्रतिक्रिया के लिए एक सटीक डायल के रूप में कार्य करती है। चुंबकीय तरंगों की आवृत्ति बदलकर, वे प्रतिक्रिया की गति को ट्यून कर सकते थे, जिससे इसे एक सेकंड में होने या कई सेकंडों तक धीमा होने के लिए बनाया जा सकता था। वे चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति या नमूने के आकार को बदलकर पीक तापमान को भी समायोजित कर सकते थे। इसका अर्थ है कि सामग्री केवल एक बार फटने वाला विस्फोटक नहीं है; बल्कि यह एक प्रोग्रामेबल सिस्टम है जहाँ ऊर्जा रिलीज का समय और तीव्रता विभिन्न जरूरतों के लिए अनुकूलित की जा सकती है।
शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि गर्मी केवल चुंबकीय क्षेत्र या साधारण घर्षण से आई थी। उनके प्रयोगों ने दिखाया कि बोरॉन और ऑक्साइड नेटवर्क के विशिष्ट संयोजन के बिना, सामग्री गर्म तो होती लेकिन कभी भी अत्यधिक तापमान तक नहीं पहुँच पाती या हिंसक विस्तार प्रदर्शित नहीं करती। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि प्रतिक्रिया एक यादृच्छिक घटना नहीं है बल्कि बोरॉन और गैलियम ऑक्साइड के बीच परस्पर क्रिया से संचालित एक नियंत्रित रासायनिक प्रक्रिया है। चुंबकीय कणों का उपयोग करके जो मिश्रण में बोरॉन छोड़ते हैं, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि प्रतिक्रिया के लिए ईंधन हमेशा मौजूद रहे और तापमान सही बिंदु पर पहुँचने पर प्रज्वलित होने के लिए तैयार रहे। यह पुष्टि करता है कि ऊर्जा एक संग्रहीत रासायनिक क्षमता से आती है जिसे चुंबकीय ट्रिगर द्वारा अनलॉक किया जाता है, न कि केवल चुंबकीय ऊर्जा के सीधे ऊष्मा में रूपांतरण से।
यह कार्य इस धारणा को उलट देता है कि तरल धातुएं स्वाभाविक रूप से निष्क्रिय और ऊर्जावान व्यवहार करने में असमर्थ हैं। यह एक नया डिजाइन सिद्धांत स्थापित करता है जहाँ नरम, सुरक्षित सामग्रियों को रासायनिक ऊर्जा संग्रहीत करने और रिमोट कमांड पर इसे मुक्त करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। भविष्य की तकनीक के लिए इसके निहितार्थ पर्याप्त हैं। क्योंकि सामग्री को वायरलेस तरीके से और तुरंत ट्रिगर किया जा सकता है, इसका उपयोग उन स्थानों पर तीव्र, उच्च-तीव्रता वाली ऊष्मा के लिए किया जा सकता है जहाँ पहुँचना कठिन है, जैसे कि पानी के नीचे या अंतरिक्ष में। यह माइक्रो-थ्रस्टर्स के लिए एक पावर सोर्स, खतरनाक वातावरण में स्व-निहित वेल्डिंग के एक तरीके के रूप में, या तैनात होने वाली संरचनाओं के तंत्र के रूप में कार्य कर सकता है जिन्हें मिलीसेकंड में फैलने की आवश्यकता होती है। अध्ययन बताता है कि मेटास्टेबल इंटरफेस और रिएक्टिव कपल्स को जानबूझकर सॉफ्ट सामग्रियों में पेश करके, वैज्ञानिक सौम्य, आकार योग्य पुट्टी को एक शक्तिशाली, प्रोग्रामेबल ऊर्जा स्रोत में बदल सकते हैं जो केवल एक विशिष्ट संकेत दिए जाने पर सक्रिय होता है।
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