Thermoelastic damping analysis to CNTs/GPLs-reinforced FG microplate under nonlocal strain gradient theory incorporating surface effects and three-phase-lag heat conduction model

हमारे आधुनिक विश्व को शक्ति प्रदान करने वाली नन्ही मशीनों के भीतर, हमारे स्मार्टफोन के सेंसरों से लेकर मानव शरीर में नेविगेट करने वाले चिकित्सा प्रोब तक, ऊर्जा की हानि के विरुद्ध एक निरंतर, अदृश्य संघर्ष चल रहा है। ये उपकरण, जिन्हें माइक्रो-इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (MEMS) के रूप में जाना जाता, उन हिस्सों पर निर्भर करते हैं जो अत्यधिक सटीकता के साथ कंपन करते हैं। हालाँकि, जैसे ही ये हिस्से एक मानव बाल के आकार या उससे भी छोटे पैमाने तक सिकुड़ते हैं, वे उन ठोस वस्तुओं की तरह व्यवहार करना बंद कर देते हैं जिन्हें हम रोज़ देखते हैं। इंजीनियरों के सामने सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक एक घटना है जिसे 'थर्मोइलास्टिक डैम्पिंग' (thermoelastic damping) कहा जाता है। यह एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ कंपन करने वाले भाग की यांत्रिक ऊर्जा चुपचाप ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है और हमेशा के लिए नष्ट हो जाती है। जब एक बीम झुकती है, तो एक तरफ दबाव बनता है जिससे वह थोड़ा गर्म हो जाती है, जबकि दूसरी तरफ खिंचाव आता है जिससे वह ठंडी हो जाती है। यह सूक्ष्म तापमान अंतर गर्मी को गर्म हिस्से से ठंडे हिस्से की ओर प्रवाहित करता है। यह प्रवाह अपरिवर्तनीय है, और यह कंपन से ऊर्जा को सोख लेता है, जिससे उपकरण हिलना बंद कर देता है या अपनी सटीकता खो देता है। अगली पीढ़ी के अति-संवेदनशील उपकरणों के लिए, इस ऊर्जा हानि को कम करना एक ऐसे उपकरण और विफल होने वाले उपकरण के बीच का अंतर है जो काम करता है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता उन्नत सामग्रियों की ओर मुड़ रहे हैं जिन्हें परमाणु स्तर पर इंजीनियर किया जा सकता है। एक सूक्ष्म प्लेट की कल्पना करें, जो एक बाल के धागे से भी पतली है, और जिसे विज्ञान के दो सबसे मजबूत और सबसे सुचालक पदार्थों: कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन प्लेटलेट्स के साथ सुदृढ़ किया गया है। कार्बन नैनोट्यूब कार्बन परमाणुओं से बनी सूक्ष्म, खोखली स्ट्रॉ (नली) की तरह हैं, जबकि ग्राफीन प्लेटलेट्स उसी सामग्री की छोटी, सपाट शीट की तरह हैं। इन दोनों को एक पॉलीमर मैट्रिक्स में मिलाकर और उन्हें विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित करके, वैज्ञानिक एक ऐसा पदार्थ बना सकते हैं जो अविश्वसनीय रूप से सख्त भी है और गर्मी को अनूठे तरीकों से प्रबंधित करने में भी सक्षम है। प्रश्न यह है कि इन सूक्ष्म सुदृढीकरणों की व्यवस्था, कंपन करने वाली प्लेट में ऊर्जा की हानि को कैसे प्रभावित करती है, विशेष रूप से जब प्लेट इतनी छोटी होती है कि भौतिकी के वे नियम लागू नहीं होते जिनका उपयोग हम पुलों और इमारतों के लिए करते हैं?

लानझोउ यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन हाइब्रिड माइक्रोप्लेट्स के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर इस प्रश्न को हल किया है। उन्होंने केवल सामग्रियों को ही नहीं देखा; उन्हें इस तथ्य को भी ध्यान में रखना था कि इस सूक्ष्म पैमाने पर, सामग्री की सतह उतनी ही महत्वपूर्ण है जितना कि उसका आंतरिक भाग। उन्हें यह भी विचार करना था कि ऊष्मा तुरंत यात्रा नहीं करती है, जैसा कि शास्त्रीय भौतिकी मानती है, बल्कि उसे चलने में बहुत कम समय लगता है—एक ऐसा विलंब जो तेज़ कंपन करने वाले सूक्ष्म-उपकरणों में महत्वपूर्ण हो जाता है। उन सिद्धांतों को मिलाने के बाद जो यह वर्णन करते हैं कि सामग्रियां छोटे आकार पर कैसे नरम या सख्त होती हैं, और एक ऐसे मॉडल के साथ जो ऊष्मा प्रवाह में इन सूक्ष्म विलंबों को ट्रैक करता है, टीम ने इन संरचनाओं में ऊर्जा की हानि का एक विस्तृत मानचित्र तैयार किया।

शोधकर्ताओं ने प्लेट के भीतर कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन प्लेटलेट्स को व्यवस्थित करने के चार अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया। एक पैटर्न में, सामग्रियां पूरे प्लेट में समान रूप से फैली हुई थीं। दूसरे में, वे बीच में केंद्रित थीं। तीसरे में, वे बिल्कुल ऊपरी और निचले सतहों पर क्लस्टर (समूह) के रूप में थीं। चौथे में, उन्हें असममित (asymmetrically) रूप से व्यवस्थित किया गया था। सिमुलेशन ने एक स्पष्ट विजेता दिखाया: उस पैटर्न ने, जिसने सबसे मजबूत सामग्रियों को ऊपरी और निचली सतहों पर रखा था, ऊर्जा की हानि या डैम्पिंग की उच्चतम मात्रा उत्पन्न की। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि झुकने वाली प्लेट के ऊपरी और निचले हिस्से सबसे अधिक तनाव का अनुभव करते हैं, और वहां सबसे सख्त सामग्रियों का होना उस ऊष्मा प्रवाह को चलाने वाले तापमान अंतर को अधिकतम करता है। इसके विपरीत, उस पैटर्न ने जिसमें सुदृढीकरण को बीच में रखा गया था, जहाँ तनाव सबसे कम होता है, ऊर्जा की सबसे कम हानि हुई। यह खोज अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाती है कि इंजीनियर नैनोमटेरियल्स को कहाँ रखते हैं, इसे बदलकर उपकरणों के कंपन को नियंत्रित कर सकते हैं।

अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि उपकरण का आकार नियमों को कैसे बदल देता है। जब प्लेट बहुत पतली होती है, तो सामग्री की सतह एक सख्त त्वचा की तरह कार्य करती है, जिससे पूरी संरचना को मोड़ना कठिन हो जाता है। यह सतह प्रभाव ऊर्जा की हानि को दबा देता है, लेकिन केवल एक निश्चित बिंदु तक। शोधकर्ताओं ने पाया कि बीच में सुदृढीकरण वाले पैटर्न के लिए, यह सतह प्रभाव तब भी महत्वपूर्ण बना रहता है जब प्लेट अपेक्षाकृत मोटी होती है। सतह पर सुदृढीकरण वाले पैटर्न के लिए, यह प्रभाव बहुत पहले, लगभग 2.5 एनएम (nm) पर गायब हो गया। इसका अर्थ है कि कुछ डिजाइनों के लिए, सतह के गुणों पर विचार थोड़ा बड़े घटकों में भी किया जाना चाहिए, जबकि अन्य के लिए, वे केवल अत्यंत सूक्ष्म उपकरणों में ही मायने रखते हैं।

तापमान ने परिणामों में एक आश्चर्यजनक भूमिका निभाई। जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, ऊर्जा की हानि भी बढ़ी, लेकिन यह एक सीधी रेखा में नहीं थी। जैसे-जैसे तापमान ठंडा से कमरे के तापमान तक पहुँचा, हानि तेजी से बढ़ी, लेकिन 293 केल्विन (लगभग 20 डिग्री सेल्सियस) के पार जाने के बाद इसकी वृद्धि की दर काफी धीमी हो गई। यह सुझाव देता है कि हालांकि ये उपकरण गर्म वातावरण में अधिक ऊर्जा खो देंगे, फिर भी इसमें वृद्धि की एक प्राकृतिक सीमा है, जो विभिन्न जलवायु में काम करने वाले डिजाइनरों के लिए एक प्रकार की पूर्वानुमेयता प्रदान करती है।

सूक्ष्म सुदृढीकरणों की ज्यामिति (geometry) भी एक विशिष्ट तरीके से मायने रखती थी। कार्बन नैनोट्यूब की मोटाई का ऊर्जा हानि पर बड़ा प्रभाव पड़ा। ट्यूबों को मोटा करने से उनके ऊष्मा संचालन और तनाव हस्तांतरण के तरीके में बदलाव आया, जिससे इंजीनियरों को डैम्पिंग को सूक्ष्म रूप से ट्यून करने की सुविधा मिली। हालाँकि, ग्राफीन प्लेटलेट्स की मोटाई बदलने का लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ा। यह अंतर विनिर्माण के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह इंजीनियरों को बताता है कि वे नैनोट्यूबों पर अपनी सटीकता केंद्रित कर सकते हैं और प्लेटलेट्स के मामले में अधिक लचीलापन रख सकते हैं।

अंत में, शोधकर्ताओं ने प्लेट के आकार और उसके कंपन करने के तरीके का परिणामों पर प्रभाव देखा। उन्होंने पाया कि प्लेट को लंबा और पतला बनाने से ऊर्जा की हानि कम हो जाती है, जो उन उच्च-सटीक सेंसरों के लिए सहायक है जिन्हें बिना रुके लंबे समय तक कंपन करने की आवश्यकता होती है। हालाँकि, उन्होंने एक विशिष्ट पैटर्न के लिए ऊर्जा हानि में एक अजीब गिरावट भी देखी, जब प्लेट 8 से 10 AU मोटी थी; यह व्यवहार सतह की कठोरता और आंतरिक सामग्री के बीच जटिल परस्पर क्रिया के कारण हुआ। इसके अलावा, जब प्लेट अधिक जटिल, उच्च-आवृत्ति मोड में कंपन करती है, तो ऊर्जा की हानि पतली प्लेटों की ओर स्थानांतरित हो जाती है, और सतह का प्रभाव और भी प्रभावी हो जाता है।

यह कार्य सूक्ष्म-मशीनों के भविष्य के डिजाइन के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है। यह दिखाता है कि कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन प्लेटलेट्स को कहाँ रखना है, यह सावधानीपूर्वक चुनकर और यह समझकर कि सतह और तापमान कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इंजीनियर ऐसे उपकरण डिजाइन कर सकते हैं जो या तो लंबे समय तक अपने कंपन को बनाए रखें या अवांछित कंपन को रोकने के लिए जल्दी से डैम्प (शांत) हो जाएं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि इस पैमाने पर इंजीनियरिंग के पुराने नियम लागू नहीं होते हैं, और हाइब्रिड सामग्रियों में ऊष्मा और गति कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसकी एक नई समझ अगली पीढ़ी की तकनीक बनाने के लिए आवश्यक है।