Construction of 0D/2D M/rGO@EuMOF Multiscale Heterostructures for Integrated High-Efficiency Microwave Absorption and Corrosion Protection

आधुनिक रक्षा और समुद्री इंजीनियरिंग की जटिल दुनिया में, सामग्रियां एक दोहरे खतरे का सामना करती हैं जिसे एक साथ हल करना कठिन है। एक ओर, उन्नत रडार सिस्टम विशाल दूरियों से वस्तुओं का पता लगा सकते हैं, जिससे स्टील्थ (stealth) एक महत्वपूर्ण आवश्यकता बन जाती है। छिपने के लिए, इन जहाजों को ऐसे कोटिंग्स की आवश्यकता होती है जो रडार तरंगों को वापस उछालने के बजाय उन्हें सोख सकें। दूसरी ओर, समुद्र स्वयं एक निरंतर शत्रु है। खारा पानी और नमी लगातार धातु की सतहों पर हमला करते हैं, जिससे जंग और संरचनात्मक क्षय होता है जो अंततः एक जहाज को नष्ट कर सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक एक ऐसी एकल सामग्री बनाने के लिए संघर्ष कर रहे हैं जो ये दोनों काम कर सके: विद्युत चुंबकीय ऊर्जा को अवशोषित करना ताकि वे अदृश्य रहें और जंग को रोकने के लिए एक मजबूत अवरोध बनाना। आमतौर पर, जो सामग्रियां एक कार्य में अच्छी होती हैं, वे दूसरे में विफल हो जाती हैं, या वे कठोर वातावरण में जल्दी खराब हो जाती हैं।

AVIC चेंगडू एयरक्राफ्ट इंडस्ट्रियल ग्रुप और साउथवेस्ट जियाओतोंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो अलग-अलग प्रकार की संरचनाओं को मिलाकर एक मिश्रित सामग्री (composite material) बनाकर इस समस्या के प्रति एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है। उन्होंने एक हाइब्रिड सिस्टम बनाया है जहाँ सपाट, शीट जैसी परतों पर छोटे, गोलाकार कणों को सुरक्षित रूप से लगाया गया है। यह डिज़ाइन इस सामग्री को रडार तरंगों और समुद्र के संक्षारक तत्वों दोनों के खिलाफ एक परिष्कृत ढाल के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है। इन कणों की मात्रा को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, टीम ने एक ऐसा कोटिंग प्राप्त किया जो न केवल उच्च दक्षता के साथ रडार संकेतों को अवशोषित करता है, बल्कि खारे पानी में स्टील को जंग से बचाने के लिए हफ्तों तक सुरक्षा भी प्रदान करता है, जो अधिक टिकाऊ और स्टील्थ समुद्री उपकरणों की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रस्तुत करता है।

शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री से शुरुआत की जिसे MBene के रूप में जाना जाता है, जो लोहा, एल्युमीनियम और बोरॉन से बनी एक प्रकार की द्वि-आयामी (two-dimensional) शीट है। ये शीट स्वाभाविक रूप से चुंबकीय और चालक (conductive) होती हैं, जो विद्युत चुंबकीय तरंगों के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए उपयोगी गुण हैं। इसे और भी प्रभावी बनाने के लिए, टीम ने MBene शीट की सतह पर रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड (एक चालक कार्बन सामग्री) की एक परत लगाई। इसने एक चालक, चुंबकीय आधार तैयार किया। अगला चरण इस आधार पर सीधे तीसरी घटक को उगाना था: यूरोपियम तत्व वाले मेटल-ऑर्जैनिक फ्रेमवर्क से बने छोटे गोले। इन गोलों को हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया का उपयोग करके इन-सिटू (in-situ) उगाया गया था, जिसका अर्थ है कि उन्हें एक गर्म जल-आधारित घोल में बनाया गया था। परिणाम स्वरूप एक ऐसी संरचना प्राप्त हुई जहाँ सपाट शीटों ने तीन-आयामी गोलों के लिए एक मचान (scaffold) के रूप में कार्य किया, जिससे एक मल्टीस्केल इंटरफेस बना जहाँ दोनों सामग्रियां मिलती हैं।

टीम ने परीक्षण किया कि इन यूरोपियम गोलों की विभिन्न मात्राओं ने सामग्री के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि गोलों की मात्रा महत्वपूर्ण थी। यदि वे बहुत कम थे, तो सामग्री उतनी अच्छी तरह से रडार तरंगों को अवशोषित नहीं कर पाती थी जितनी वह कर सकती थी। यदि वे बहुत अधिक थे, तो गोले आपस में गुच्छे बना लेते थे और चालक मार्गों को अवरुद्ध कर देते थे, जिससे सामग्री तरंगों को अवशोषित करने के बजाय उन्हें परावर्तित (reflect) करने लगती थी। सबसे अच्छा संतुलन एक विशिष्ट नमूने में पाया गया, जिसे उन्होंने MG@E3 नाम दिया। इस नमूने ने 2.1 मिलीमीटर की मोटाई पर -54.02 डेसिबल का न्यूनतम प्रतिबिंब नुकसान (reflection loss) प्राप्त किया। व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ यह है कि जब रडार तरंगें इस कोटिंग से टकराती हैं, तो लगभग सभी ऊर्जा रडार रिसीवर की ओर वापस उछलने के बजाय अवशोषित होकर ऊष्मा के रूप में नष्ट हो जाती है। यह सामग्री आवृत्तियों (frequencies) की एक विस्तृत श्रृंखला बनाए रखने में भी सक्षम रही, जो केवल 1.4 मिलीमीटर की मोटाई पर 4.5 गीगाहर्ट्ज़ के बैंडविड्थ में प्रभावी थी।

इस सफलता के पीछे का तंत्र सपाट शीटों और गोलों के बीच के अनूठे संबंध पर निर्भर करता है। जब रडार तरंगें सामग्री में प्रवेश करती हैं, तो शीटों का चालक नेटवर्क और MBene के चुंबकीय गुण तरंगों को धीमा करने और उन्हें फँसाने में मदद करते हैं। सपाट शीटों और गोलाकार कणों के बीच का इंटरफेस एक ऐसा क्षेत्र बनाता है जहाँ विद्युत आवेश जमा होते हैं और दोलन (oscillate) करते हैं, जिसे इंटरफेशियल पोलराइजेशन (interfacial polarization) कहा जाता है। यह दोलन रडार तरंग की ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित कर देता है। इसके अतिरिक्त, गोलों के भीतर मौजूद कार्बनिक अणु तरंगों को और अधिक बाधित करने वाले केंद्रों के रूप में कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से पुष्टि की कि यह विशिष्ट व्यवस्था तरंगों को सतह से परावर्तित होने के बिना सामग्री में सुचारू रूप से प्रवेश करने देती है, और फिर उन्हें अंदर फंसने और नष्ट होने के लिए मजबूर करती है।

रडार से छिपने की अपनी क्षमता के अलावा, यह सामग्री संक्षारण (corrosion) के विरुद्ध एक उत्कृष्ट रक्षक के रूप में भी सिद्ध हुई। शोधकर्ताओं ने स्टील प्लेटों को अपने मिश्रित पदार्थ से कोट किया और उन्हें 21 दिनों तक खारे पानी के घोल में डुबोकर रखा। उन्होंने विद्युत प्रतिरोध का परीक्षण करके यह मापा कि कोटिंग ने स्टील को जंग से बचाने में कितनी कुशलता से काम किया। इस श्रेणी में सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले नमूने, MG@E2 ने, तीन सप्ताह तक खारे पानी में रहने के बाद 94.8 प्रतिशत की सुरक्षा दक्षता बनाए रखी। इस उच्च स्तर की सुरक्षा कोटिंग की भौतिक संरचना से आती है। सपाट शीटें एक लंबा, घुमावदार रास्ता बनाती हैं जिसे संक्षारक नमक और पानी को धातु तक पहुँचने के लिए तय करना पड़ता है, जिसे अक्सर 'मेज़ इफेक्ट' (maze effect) कहा जाता है। गोलाकार कण शीटों के बीच के सूक्ष्म अंतराल और छिद्रों को भर देते हैं, जिससे अवरोध और भी अधिक सघन और संक्षारक एजेंटों के लिए प्रवेश करना कठिन हो जाता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में यह सामग्री कैसा प्रदर्शन करेगी, जिसके लिए रडार क्रॉस-सेक्शन का अनुकरण किया गया, जो किसी वस्तु की दृश्यता का एक माप है। सिमुलेशन ने दिखाया कि कोटिंग लक्ष्य के रडार सिग्नेचर को लगभग 31.85 डेसिबल तक कम कर सकती है। यह महत्वपूर्ण कमी का अर्थ है कि इस सामग्री से लेपित जहाज या विमान रडार प्रणाली के लिए बहुत छोटा दिखाई देगा, जिससे उसे पहचानना काफी कठिन हो जाएगा। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि सामग्री का प्रदर्शन उसके घटकों के सटीक संतुलन पर अत्यधिक निर्भर है। गोलाकार घटक की बहुत अधिक मात्रा चालक नेटवर्क को बाधित करती है, जबकि बहुत कम मात्रा तरंगों को अवशोषित करने के लिए पर्याप्त पोलराइजेशन केंद्र प्रदान करने में विफल रहती है।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक ऐसी एकल सामग्री विकसित करना संभव है जो समुद्री रक्षा की दो सबसे चुनौतीपूर्ण समस्याओं को संबोधित करती है: स्टील्थ और स्थायित्व। चालक चुंबकीय शीटों पर सीधे गोलाकार कणों को उगाकर, शोधकर्ताओं ने एक स्थिर इंटरफेस बनाया है जो विद्युत चुंबकीय अवशोषण और भौतिक अवरोध गुणों दोनों को बढ़ाता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इसके घटकों के सटीक नियंत्रण के साथ, ऐसी कोटिंग्स बनाना संभव है जो न केवल वस्तुओं को रडार से छिपाने में प्रभावी हैं, बल्कि लंबे समय तक समुद्र की कठोर परिस्थितियों का सामना करने के लिए पर्याप्त मजबूत भी हैं। यह अध्ययन भविष्य की सुरक्षा प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट प्रयोगात्मक आधार प्रदान करता है जो एक कार्य के लिए दूसरे का त्याग किए बिना जटिल वातावरण में विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकें।