Construction and performance test of high stability heat storage microcapsules based on physical regulation of nano-SiO2

गहरे भूमिगत स्थानों में, जहाँ खनिक उन संसाधनों को निकालते हैं जो आधुनिक जीवन को शक्ति प्रदान करते हैं, पृथ्वी स्वयं एक खतरा बन जाती है। इन गहरी सुरंगों में, चट्टान इतनी गर्म होती है कि तापमान चालीस डिग्री सेल्सियस से ऊपर जा सकता है, जिससे एक ऐसा दमनकारी वातावरण बनता है जो श्रमिकों के स्वास्थ्य और संचालन की सुरक्षा के लिए खतरा पैदा करता है। इससे निपटने के लिए, इंजीनियर एक चतुर समाधान की ओर मुड़ रहे हैं: खनन के बाद छोड़े गए खाली स्थानों को एक विशेष प्रकार के कंक्रीट से भरना जो गर्मी को अवशोषित और संग्रहीत कर सके, जो खदान को ठंडा करने के लिए एक 'थर्मल स्पंज' की तरह कार्य करे। इस स्पंज का मुख्य घटक पैराफिन है, वही मोमी पदार्थ जो मोमबत्तियों में पाया जाता है, जो पिघलने पर गर्मी को सोखने में उत्कृष्ट है। हालाँकि, इस काम के लिए पैराफिन में एक घातक दोष है: जब यह गर्म होता है, तो यह तरल में बदल जाता है और बाहर निकल आता है, जिससे कंक्रीट की मजबूती खराब हो जाती है और गंदगी फैल जाती है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक पैराफिन को एक छोटे, सुरक्षात्मक कवच में लपेट देते हैं, जिससे यह एक सूक्ष्म कैप्सूल बन जाता है जो गर्मी बढ़ने पर भी ठोस और सुरक्षित रहता है।

शेडोंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और हेनान यूनिवर्सिटी ऑफ इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन सूक्ष्म कैप्सूलों को अधिक मजबूत और सुरक्षित बनाने का लक्ष्य रखा। वे जानते थे कि शेल (कवच), जो एक सामान्य औद्योगिक रेसिन से बने होते हैं, अक्सर बहुत कमजोर होते हैं और उनके निर्माण के दौरान जहरीले रसायन लीक कर सकते हैं। इन दोनों समस्याओं को एक साथ हल करने के लिए, उन्होंने मिश्रण में नैनो-सिलिका की एक सूक्ष्म मात्रा मिलाई, जो अनिवार्य रूपतः सूक्ष्म कांच की धूल है। वे देखना चाहते थे कि क्या यह महीन पाउडर कंक्रीट में डाली जाने वाली सरिया (rebar) की तरह शेल को मजबूत कर सकता है और साथ ही निर्माण प्रक्रिया के दौरान बचे हुए अवांछित जहरीले रसायनों को सोखने वाले स्पंज के रूप में भी कार्य कर सकता है। नैनो-सिलिका की मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने एक सटीक संतुलन की खोज की जिसने एक श्रेष्ठ सामग्री तैयार की जो गहरे खदान की कठोर परिस्थितियों के लिए तैयार है।

शोधकर्ताओं ने तरल मोम की बूंदों के चारों ओर परत दर परत शेल बनाने की प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, पानी आधारित घोल में मोम, रेसिन और नैनो-सिलिका को मिलाकर शुरुआत की। उन्होंने यह देखने के लिए नैनो-सिलिका की पांच अलग-अलग मात्राओं का परीक्षण किया, जिसमें शून्य से लेकर एक छोटे प्रतिशत तक शामिल था, कि पाउडर ने अंतिम उत्पाद को कैसे बदला। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे कैप्सूलों को देखा, तो अंतर स्पष्ट था। बिना किसी नैनो-सिलिका के बने कैप्सूलों की सतह ऊबड़-खाबड़ थी जिसमें छोटे छेद और गड्ढे थे, जैसे कि एक खराब तरीके से बेक किया गया कुकी (cookie) जो असमान रूप से सिकुड़ गया हो। ये खामियां खतरनाक थीं क्योंकि ये भविष्य में मोम के बाहर निकलने के लिए रास्ते प्रदान करती थीं। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने अधिक नैनो-सिलिका मिलाया, सतह चिकनी और घनी होती गई। सूक्ष्म कांच के कणों ने सूक्ष्म अंतराल को भर दिया, जिससे एक तंग और निर्बाध त्वचा बन गई। हालाँकि, बहुत अधिक पाउडर मिलाने से कण आपस में जुड़कर सख्त गांठें बन गए, जिसने वास्तव में शेल में नई दरारें और कमजोर स्थान बना दिए। 'स्वीट स्पॉट' (सही मात्रा) एक विशिष्ट, कम खुराक पर पाया गया जहाँ कण पूरी तरह से फैले हुए थे, जो गांठ बनने के बिना छेदों को भर रहे थे।

सबसे अच्छे दिखने वाले कैप्सूलों के साथ, टीम ने परीक्षण किया कि वे कितनी अच्छी तरह गर्मी को संग्रहीत करते हैं। उन्होंने कैप्सूलों को गर्म किया और देखा कि वे कैसे पिघलते और फिर से ठंडे होते हैं। इष्टतम मात्रा वाले नैनो-सिलिका वाले कैप्सूलों ने असाधारण प्रदर्शन किया। वे चालीस छह डिग्री सेल्सियस से थोड़ा कम तापमान पर पिघल गए, जो एक गहरी खदान में गर्मी को अवशोषित करने के लिए एकदम सही है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने शुद्ध मोम के लगभग समान मात्रा में ऊष्मीय ऊर्जा को थामे रखा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि शेल ने सामग्री के मुख्य कार्य में बाधा नहीं डाली। नैनो-सिलिका ने मोम को ठंडा होने पर तेजी से वापस ठोस अवस्था में जमने में भी मदद की, जिससे 'सुपरकूलिंग' नामक घटना कम हुई, जहाँ तरल ठंडा होने के बावजूद तरल ही रहता है। इसका अर्थ था कि कैप्सूल तापमान परिवर्तन के प्रति तेजी से प्रतिक्रिया कर सकते थे, जिससे कूलिंग सिस्टम अधिक कुशल हो गया।

अध्ययन ने इन कैप्सूलों को बनाने के पर्यावरणीय पक्ष को भी देखा। रेसिन शेल बनाने की प्रक्रिया में आमतौर पर मुक्त फॉर्मल्डिहाइड युक्त दूषित पानी पीछे रह जाता है, जो एक जहरीला रसायन है। शोधकर्ताओं ने पाया कि नैनो-सिलिका इस विष के लिए एक चुंबक की तरह कार्य करता है। जैसे-जैसे नैनो-सिलिका की मात्रा बढ़ी, अपशिष्ट जल में मौजूद जहरीले फॉर्मल्डिहाइड की मात्रा में काफी कमी आई। इष्टतम खुराक पर, नैनो-सिलिका ने अपशिष्ट जल से बीस प्रतिशत से अधिक फॉर्मल्डिहाइड को हटा दिया। इसका मतलब था कि यह सामग्री न केवल अपने काम में बेहतर थी, बल्कि इसे बनाना भी अधिक स्वच्छ था, जिससे इसके निर्माण से जुड़ी प्रदूषण की समस्या कम हुई।

यह साबित करने के लिए कि ये सूक्ष्म कैप्सूल वास्तविक दुनिया में जीवित रह सकते हैं, शोधकर्ताओं ने इन्हें खदान बैकफिलिंग के लिए डिज़ाइन किए गए कंक्रीट के बैच में मिलाया। उन्होंने इस मिश्रण की तुलना बिना कैप्सूल वाले साधारण मोम वाले मिश्रण और बिना किसी मोम वाले मानक नियंत्रण (control) से की। बिना कैप्सूल वाले कच्चे मोम वाला कंक्रीट दबाव में टूट गया क्योंकि तरल मोम रिस गया और चट्टानों तथा सीमेंट के बीच के बंधन को कमजोर कर दिया। इसके विपरीत, नैनो-सिलिका सुदृढ़ कैप्सूलों वाले कंक्रीट ने बिना किसी मोम वाले मानक कंक्रीट के लगभग समान रूप से अपनी आकृति और मजबूती बनाए रखी। छोटे शेल ने मोम को अंदर सुरक्षित रखा, जिससे उसके रिसने और संरचना को नुकसान पहुँचाने की संभावना टल गई, जबकि स्वयं सुदृढ़ शेल आसपास की चट्टान के दबने वाले भार को सहने के लिए पर्याप्त मजबूत था।

अंतिम निष्कर्ष स्पष्ट था: नैनो-सिलिका की एक छोटी, सटीक मात्रा जोड़ने से एक ऐसा ऊष्मा-संग्रहण कैप्सूल बनता है जो पिछले संस्करणों की तुलना में अधिक मजबूत, अधिक कुशल और पर्यावरण के अनुकूल है। यह सामग्री रिसाव और संरचनात्मक कमजोरी की दोहरी समस्याओं को सफलतापूर्वक हल करती है, जिससे यह गहरी खदानों को ठंडा करने के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बन जाती है। एक साधारण मोम को एक मजबूत, ऊष्मा-अवशोषक निर्माण खंड में बदलकर, यह शोध पृथ्वी के सबसे गहरे हिस्सों में, जहाँ गर्मी सबसे तीव्र होती है, सुरक्षित और अधिक आरामदायक कामकाजी परिस्थितियों की ओर एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।