Graphene Oxide Aerogels with Ultra-Low Thermal Conductivity
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जहाँ ग्राफीन ऑक्साइड हाइड्रो जेल निरंतर नेटवर्क के कारण उच्च तापीय चालकता प्रदर्शित करते हैं, वहीं 99% सरंध्रता वाले अति-हल्के रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड एयरो जेल व्यापक फोन स्कैटरिंग (phonon scattering) के माध्यम से 0.021 W/m·K की अति-निम्न तापीय चालकता प्राप्त करते हैं, जो उन्नत तापीय इन्सुलेशन अनुप्रयोगों के लिए उनकी क्षमता को उजागर करता है।
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ऊष्मा एक निरंतर यात्री है। आधुनिक दुनिया में, जहाँ इमारतें अपने आंतरिक वातावरण को आरामदायक बनाए रखने के लिए वैश्विक ऊर्जा का एक बड़ा हिस्सा खर्च करती हैं, अनचाही ऊष्मा के नुकसान के खिलाफ लड़ाई एक केंद्रीय चुनौती है। हम अपने घरों को बनाने के लिए जिन सामग्रियों का उपयोग करते हैं, विशेष रूप से मानक सीमेंट और कंक्रीट, वे अक्सर इस प्रवाह को रोकने में कमजोर होते हैं, जिससे सर्दियों में गर्माहट बाहर निकल जाती है और गर्मियों में गर्मी अंदर आ जाती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक एयरो जेल (aerogels) नामक सामग्रियों की एक श्रेणी की ओर देखते हैं। ये ऐसी पदार्थ हैं जो इतनी हल्की और हवा से भरी होती हैं कि वे ऊष्मा के लिए असाधारण अवरोध के रूप में कार्य करती हैं। एक ऐसे ठोस पदार्थ की कल्पना करें जो लगभग पूरी तरह से खाली स्थान है, एक ठोस पदार्थ से बना स्पंज जहाँ छेद इतने छोटे और असंख्य हैं कि वे हवा को इतनी प्रभावी ढंग से फँसा लेते हैं कि वह गर्मी को दूर ले जाने के लिए हिल भी नहीं पाती। यह अवधारणा ऊर्जा दक्षता के लिए लंबे समय से एक लक्ष्य रही है, लेकिन इन सामग्रियों को सस्ता, सरल और नियंत्रित गुणों के साथ बनाने का तरीका खोजना एक बाधा बनी हुई है।
पैट्रास विश्वविद्यालय और ग्रीस में अनुसंधान एवं प्रौद्योगिकी फाउंडेशन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ग्राफीन ऑक्साइड के रूप में ज्ञात कार्बन के एक रूप के साथ काम करके इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। यह सामग्री पानी के साथ मिश्रित होने पर एक गाढ़े, जेली जैसे पदार्थ के रूप में शुरू होती है, जिसे हाइड्रो जेल कहा जाता है, और इसे एक शुष्क, स्पंज जैसे ठोस जिसे एयरो जेल कहा जाता है, में बदला जा सकता है। शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए काम किया कि वास्तव में यह संरचना कैसे इस सामग्री की ऊष्मा का संचालन करने की क्षमता को बदल देती है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे एक ऐसा संस्करण बना सकते हैं जो इतना छिद्रपूर्ण और हल्का हो कि वह ऊष्मा को गुजरने से लगभग पूरी तरह से रोक दे, जिससे यह इमारतों और अन्य अनुप्रयोगों के लिए एक बेहतर इन्सुलेटर बन जाए।
टीम ने ग्राफीन ऑक्साइड शीट का एक स्थिर तरल मिश्रण बनाना शुरू किया। उन्होंने इस मिश्रण को सांचों में डाला और इसे धीरे से गर्म किया। जैसे ही पानी वाष्पित हुआ, कार्बन की नन्ही शीटें स्वतः ही आपस में जुड़ गईं, जिससे एक निरंतर, त्रि-आयामी नेटवर्क बन गया। इस प्रक्रिया ने एक हाइड्रो जेल बनाया जो ज्यादातर पानी से बना था लेकिन एक ठोस ढांचे द्वारा थामे रखा गया था। जब उन्होंने मापा कि यह गीला, जेल जैसा ढांचा कितनी अच्छी तरह ऊष्मा का संचालन करता है, तो उन्होंने पाया कि यह ऊर्जा को स्थानांतरित करने में आश्चर्यजनक रूप से कुशल था। ऊष्मा इस सामग्री के माध्यम से 1.50 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन की दर से प्रवाहित हुई। यह उच्च मान इसलिए प्राप्त हुआ क्योंकि शीटें एक-दूसरे के बहुत करीब पैक थीं, जिससे ऊष्मा के अनुसरण के लिए एक सघन, निरंतर पथ बन गया, ठीक वैसे ही जैसे एक भीड़भाड़ वाला गलियारा जहाँ लोग एक छोर से दूसरे छोर तक तेजी से चल सकते हैं।
एक वास्तविक इन्सुलेटर बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इस सघन संरचना को कुछ अधिक खुला बनाने की आवश्यकता थी। उन्होंने हाइड्रो जेल को एक रासायनिक प्रक्रिया के अधीन किया जिसने कार्बन शीटों से जुड़े ऑक्सीजन परमाणुओं को हटा दिया, जिससे यह सामग्री 'रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड' में बदल गई। फिर उन्होंने परिवेशी दबाव सुखाने (ambient-pressure drying) की तकनीक का उपयोग करते हुए, नाजुक संरचना को कुचले बिना, शेष बचे सभी पानी को सावधानीपूर्वक हटा दिया। परिणाम एक अति-हल्का एयरो जेल था जो 99 प्रतिशत हवा था। यह सामग्री इतनी हल्की थी कि एक घन सेंटीमीटर का वजन केवल लगभग 26 मिलीग्राम था। जब टीम ने इस शुष्क, स्पंज जैसे ठोस का परीक्षण किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। तापीय चालकता (thermal conductivity) गिरकर मात्र 0.021 वॉट प्रति मीटर प्रति केल्विन रह गई। यह मान निर्माण में आज उपयोग किए जाने वाले कई मानक इन्सुलेशन सामग्रियों की तुलना में काफी कम है और इस प्रकार की ग्राफीन-आधारित सामग्री के लिए अब तक दर्ज किए गए सबसे निचले मानों में से एक है।
गीले जेल और सूखे एयरो जेल के बीच का नाटकीय अंतर इस बात पर निर्भर करता है कि ऊष्मा उनमें कैसे चलती है। सघन हाइड्रो जेल में, ठोस कार्बन शीट अक्सर एक-दूसरे को छूती हैं, जिससे ऊष्मा आसानी से प्रवाहित होती है। एयरो जेल में, ठोस ढांचा अविश्वसनीय रूप से पतला और विरल है, जो हवा के विशाल भंडारों द्वारा अलग किया गया है। ऊष्मा इस अंतराल को पार करने के लिए संघर्ष करती है क्योंकि ठोस पथ टूट जाता है, और सूक्ष्म छिद्रों में फंसी हवा ऊर्जा ले जाने के लिए स्वतंत्र रूप से नहीं घूम सकती। शोधकर्ताओं ने देखा कि एयरो जेल की संरचना ऊष्मा ले जाने वाले कंपनों, जिन्हें फोनोन (phonons) कहा जाता है, को सीधे यात्रा करने के बजाय बिखरने और टकराने के लिए मजबूर करती है। यह बिखराव, और ऊष्मा का संचालन करने के लिए ठोस सामग्री की कमी, ऊर्जा के प्रवाह को प्रभावी ढंग से रोकता है।
इन निष्कर्षों तक पहुँचने के लिए, टीम ने महंगे, विशेष प्रयोगशाला उपकरणों पर निर्भर हुए बिना इन गुणों को मापने का एक व्यावहारिक और सुलभ तरीका विकसित किया। उन्होंने एक मानक थर्मल कैमरा का उपयोग किया ताकि वे सामग्री की गर्म फिल्मों के ठंडा होने की गति देख सकें, और उन्होंने एक कस्टम-निर्मित सेटअप का उपयोग किया जिससे यह मापा जा सके कि मोटी जेल और एयरो जेल के नमूनों के माध्यम से ऊष्मा कैसे चलती है। इन अवलोकनों को सामग्री द्वारा कितनी ऊर्जा संग्रहीत की जा सकती है इसके माप के साथ जोड़कर, उन्होंने पूरे विश्वास के साथ तापीय चालकता की गणना की। उनका कार्य इस बात की पुष्टि करता है कि एक सुपर-इन्सुलेटर बनाने की कुंजी न केवल सामग्री में है, बल्कि इस बात में भी है कि उसे कैसे व्यवस्थित किया गया है। छिद्रता (porosity) और शीटों के बीच के संबंधों को नियंत्रित करके, उन्होंने प्रदर्शित किया कि वही मूल सामग्री या तो ऊष्मा को कुशलतापूर्वक संचालित कर सकती है या उसे लगभग पूरी तरह से रोक सकती है।
निष्कर्ष बताते हैं कि ये ग्राफीन-व्युत्पन्न जेल अगली पीढ़ी के थर्मल प्रबंधन के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं। अपेक्षाकृत सरल रासायनिक प्रक्रिया और एक सीधा सुखाने के तरीके का उपयोग करके इतनी कम तापीय चालकता वाली सामग्री बनाने की क्षमता इसे वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि जबकि अन्य अध्ययनों ने और भी कम चालकता मान प्राप्त किए हैं, उनके लिए अक्सर अधिक जटिल या महंगी विधियों की आवश्यकता होती है। यहाँ वर्णित सामग्री अत्यधिक प्रदर्शन और एक आसान संश्लेषण मार्ग के बीच संतुलन बनाती है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि ऊर्जा-कुशल निर्माण सामग्रियों का भविष्य कार्बन की सूक्ष्म वास्तुकला को बदलने में निहित हो सकता है, जिससे एक ऐसे पदार्थ को, जो स्वाभाविक रूप से ऊष्मा का संचालन करने के लिए अच्छा है, एक बेहतरीन इन्सुलेटर में बदला जा सके, बस इसे अधिकतर खाली स्थान बनाकर।
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