यूशिकागो प्रिट्जकर मॉलिक्यूलर इंजीनियरिंग के नेतृत्व में एक टीम ने ऐसे पदार्थों की खोज की है जो परम्परागत रूप से विपरीत हैं, गर्म करने पर सिकुड़ जाते हैं और दबाव पड़ने पर फैल जाते हैं, जो मौलिक विज्ञान में एक बड़ी सफलता है।
वह क्या है जो कुचलने पर फैलता है, गर्म करने पर सिकुड़ता है, और क्या यह वैज्ञानिकों की पदार्थों के बारे में मूलभूत समझ को बदल सकता है , तथा पुरानी ई.वी. बैटरियों को नए जैसा प्रदर्शन करने लायक बना सकता है?
यह कोई पहेली नहीं है - यह शिकागो विश्वविद्यालय के प्रित्जकर स्कूल ऑफ मॉलिक्यूलर इंजीनियरिंग (यूशिकागो पीएमई) के बैटरी शोधकर्ताओं द्वारा कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के विजिटिंग वैज्ञानिकों के सहयोग से खोजी गई सामग्रियों का एक उल्लेखनीय नया वर्ग है । अपनी चल रही शोध साझेदारी के माध्यम से, टीम ने मेटास्टेबल, ऑक्सीजन-रेडॉक्स सक्रिय अवस्थाओं में नकारात्मक थर्मल विस्तार गुणों को प्रदर्शित करने वाली सामग्रियों की खोज की।
सरल शब्दों में कहें तो, इन शोधकर्ताओं ने ऐसी सामग्री विकसित की है जो थर्मोडायनामिक्स पर आधारित पारंपरिक अपेक्षाओं को धता बताती है। आमतौर पर, स्थिर सामग्री गर्मी, दबाव या बिजली के प्रति पूर्वानुमानित रूप से प्रतिक्रिया करती है। हालाँकि, नई पहचान की गई मेटास्टेबल अवस्थाओं में, ये प्रतिक्रियाएँ उलट हो जाती हैं, जो पारंपरिक मानदंडों के बिल्कुल विपरीत व्यवहार करती हैं।
"जब आप पदार्थों को गर्म करते हैं, तो आयतन में कोई बदलाव नहीं होता। गर्म करने पर पदार्थ फैलने के बजाय सिकुड़ता है," यूशिकागो पीएमई ल्यू फैमिली में आणविक इंजीनियरिंग की प्रोफेसर शर्ली मेंग ने कहा, जो हाल ही में शुरू किए गए इंस्टीट्यूट फॉर क्लाइमेट एंड सस्टेनेबल ग्रोथ के एनर्जी टेक्नोलॉजी इनिशिएटिव के संकाय निदेशक के रूप में भी काम करती हैं। "हमें लगता है कि हम रेडॉक्स रसायन विज्ञान के माध्यम से इन पदार्थों के गुणों को समायोजित कर सकते हैं। इससे बहुत ही रोमांचक अनुप्रयोग हो सकते हैं।"
उनके परिणाम नेचर में प्रकाशित हुए ।
"एक लक्ष्य इन सामग्रियों को अनुसंधान से उद्योग तक लाना है, तथा संभवतः उच्च विशिष्ट ऊर्जा वाली नई बैटरियां विकसित करना है," निंग्बो इंस्टीट्यूट ऑफ मैटेरियल्स टेक्नोलॉजी एंड इंजीनियरिंग (एनआईएमटीई) के यूसी सैन डिएगो में विजिटिंग स्कॉलर और सह-प्रथम लेखक बाओ किउ ने कहा।
इस खोज से प्राप्त असंख्य नई तकनीकों के अलावा, यह शोध शुद्ध विज्ञान में एक प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। मेंग के लिए, यह और भी अधिक रोमांचक है।
मेंग ने कहा, "इससे मौलिक विज्ञान के बारे में हमारी समझ बदल जाती है।" "हमारा काम यूशिकागो के मॉडल से निर्देशित है, एक ऐसा मॉडल जो अपने आप में जांच और ज्ञान को बढ़ावा देता है।"
इमारतें, बैटरियाँ और “अजीब विचार”
इन सामग्रियों के ऊष्मा और अन्य प्रकार की ऊर्जा के प्रति प्रतिक्रिया करने के तरीकों को बारीकी से समायोजित करके, शोधकर्ता शून्य तापीय विस्तार वाली सामग्री बना सकते हैं। इससे निर्माण जैसे क्षेत्रों में क्रांति आ सकती है।
यूशिकागो पीएमई रिसर्च एसोसिएशन के प्रो. मिंगहाओ झांग, जो इस काम के सह-लेखक हैं, ने कहा, "मैं कहूंगा कि शून्य-तापीय-विस्तार वाली सामग्री एक सपना है।" "उदाहरण के लिए, हर एक इमारत को लें। आप नहीं चाहेंगे कि अलग-अलग घटकों को बनाने वाली सामग्री का आयतन इतनी बार बदले।"
लेकिन ऊष्मा ऊर्जा का सिर्फ़ एक रूप है। यह जाँचने के लिए कि सामग्री यांत्रिक ऊर्जा पर कैसे प्रतिक्रिया करती है, उन्होंने इसे गीगापास्कल स्तर पर संपीड़ित किया - एक दबाव स्तर जो इतना अधिक है कि इसे आमतौर पर टेक्टोनिक प्लेट गतिविधि पर चर्चा करने के लिए आरक्षित किया जाता है। उन्होंने वह पाया जिसे वे "नकारात्मक संपीड़नशीलता" कहते हैं।
ग ने कहा, "नकारात्मक संपीडनशीलता बिल्कुल नकारात्मक तापीय विस्तार की तरह है।" "यदि आप पदार्थ के किसी कण को हर दिशा में संपीडित करते हैं, तो आप सोचेंगे कि स्वाभाविक रूप से यह सिकुड़ जाएगा। लेकिन यह पदार्थ फैल जाएगा।"
झांग ने कहा कि गर्मी या दबाव का प्रतिरोध करने के लिए तैयार की गई सामग्री कुछ पहले के सैद्धांतिक "जंगली विचारों" को सक्षम कर सकती है। उन्होंने संरचनात्मक बैटरियों का उदाहरण दिया, जहां ईवी हवाई जहाज की दीवारें बैटरी की दीवारों के रूप में दोगुनी होती हैं, जिससे हल्का, अधिक कुशल विमान बनाने में मदद मिलती है। ये नई सामग्रियाँ बैटरी घटकों को अलग-अलग ऊँचाई पर देखे जाने वाले तापमान और दबाव में होने वाले बदलावों से सुरक्षित रख सकती हैं, जिससे इस नई तकनीक के लिए आकाश अब सीमा नहीं रह गया है।
पुराने इलेक्ट्रिक वाहनों को नया जैसा बनाना
गर्मी और दबाव की तरह, विद्युत-रासायनिक ऊर्जा - वोल्टेज - के प्रति मेटास्टेबल पदार्थों की प्रतिक्रिया भी विपरीत होती है।
झांग ने कहा, "यह न केवल वैज्ञानिक खोज के रूप में महत्वपूर्ण है, बल्कि बैटरी अनुसंधान के लिए भी बहुत उपयोगी है।" "जब हम वोल्टेज का उपयोग करते हैं, तो हम सामग्री को उसकी मूल अवस्था में वापस ले आते हैं। हम बैटरी को पुनः प्राप्त करते हैं।"
मेटास्टेबिलिटी को समझने के लिए, पहाड़ी पर एक गेंद की कल्पना करें। पहाड़ी की चोटी पर गेंद अस्थिर है। यह नीचे लुढ़क जाएगी। यह पहाड़ी के नीचे स्थिर है। यह ऊपर नहीं लुढ़केगी। मेटास्टेबल बीच में है, पहाड़ी की चोटी के पास एक गेंद, लेकिन एक गड्ढे में बसी हुई। वह मेटास्टेबल अवस्था काफी टिकाऊ हो सकती है - उदाहरण के लिए हीरे ग्रेफाइट का एक मेटास्टेबल रूप हैं। लेकिन मेटास्टेबल पदार्थ को उसके "गड्ढे" से बाहर धकेलने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है ताकि वह अपनी स्थिर अवस्था में वापस आ सके।
झांग ने कहा, "सामग्री को मेटास्टेबल अवस्था से स्थिर अवस्था में वापस लाने के लिए, आपको हमेशा ऊष्मा ऊर्जा का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं होती है।" "आप सिस्टम को वापस लाने के लिए किसी भी प्रकार की ऊर्जा का उपयोग कर सकते हैं।"
यह पुरानी हो चुकी ईवी बैटरियों को रीसेट करने की दिशा में एक रास्ता तय करता है। सड़क पर सालों तक चलने के बाद, एक इलेक्ट्रिक कार जो एक बार चार्ज होने पर 400 मील चल जाती है, उसे प्लग इन करने की ज़रूरत पड़ने से पहले केवल 300 या 200 मील ही चल पाएगी। सामग्रियों को उनकी स्थिर अवस्था में धकेलने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल ड्राइविंग बल का उपयोग करने से कार की माइलेज वैसी ही हो जाएगी जैसी नई होने पर थी।
झांग ने कहा, "आपको बैटरी को निर्माता या किसी विक्रेता को वापस भेजने की ज़रूरत नहीं है। आपको बस वोल्टेज सक्रियण करना है।" "फिर, आपकी कार एक नई कार बन जाएगी। आपकी बैटरी एक नई बैटरी बन जाएगी।"
बाओ ने कहा कि अगला कदम सामग्रियों की जांच करने के लिए रेडॉक्स रसायन विज्ञान का उपयोग जारी रखना और "मुख्य बिंदुओं को निकालना" है, ताकि मौलिक अनुसंधान के इस नए क्षेत्र की सीमाओं का पता लगाया जा सके।
