हैराग्पुर में भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान (आईआईटी) के वैज्ञानिकों ने एक तेज़ गणितीय उपकरण बनाया है जो स्व-उपचार सामग्री की क्षति को स्वायत्त रूप से ठीक करने की क्षमता की भविष्यवाणी करने की अनुमति देता है। यह विकास टिकाऊ सामग्रियों के डिजाइन पर काम करने वाले इंजीनियरों के काम को काफी सरल बनाता है।
स्व-उपचार या 'स्मार्ट' सामग्री, जो कट लगने के बाद पपड़ी बनने जैसी जैविक प्रणालियों से प्रेरित हैं, चोट लगने के बाद अपनी यांत्रिक शक्ति को बहाल करने के लिए डिज़ाइन की गई हैं। पारंपरिक रूप से, ऐसी सामग्रियों में सूक्ष्म कैप्सूल या तरल उपचार एजेंट से भरे छोटे परिसंचरण प्रणाली होते हैं। जब दरार बनती है और इन माइक्रोचैनलों को तोड़ती है, तो तरल गैप में प्रवेश करता है और जम जाता है, जिससे सामग्री वापस चिपक जाती है।
यह दरार भरने की प्रक्रिया केशिका क्रिया पर निर्भर करती है - तरल का प्राकृतिक अवशोषण। हालांकि, यह प्राकृतिक बल बड़ी क्षतिग्रस्त क्षेत्रों को भरने या एक ही स्थान पर तरल की कई बार डिलीवरी सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली नहीं होता है।
इस कमी को दूर करने के लिए, आधुनिक इंजीनियर इन माइक्रोस्कोपिक नेटवर्कों के भीतर तरल पर दबाव डालना शुरू कर रहे हैं। हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने इलास्टोमर पर ध्यान केंद्रित किया - एक रबर जैसा, लोचदार बहुलक, जिसमें उपचार तरल से भरे समानांतर बेलनाकार चैनल होते हैं। सामग्री का उपयोग करने से पहले, इस रबर मैट्रिक्स की बाहरी सीमा को संपीड़ित किया जाता है, जिससे फंसी हुई तरल पदार्थ में दबाव बनता है।
गंभीर क्षति होने पर, जैसे कि चैनलों का अचानक कट जाना, दबाव अचानक मुक्त हो जाता है। संकुचित रबर तेजी से अपने मूल आकार में लौट आता है, एक पंप के रूप में कार्य करता है जो उपचार तरल को चैनलों से सीधे क्षतिग्रस्त क्षेत्र में तेज़ी से बाहर निकालता है।
बाहर निकलने वाले तरल की मात्रा और गति की सटीक गणना करना अत्यंत कठिन है, क्योंकि इसके लिए द्रव और संरचना की परस्पर क्रिया नामक भौतिकी के एक जटिल क्षेत्र के ज्ञान की आवश्यकता होती है। छोटे चैनलों की दीवारें तरल पदार्थ की गति के साथ सक्रिय रूप से अपना आकार बदलती हैं और संपीड़ित होती हैं, जो प्रवाह दर को प्रभावित करती हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की टीम ने ऊर्जा संरक्षण के नियम पर आधारित एक गणितीय ढांचा प्रस्तावित किया।
उन्होंने संपीड़ित रबर में संग्रहीत ऊर्जा, जिसे प्रत्यास्थ ऊर्जा कहा जाता है, की गणना की और इसकी गणितीय रूप से चिपचिपे तरल के चैनल से बाहर निकलने पर घर्षण में खोई गई ऊर्जा से तुलना की। समय के साथ रबर-तरल इंटरफ़ेस के शिथिल होने को ट्रैक करके, वे तरल पदार्थ की सटीक गति और वितरण की मात्रा निर्धारित करने में सक्षम थे।
पहले वैज्ञानिकों को इन गतिशील प्रक्रियाओं का अनुकरण करने के लिए जटिल और बहुत संसाधन-गहन त्रि-आयामी कंप्यूटर प्रोग्राम पर निर्भर रहना पड़ता था। एक ऐसे आभासी प्रयोग को चलाने के लिए भारी कम्प्यूटेशनल शक्ति और समय की आवश्यकता होती थी। नया गणितीय तरीका आवश्यक उच्च सटीकता प्राप्त करता है, लेकिन संबंधित संख्यात्मक सिमुलेशन की तुलना में कम से कम हजार गुना तेजी से काम करता है।
यह इंजीनियरों को माइक्रोचैनलों की त्रिज्या, रबर की कठोरता या तरल की मोटाई जैसे चर को तुरंत बदलने की अनुमति देता है ताकि वास्तविक परिस्थितियों में सामग्री के व्यवहार को देखा जा सके, जिससे अनुसंधान और विकास के अनगिनत घंटों की बचत होती है।
हालांकि, गणितीय मॉडल में कुछ सीमाएं हैं जो जटिल भौतिकी में किए गए सरलीकरणों से संबंधित हैं। वर्तमान में, फ्रेमवर्क मानता है कि उपचार एजेंट एक मानक न्यूटोनियन तरल है, जिसका अर्थ है कि यह पानी की तरह समान रूप से बहता है, न कि केचप की तरह तनाव के तहत गाढ़ा होता है। यह भी माना जाता है कि आसपास का रबर मैट्रिक्स पूरी तरह से सजातीय है और लोचदार और रैखिक रूप से व्यवहार करता है। इसके अलावा, गणित इस धारणा पर निर्भर करता है कि चैनल के कुछ हिस्से तरल पदार्थ के बाहर निकलते समय एक समान रेखा में संकरे होते हैं, जिसकी जांच शोधकर्ताओं ने प्रारंभिक कंप्यूटर मॉडल के आधार पर की है।
इसके बावजूद, इस उच्च गति वाले उपकरण का डिजाइन के लिए व्यावहारिक अनुप्रयोग व्यापक और अत्यंत उपयोगी है। पॉलिमर सामग्री अपनी हल्कापन और अनुकूलन क्षमता के कारण हर जगह उपयोग की जाती है, लेकिन वे समय के साथ सूक्ष्म दरार निर्माण और थकान के अधीन होते हैं। यदि पवन टरबाइन ब्लेड या वाणिज्यिक विमान के संरचनात्मक तत्व पर कोई छिपी हुई दरार दिखाई देती है, तो इससे अचानक विनाशकारी विफलता हो सकती है, जिससे लोगों की जान खतरे में पड़ सकती है।
मजबूत, दबाव-आधारित स्व-उपचार सामग्री विकसित करना अब बहुत आसान और तेज़ होने के कारण, यह शोध अधिक सुरक्षित एयरोस्पेस घटकों, अधिक टिकाऊ इलेक्ट्रॉनिक्स और अधिक लचीले बुनियादी ढांचे का मार्ग प्रशस्त करता है। उनके व्यवहार का तेज़ और सटीक मॉडलिंग वित्तीय लागतों को कम कर सकता है, औद्योगिक प्लास्टिक कचरे को कम कर सकता है और मानवता पर पर्यावरण के समग्र बोझ को हल्का कर सकता है।
