किसी दिन, लोग अंततः फ़्रीज़र को डीफ्रॉस्ट करने या फिसलन वाली सतहों से ठंढ हटाने को अलविदा कह सकते हैं। नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के इंजीनियरों ने एक नई रणनीति विकसित की है जो ठंढ को शुरू होने से पहले ही रोक देती है।
एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि किसी भी सतह की बनावट में बदलाव करने और ग्राफीन ऑक्साइड की एक पतली परत जोड़ने से सतहों पर एक सप्ताह या संभवतः इससे भी अधिक समय तक 100% ठंढ बनने से रोकती है। यह वर्तमान, अत्याधुनिक एंटी-फ्रॉस्टिंग सतहों से 1,000 गुना अधिक लंबा है।
एक अतिरिक्त बोनस के रूप में, नया स्केलेबल सतह डिज़ाइन दरारें, खरोंच और संदूषण के प्रति भी प्रतिरोधी है।
संरचनागत सतह को बुनियादी ढांचे में शामिल करके, शोधकर्ताओं ने कल्पना की है कि कंपनियां और सरकारी एजेंसियां रखरखाव लागत और ऊर्जा अक्षमताओं से प्रति वर्ष अरबों डॉलर बचा सकती हैं।
शोध बुधवार (30 अक्टूबर) को जर्नल में प्रकाशित किया जाएगा विज्ञान उन्नति.
अध्ययन का नेतृत्व करने वाले नॉर्थवेस्टर्न के क्यू-चुल केनेथ पार्क ने कहा, “औद्योगिक, आवासीय और सरकारी क्षेत्रों में अवांछित ठंढ जमा होना एक बड़ी चिंता है।” उदाहरण के लिए, टेक्सास में 2021 के बिजली संकट में 195 बिलियन डॉलर का नुकसान हुआ, जो सीधे तौर पर 160 घंटे से अधिक समय तक ठंढ, बर्फ और अत्यधिक ठंड की स्थिति के कारण हुआ। इस प्रकार, एंटी-फ्रॉस्टिंग तकनीक विकसित करना महत्वपूर्ण है, जो लंबी अवधि के लिए मजबूत है। अत्यधिक पर्यावरणीय परिस्थितियों में समय की बचत के लिए एंटी-फ्रॉस्टिंग तरीकों को विकसित करना भी आवश्यक है, जिन्हें बनाना और लागू करना आसान हो। हमने इन सभी जरूरतों को ध्यान में रखते हुए अपनी हाइब्रिड एंटी-फ्रॉस्टिंग तकनीक को डिजाइन किया है। यह संभावित रूप से कई हफ्तों तक फ्रॉस्टिंग को रोक सकती है समय और स्केलेबल, टिकाऊ और 3डी प्रिंटिंग के माध्यम से आसानी से निर्मित।”
पार्क नॉर्थवेस्टर्न के मैककॉर्मिक स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर हैं और पाउला एम. ट्रिएनेंस इंस्टीट्यूट फॉर सस्टेनेबिलिटी एंड एनर्जी और इंटरनेशनल इंस्टीट्यूट फॉर नैनोटेक्नोलॉजी के संकाय सहयोगी हैं।
पत्ती से प्रेरित खोज
नया अध्ययन पार्क की प्रयोगशाला के पिछले काम पर आधारित है। 2020 में, पार्क और उनकी टीम ने पाया कि सतह पर मिलीमीटर-स्केल बनावट जोड़ने से सैद्धांतिक रूप से ठंढ का गठन 80% तक कम हो जाता है। प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज में प्रकाशित, यह शोध पत्तियों की लहरदार ज्यामिति से प्रेरित था।
पार्क ने उस समय कहा, “पत्ती के उत्तल क्षेत्रों पर अधिक पाला बनता है।” “अवतल क्षेत्रों (नसों) पर, हम बहुत कम ठंढ देखते हैं। लोगों ने इसे कई हजारों वर्षों से देखा है। उल्लेखनीय रूप से, इस बात का कोई स्पष्टीकरण नहीं था कि ये पैटर्न कैसे बनते हैं। हमने पाया कि यह ज्यामिति है – सामग्री नहीं – – जो इसे नियंत्रित करता है।”
प्रायोगिक कार्य और गणना सिमुलेशन के माध्यम से, पार्क और उनके सहयोगियों ने पाया कि चोटियों पर संघनन बढ़ता है और लहरदार सतहों की घाटियों में दब जाता है। घाटियों में संघनित पानी की थोड़ी मात्रा फिर वाष्पित हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप क्षेत्र पाला-मुक्त हो जाता है।
ग्राफीन-ऑक्साइड फंसाने की शक्ति
पिछले अध्ययन में, पार्क की टीम ने मिलीमीटर-स्केल चोटियों और बीच में छोटे कोणों वाली घाटियों वाली एक सतह विकसित की थी। नए अध्ययन में, पार्क की टीम ने समतल घाटियों पर ग्राफीन ऑक्साइड मिलाया, जिससे उन घाटियों में पाला बनना 100% कम हो गया। नई सतह में छोटे-छोटे उभार शामिल हैं, जिनकी चोटी से चोटी तक की दूरी 5 मिलीमीटर है। फिर ग्राफीन ऑक्साइड की एक पतली परत, केवल 600 माइक्रोन मोटी, चोटियों के बीच की घाटियों को ढक देती है।
पार्क ने कहा, “ग्राफीन ऑक्साइड जल वाष्प को आकर्षित करता है और फिर पानी के अणुओं को उसकी संरचना में सीमित कर देता है।” “तो, ग्राफीन ऑक्साइड परत जल वाष्प को जमने से रोकने के लिए एक कंटेनर की तरह काम करती है। जब हमने ग्राफीन ऑक्साइड को मैक्रोटेक्स्चर सतह के साथ जोड़ा, तो इसने उच्च सुपरसैचुरेशन पर लंबे समय तक ठंढ का विरोध किया। हाइब्रिड सतह एक स्थिर, लंबे समय तक चलने वाली, ठंढ बन जाती है -मुक्त क्षेत्र।”
जब अन्य अत्याधुनिक एंटी-फ्रॉस्टिंग सतहों की तुलना की गई, तो पार्क की विधि स्पष्ट विजेता थी। जबकि सुपरहाइड्रोफोबिक (जल प्रतिकारक) और स्नेहक युक्त सतहों ने 5 घंटे तक 5-36% ठंढ गठन का विरोध किया, पार्क की सतह ने 160 घंटों तक 100% ठंढ गठन का विरोध किया।
पार्क ने कहा, “अधिकांश अन्य एंटी-फ़्रॉस्टिंग सतहें खरोंच या संदूषण से क्षति के लिए अतिसंवेदनशील होती हैं, जो समय के साथ सतह के प्रदर्शन को ख़राब कर देती हैं।” “लेकिन हमारा एंटी-फ्रॉस्टिंग तंत्र खरोंच, दरारें और दूषित पदार्थों के प्रति मजबूती प्रदर्शित करता है, जिससे सतह का जीवन बढ़ जाता है।”
यह क्यों मायने रखती है
यह हाइब्रिड मैक्रोटेक्स्चर-ग्राफीन ऑक्साइड सतह विभिन्न अनुप्रयोगों में ठंढ के गठन को रोकने के लिए एक आशाजनक समाधान प्रदान करती है। अधिकांश लोग पाले के बारे में केवल तभी चिंता करते हैं जब यह उनकी कार की विंडशील्ड को ढक देता है या उनके बाहरी पौधों को नष्ट कर देता है। लेकिन पाला एक उपद्रव से कहीं अधिक है।
हवाई जहाज के पंखों पर जमी बर्फ़ खिंचाव पैदा कर सकती है, जिससे उड़ानें खतरनाक या असंभव भी हो सकती हैं। फ्रीजर और रेफ्रिजरेटर के अंदर जमा होने पर, पाला उपकरणों में ऊर्जा दक्षता को बहुत कम कर देता है। पाला बिजली लाइनों पर बहुत अधिक भार डाल सकता है, जिससे टूट-फूट हो सकती है और अंततः बिजली गुल हो सकती है। यह वाहनों के सेंसर को भी ख़राब कर सकता है, जिससे वस्तुओं का सटीक पता लगाने की उनकी क्षमता को नुकसान पहुँच सकता है।
पार्क ने कहा, “महंगी यांत्रिक विफलताओं, ऊर्जा अक्षमताओं और महत्वपूर्ण कार्यों के लिए सुरक्षा खतरों को रोकने के लिए नई एंटी-फ्रॉस्टिंग तकनीक विकसित करना महत्वपूर्ण है।” “वर्तमान में कोई ‘एक आकार-सभी के लिए फिट’ दृष्टिकोण नहीं है क्योंकि प्रत्येक एप्लिकेशन की विशिष्ट आवश्यकताएं होती हैं। हालांकि हवाई जहाज को केवल कुछ सेकंड के लिए ठंढ प्रतिरोध की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, ठंडे वातावरण में काम करने वाली बिजली लाइनों को ठंढ प्रतिरोध के दिनों या हफ्तों की आवश्यकता हो सकती है। हमारे साथ नई अंतर्दृष्टि से, हम कम बर्फ आसंजन के साथ बिजली लाइनों और हवाई जहाज के पंखों को डिजाइन कर सकते हैं। इस प्रकार के परिवर्तनों से वार्षिक रखरखाव लागत में काफी कमी आएगी।”
अध्ययन, “दीर्घकालिक स्केलेबल ठंढ की रोकथाम के लिए मजबूत हाइब्रिड प्रसार नियंत्रण,” को आंशिक रूप से राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान संख्या सीबीईटी-2337118) और कोरिया इंस्टीट्यूट फॉर साइंस एंड टेक्नोलॉजी (अनुदान संख्या 2ई32527) द्वारा समर्थित किया गया था।
