एरोजेल: यह कैसे अस्तित्व में आया
एरोजेल: परिचय और विशेषताएँ
एरोजेल को दुनिया का सबसे हल्का ठोस पदार्थ माना जाता है, जिसमें 97% हवा और 3% ठोस संरचना होती है, और इसका घनत्व हवा से केवल 1.5 गुना अधिक होता है। अत्यंत हल्के होने के अलावा, एरोजेल में उत्कृष्ट तापीय इन्सुलेशन क्षमता भी होती है, मुख्यतः “नुडसन प्रभाव” के कारण। चूँकि एरोजेल अधिकतर सिलिका और हवा से बना होता है, जहाँ सिलिका की तापीय चालकता मध्यम होती है, और हवा की तापीय चालकता कम होती है।.
इसके अतिरिक्त, एरोजेल में अनेक नैनोस्केल छिद्र होते हैं जो पदार्थ के माध्यम से हवा के प्रसार में बाधा डालते हैं, जिससे संवहन ऊष्मा स्थानांतरण बाधित होता है।.
उच्च तापमान प्रतिरोध के कारण, एरोजेल का उपयोग अक्सर मंगल रोवर जैसे वातावरणों में इन्सुलेशन के लिए किया जाता है।.
इसके अलावा, एरोजेल की जल-प्रतिरोधी संपत्ति संशोधन के माध्यम से प्राप्त की जाती है, जिसमें ध्रुवीय -OH समूहों को अध्रुवीय -OR में परिवर्तित किया जाता है, जिससे जल-विकर्षक एरोजेल प्राप्त होता है।.
आधुनिक तकनीक के अत्याधुनिक उत्पाद के रूप में दिखने के बावजूद, एरोजेल को पहली बार 1930 के दशक में रसायनज्ञ सैमुअल किस्लर द्वारा विकसित किया गया था।.
पहले एरोजेल का जन्म
जेल जैसे पदार्थ सामान्य हैं, जैसे हम जो जिलेटिन खाते हैं, जो ठोस और तरल अवस्थाओं का संयोजन है। सैमुअल किस्लर और उनके सहयोगी चार्ल्स लर्नेड ने जिलेटिन के जेल बनने के कारण पर एक शर्त लगाई। जबकि चार्ल्स का मानना था कि यह इसकी तरल प्रकृति के कारण है, सैमुअल ने तर्क दिया कि कुंजी जेल के भीतर एक ठोस संरचना की उपस्थिति है।.
अपने बिंदु को साबित करने के लिए, सैमुअल ने गीले जेल में एक सतत ठोस नेटवर्क की उपस्थिति प्रदर्शित करने के लिए प्रयोग किए। लक्ष्य जेल से तरल को हटाना था जबकि ठोस संरचना को बनाए रखना था, यह साबित करते हुए कि जेल और उसकी तरल सामग्री असंबंधित थे। हालाँकि, चुनौती यह थी कि जेल में तरल को वाष्पित होने देने से अणुओं के बीच आकर्षण बलों के कारण ठोस संरचना सिकुड़ जाती, जिससे जेल का पतन हो जाता।.
इसे दूर करने के लिए, सैमुअल को जेल में मौजूद तरल को बदलना पड़ा, और एकमात्र उपयुक्त विकल्प गैस थी, क्योंकि जेल में पहले से ही ठोस और तरल दोनों अवस्थाएँ मौजूद थीं। हालाँकि, सामान्य गैस जेल में मौजूद तरल को नहीं बदल सकती थी। सैमुअल ने एक नवीन दृष्टिकोण अपनाया: जेल को दबाव में डालकर और गर्म करके, उन्होंने तरल को उसके क्रांतिक बिंदु से आगे बढ़ा दिया, जिससे यह एक अतिक्रांतिक तरल (जिसमें तरल और गैस के बीच कोई अंतर नहीं होता) में बदल गया, और अंतराणुक आकर्षण समाप्त हो गया।.
सैमुअल ने कच्चे माल के रूप में सोडियम सिलिकेट चुना, जिसे हाइड्रोक्लोरिक अम्ल द्वारा उत्प्रेरित करके जल अपघटन की सुविधा दी गई। जल और एथेनॉल ने आदान-प्रदान में विलायक के रूप में कार्य किया, जिससे यह एक अल्कोजेल में परिवर्तित हो गया। फिर अल्कोजेल को उच्च तापमान और उच्च दबाव वाले वातावरण में रखा गया। जैसे ही एथेनॉल अतिक्रांतिक तरल अवस्था में पहुँचा, जेल का दबाव कम कर दिया गया। दबाव घटने के साथ, एथेनॉल के अणु गैस के रूप में मुक्त हो गए। ऊष्मा स्रोत से हटाकर ठंडा करने पर, जेल में मौजूद एथेनॉल वाष्पित हो गया, और पीछे गैस से भरी ठोस संरचना रह गई – पहला एयरोजेल।.
यह शोध 1931 में जर्नल नेचर में प्रकाशित हुआ था।.
एयरोजेल तैयार करने की विधि में सुधार
निस्संदेह अभूतपूर्व होने के बावजूद, सैमुअल के शोध को चुनौतीपूर्ण और समय लेने वाली तैयारी स्थितियों के कारण 30 से अधिक वर्षों तक ठहराव का सामना करना पड़ा। यह 1970 तक नहीं था कि ल्यों विश्वविद्यालय ने, ऑक्सीजन और रॉकेट ईंधन के भंडारण के लिए एक छिद्रपूर्ण पदार्थ की तलाश में, एयरोजेल पर पुनर्विचार किया और सैमुअल की विधि में सुधार किया।.
नई विधि में सोडियम सिलिकेट को टेट्रामेथॉक्सीसिलेन (TMOS) से और एथेनॉल को फॉर्मलडिहाइड से बदल दिया गया। इस संशोधन ने उच्च गुणवत्ता वाले सिलिका एयरोजेल के अल्कोजेल तैयार किए और तैयारी के लिए आवश्यक समय को काफी कम कर दिया। इस सुधार ने एयरोजेल विज्ञान में एक महत्वपूर्ण कदम आगे बढ़ाया।.
इन सुधारों के बाद, अधिक शोधकर्ता एयरोजेल के क्षेत्र में शामिल हो गए।.
1983 में, बर्कले लैब के माइक्रोस्ट्रक्चर मटेरियल्स ग्रुप ने पाया कि अत्यधिक विषैले यौगिक TMOS को सुरक्षित टेट्राएथॉक्सीसिलेन (TEOS) से बदला जा सकता है। उन्होंने यह भी खोजा कि अतिक्रांतिक सुखाने से पहले, तरल CO2 एयरोजेल को नुकसान पहुँचाए बिना जेल में मौजूद अल्कोहल को बदल सकता है।.
यह एक बड़ी सुरक्षा प्रगति का प्रतीक था, क्योंकि CO2 में अल्कोहल जैसा विस्फोटक खतरा नहीं होता है। जैसे-जैसे एयरोजेल पर शोध गहरा हुआ, भौतिकविदों ने माना कि इस नैनोस्केल पदार्थ का उपयोग पकड़ने में कठिन चेरेनकोव विकिरण कणों को एकत्र करने के लिए किया जा सकता है, क्योंकि वे एयरोजेल की जटिल संरचना से गुजरने में कठिनाई का सामना करते हैं और अंततः इसके अंदर फँस जाते हैं।.
कण संग्रह के अलावा, NASA की जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी द्वारा तैयार किए गए सिलिका एयरोजेल को अंतरिक्ष में भेजा गया और उन्हें धूमकेतु धूल के कणों को एकत्र करने का कार्य सौंपा गया।.
एरोजेल की विशेषताओं और लगातार सुधरती तैयारी विधियों के इस व्यापक अवलोकन को देखते हुए, यह स्पष्ट है कि एरोजेल एक उत्कृष्ट सामग्री है। हालाँकि, अपने गुणों के बावजूद, यह रोजमर्रा की जिंदगी में व्यापक रूप से उपयोग क्यों नहीं हुआ है?
पहला, उत्पादन में चुनौतियाँ हैं, और भले ही तैयारी विधियों को कई बार बेहतर बनाया गया है, महत्वपूर्ण सुपरक्रिटिकल स्थितियाँ अभी भी एक बड़ी बाधा हैं।.
दूसरा, एरोजेल के औद्योगिक उत्पादन को एक कठिन चुनौती का सामना करना पड़ता है – एरोजेल बहुत भंगुर है। हालाँकि इसमें मजबूत भार-वहन क्षमता है, इसकी तन्य शक्ति बहुत कम है, जिससे यह हल्के बल से टूटने की संभावना रखता है। इसलिए, आमतौर पर अतिरिक्त योजक की आवश्यकता होती है।.
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