[छायाचित्र श्रेय : पायझोइलेक्ट्रिक मटेरियलचा छापील लवचिक पत्रा, व्हर्जिनिया टेक]
विमानात बसल्यावर जाणवणारी कंपने कमी करण्यात नवीन तंत्रज्ञान यशस्वी झाल्याने हल्ली हवाई प्रवास बराच सुखकर झाला आहे. उड्डाणादरम्यान विमानाच्या प्रचंड टर्बाइन इंजिनामुळे तसेच आसपासच्या वातावरणामुळे निर्माण होणारी विमानाची कंपने कमी करण्यासाठी पायझोइलेक्ट्रिक मटेरियलने बनलेली, हाताच्या तळव्याच्या आकाराची छोटी उपकरणे विमानाच्या पंखांवर तसेच केबिनच्या खिडकीवर बसविली जातात. विद्युतक्षेत्राच्या प्रभावाखाली पायझोइलेक्ट्रिक उपकरणाद्वारे मोठ्या प्रमाणात कंपने नाहीशी करणारी शक्ती तयार होते.
पायझोइलेक्ट्रिक मटेरियल हे मायक्रोमीटर आणि नॅनोमीटर आकाराच्या उपकरणांमध्ये इलेक्ट्रिक सिग्नलद्वारे नियंत्रित सेन्सर किंवा गतिशील भाग म्हणून देखील वापरले जाते. नुकत्याच झालेल्या अभ्यासानुसार, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी बॉम्बे) च्या संशोधकांनी सामान्यतः वापरल्या जाणार्‍या पायझोइलेक्ट्रिक सिरामिकपेक्षा चांगले मटेरियल प्रस्तावित केले आहे. या नवीन पदार्थाचा पायझोइलेक्ट्रिक प्रतिसाद पूर्वीच्या तुलनेत अधिक चांगला आहे. म्हणजेच, कंपने कमी करण्याची शक्ती तयार व्हायला अगदी कमी विद्युतभार देखील पुरतो. ह्या संशोधनाचे निष्कर्ष युरोपियन जर्नल ऑफ मेकॅनिक्स - ए/सॉलिड्स या जर्नलमध्ये प्रकाशित केले गेले आहेत. या संशोधनास भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई, यांनी अंशतः अर्थसहाय्य दिले होते.
ग्राफीन रीएनफोर्स्ड पायझोइलेक्ट्रिक कंपोझिट (ग्राफीन नी बळकट केलेले पायझोइलेक्ट्रिक संयुक्त मटेरियल, जीआरपीसी) नावाच्या या अभिनव पदार्थात, बहुतांश वेळा वापरल्या जाणार्‍या पायझोइलेक्ट्रिक मटेरियल म्हणजेच - पीझेडटी (लेड झिरकोनेट टिटॅनेट) चे तंतू आणि ग्राफीन नॅनोकण हे दोन्ही इपॉक्सी बेसमध्ये समाविष्ट केले जातात. पीझेडटी खूपच ठिसूळ असते आणि त्यामुळे या जीआरपीसी पदार्थाचा भक्कमपणा वाढविण्यासाठी इपॉक्सी आवश्यक असते.
भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील प्राध्यापक सुस्मिता नासकर यांनी सांगितले, “इपॉक्सी वापरणे तुलनेने सोपे जाते व ते बाजारात सहजगत्या उपलब्ध असते त्यामुळे आम्ही इपॉक्सीची निवड केली.”
[प्रतिमेचे श्रेय : कंपोझिट पदार्थासाठी आवश्यक असलेल्या प्रभावी गुणधर्मांची पडताळणी, किशोर बाळासाहेब शिंगरे, सुस्मिता नासकर]
चांगल्या पायझोइलेक्ट्रिक मटेरियलमध्ये उत्तम पायझोइलेक्ट्रिक प्रतिसाद आणि उच्च लवचिकता हे दोन गुणधर्म असतात. म्हणजेच, विमानावरील कंपने कमी करू शकणारे पायझोइलेक्ट्रिक उपकरण, समान विद्युतक्षेत्र असल्यास, इतर मटेरियलच्या तुलनेत अधिक बल निर्माण करते आणि तरीही उपकरणाचा आकार व संरचना बिघडत नाही व ते तितकेच ताठ राहते. अल्युमिनियम आणि रबर ही अनुक्रमे उच्च आणि नीच लवचिक गुणांक असलेल्या पदार्थांची उदाहरणे आहेत.
संशोधकांच्या गटाने सैद्धांतिक व संगणकीय प्रतिमानाचा वापर करून जीआरपीसीचा पायझोइलेक्ट्रिक प्रतिसाद आणि त्याचे लवचिक गुणांक तपासले. सैद्धांतिक प्रतिमानाच्याच्या मदतीने या गुणधर्मांची गणना करण्यासाठी पदार्थातील प्रत्येक घटकाचे गुणधर्म आणि त्याचे एकंदर प्रमाण या बाबींचा अभ्यासात समावेश केला होता. काही प्रतिमानाचा उपयोग करून भिन्न घटकांच्या आंतरक्रिया कश्या होतात याचाही विचार केला गेला. सैद्धांतिक प्रतिमाने सत्वर संकेत देऊ शकतात, मात्र हे प्रतिमान वापरून काढलेले निष्कर्ष काही गृहीतकांवर आधारित असतात. ही गृहीतके पडताळून बघणे आवश्यक असते. त्यामुळे सैद्धांतिक प्रतिमानांच्या वापराला एकप्रकारे मर्यादा येते. “आमच्या संगणकीय प्रतिमानात पीझेडटी फायबर आणि ग्राफीन नॅनोपार्टिकल्सचे वेगवेगळे आकार आणि अभिमुखता आहेत,” भारतीय तंत्रज्ञान संस्थेचे डॉ. किशोर बाळासाहेब शिंगरे यांनी आपल्या संगणनाच्या पद्धतीचे महत्त्व सांगताना नमूद केले.
डॉ. शिंगरे यांनी जीआरपीसी आणि पारंपारिक पीझेडटी-इपॉक्सी मटेरियल (पायझोइलेक्ट्रिक सिरेमिक) या दोन्हीच्या गुणधर्मांचा तुलनात्मक अभ्यास केला. त्यांनी सिम्युलेशनच्या माध्यमातून दोन्ही मटेरियलवर विद्युतक्षेत्राचा प्रभाव तपासला, आणि पदार्थ वेगवेगळ्या दिशांना ताणून मटेरियलमध्ये विकसित होणाऱ्या ताणाचे मोजमाप केले. त्यांच्या असे लक्षात आले की पायझोइलेक्ट्रिक आणि लवचिकता या दोन्ही गुणधर्मांच्या बाबतीत जीआरपीसी मटेरियल पारंपारिक पीझेडटी-इपॉक्सी पदार्थापेक्षा सरस आहे. ग्राफीनमुळे उपकरण अधिक मजबूत झाले, आणि स्वतःचा आकारही अखंड राखू शकले. शिवाय विद्युत क्षेत्राच्या प्रभावाखाली दुप्पट बल निर्माण करू शकले.
“ग्राफीन हा वजनाने अतिशय हलका पदार्थ असूनही अत्यंत कणखर आहे. जीआरपीसीचे गुणधर्म सुधारण्याचे मुख्य कारण ग्राफीन आहे. ग्राफीन आणि पीझेडटी फायबर व इपॉक्सी यांच्यातील आंतरक्रियांसाठी ग्राफीनद्वारे विस्तृत पृष्ठ क्षेत्रफळ मिळते.” असे डॉ. शिंगरे यांनी स्पष्ट केले.
पूर्वी केल्या गेलेल्या संशोधनात फक्त एकाच प्रतलातील पायझोइलेक्ट्रिक प्रतिसादाचा अभ्यास केला गेला होता. परंतु, सदर अभ्यासात सर्व दिशांना ताणल्यानंतर दिसणाऱ्या पायझोइलेक्ट्रिक प्रतिसादाकडे लक्ष वेधले गेले. “जीआरपीसीमध्ये सर्व दिशांत पायझोइलेक्ट्रिक प्रतिसाद लक्षणीय वाढलेला आम्हाला आढळला आहे. अनेक दिशांनी हालचाल करू शकणारे कृत्रिम स्नायू व ह्यासारख्या जैव-वैद्यकीय उपकरणांमध्ये सुद्धा हे तंत्रज्ञान उपयोगी ठरू शकते.” असे प्रा. नासकर म्हणाल्या.
ह्या अभ्यासाद्वारे भविष्यात अधिक प्रभावी पायझोइलेक्ट्रिक उपकरणे तयार करण्यास मदत होऊ शकते. यंत्रमानव किंवा उपग्रह तयार करण्यासाठी बहुउद्देशीय व वजनाने हलक्या पदार्थाची आवश्यकता असते आणि जीआरपीसी त्याकरिता सुयोग्य पर्याय ठरू शकते असे संशोधकांचे मत आहे.