१० पट अधिक मजबूत 'सुपर आइस' काँक्रीटला टक्कर देते, ७० पट अधिक ऊर्जा शोषून घेते

परिचित पदार्थ, आमूलाग्र बदललेला

बर्फ हा आपल्यापैकी बहुतेकांसाठी तात्पुरती अडचण असलेली गोष्ट आहे — फुटपाथवरील घसरडा भाग, गोठलेल्या तलावाची कोसळणारी कडा, बूटाच्या टाचेखाली तडकणारी वस्तू. आता अहवाल गोठलेल्या पाण्याच्या अगदी वेगळ्या स्वरूपाचे वर्णन करतात: अभियांत्रिकी पद्धतीने तयार केलेला बर्फ, जो सामान्य बर्फापेक्षा सुमारे १० पट अधिक मजबूत आहे आणि भार सहन करण्याच्या क्षमतेत त्याची तुलना काँक्रीटशी केली जात आहे. कदाचित त्याहून आश्चर्यकारक गोष्ट म्हणजे, तोच पदार्थ तुटण्यापूर्वी सुमारे ७० पट अधिक ऊर्जा शोषून घेतो असे सांगितले जाते.

उच्च मजबुती आणि असामान्यपणे उच्च ऊर्जा शोषण यांचे हे संयोजनच पदार्थशास्त्रज्ञांसाठी हा दावा रोचक बनवते. केवळ मजबुती निसर्गात सामान्य आहे. मजबुतीसोबतच तडकण्याऐवजी ऊर्जा शोषून घेण्याची क्षमता, म्हणजेच ताठरपणा, ही दुर्मिळ गोष्ट आहे, आणि नेमकी हीच गुणधर्म एखाद्या पदार्थाला बांधकामासाठी उपयुक्त बनवते आणि केवळ प्रयोगशाळेच्या टेबलावर कौतुकास्पद ठेवते यात फरक करते.

सामान्य बर्फ इतक्या सहजासहजी का तुटतो

दहा पट सुधारणा का महत्त्वाची आहे हे समजून घेण्यासाठी, बर्फ सुरुवातीलाच इतका ठिसूळ का असतो हे आठवणे उपयुक्त ठरते. सामान्य बर्फ षटकोनी स्फटिक जाळी तयार करतो, ज्यात पाण्याचे रेणू कठोर पण अपूर्ण रचनेत अडकलेले असतात. मात्र प्रत्यक्षातील बर्फ एकच परिपूर्ण स्फटिक नसतो. तो वेगवेगळ्या दिशा असलेल्या कणांचा एक मोज़ेक असतो, ज्यांना वेगळे करणाऱ्या सीमांवर ताण केंद्रित होतो.

भार लावला की, ही अंतर्गत रचना अशा प्रकारे विकृत होते की ती तुटण्यास निमंत्रण देते. स्फटिकाचे स्तर एकमेकांवरून सरकू शकतात, सूक्ष्म पोकळ्या आणि आधीपासून असलेल्या तडे पसरतात, आणि तापमान वितळण्याच्या बिंदूकडे जसजसे जाते तसतसे पदार्थ प्रतिकार करण्याऐवजी वाहण्यास अधिक तयार होतो. तलावाचा बर्फाचा थर पायाखाली कण्हताना आणि तडकताना पाहिलेल्या कोणालाही ही प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणात घडताना दिसली असेल. बर्फ ठिसूळ, तापमानास संवेदनशील असतो आणि ऊर्जा शोषून घेण्याऐवजी तडकून वेगळा होऊन ती झटकून टाकतो.

'दहा पट अधिक मजबूत' याचा नेमका अर्थ काय

मथळ्यातील आकडा — सामान्य बर्फापेक्षा १० पट मजबुती — यासोबत एक इशारा आवश्यक आहे, जो कोणताही पदार्थ अभियंता तात्काळ उपस्थित करेल. मजबुती ही एकच संख्या नाही. एखादा पदार्थ संपीडनात मजबूत पण ताणात कमजोर असू शकतो, हळू दाबल्यास मजबूत पण अचानक आघातात ठिसूळ असू शकतो, किंवा एका तापमानात भक्कम पण दुसऱ्या तापमानात निरुपयोगी असू शकतो. काँक्रीट स्वतःच हे उत्तम उदाहरण आहे: संपीडनात उत्कृष्ट, ताणात कुप्रसिद्धपणे कमजोर, म्हणूनच त्याला जवळजवळ नेहमी स्टीलने मजबूत केले जाते.

म्हणून जेव्हा कामगिरीची तुलना काँक्रीटशी केली जाते, तेव्हा ती तुलना समान-ते-समान बदलीऐवजी परिमाणाच्या क्रमाबद्दलचे विधान म्हणून वाचणे योग्य ठरते. सुपर आइस पाया बदलू शकतो का हा रोचक प्रश्न नाही, तर पारंपरिक पदार्थ जिथे अडचणीत येतात अशा थंड वातावरणात तो भार सांभाळू शकतो का, आणि शेवटी तो तुटलाच तर अधिक सहनशील पद्धतीने तुटतो का, हा आहे.

ऊर्जा-शोषणाचा आकडा हे खरे आश्चर्य

तुटण्यापूर्वी सुमारे ७० पट अधिक ऊर्जा शोषून घेणे हे केवळ कच्च्या मजबुतीपेक्षा खोल अशा गोष्टीकडे निर्देश करते. ऊर्जा शोषण हे ताठरपणाचे लक्षण आहे. काचेचा एक तुकडा आणि धातूची एक पत्री यांची कडकपणा सारखीच असू शकते, पण धातू फाटण्यापूर्वी विकृतीच्या विस्तृत श्रेणीत वाकेल, ताणेल आणि खड्डा पडेल, आणि आघाताची ऊर्जा उष्णता व कायमच्या आकारबदलात रूपांतरित करेल. काच मात्र फक्त तडकते.

७० पट सुधारणा असे सूचित करते की हा अभियांत्रिकी बर्फ सामान्य बर्फाप्रमाणे तुटत नाही. एकच विनाशकारी तडा पसरवण्याऐवजी, तो अंतर्गत यंत्रणांद्वारे ऊर्जा विसर्जित करत असल्याचे दिसते — वितरित सूक्ष्म-हानी, कण-सीमा सरकणे, किंवा तडे तयार होताना त्यांना जोडणारे मजबुतीकरण. हे वर्तन तपासणीत टिकून राहिल्यास, ते केवळ प्रयोगशाळेतील मापनातील वाढ नसून तुटण्याच्या पद्धतीतच बदल दर्शवेल.

अभियांत्रिकी बर्फ तिथवर कसा पोहोचू शकतो

पाणी हा असामान्यपणे सहकार्य करणारा घटक आहे, म्हणूनच बर्फ मजबूत करण्याच्या प्रयत्नांना दीर्घ इतिहास आहे. एक प्रसिद्ध पूर्वउदाहरण म्हणजे Pykrete, बर्फ आणि लाकूड लगद्याचे मिश्रण, जे दुसऱ्या महायुद्धादरम्यान प्रचंड तरंगत्या संरचनांसाठी संभाव्य पदार्थ म्हणून प्रस्तावित करण्यात आले होते. लगद्याचे तंतू मजबुतीकरण म्हणून काम करत, सामान्य बर्फाच्या तुलनेत ताठरपणा नाट्यमयरीत्या सुधारत, जरी मूळ घटक अजूनही फक्त गोठलेले पाणीच होते.

आधुनिक दृष्टिकोन चांगल्या साधनांसह समान तर्क अनुसरतात: स्फटिकांचा आकार इतका लहान ठेवणे की ते लांब तडे धारण करू शकणार नाहीत, तडे जोडणारे तंतू किंवा इतर मिश्रणे घालणे, कडक आणि लवचिक भाग आलटून पालटून येतील अशी स्तररचना करणे, किंवा दोष केंद्रित होण्याऐवजी वितरित होतील अशा प्रकारे पदार्थ गोठवण्याची पद्धत नियंत्रित करणे. या नव्या बर्फामागील विशिष्ट पद्धतीचे तपशील नोंदवलेल्या निकालांमध्ये वर्णन केलेल्या पलीकडे आहेत, पण सामान्य तत्त्व — केवळ रसायनशास्त्र नाही तर अंतर्गत रचना अभियांत्रिकी करणे — मिश्र पदार्थांमध्ये सर्वत्र प्रस्थापित आहे.

थंड प्रदेशातील अभियांत्रिकी ही स्पष्ट संधी

सर्वात नैसर्गिक उपयोग अशा ठिकाणी आहेत जिथे बर्फ आधीच पायाभूत सुविधा म्हणून वापरला जातो. उत्तरेकडील खाण व संसाधन कार्यांमध्ये, बर्फाचे रस्ते आणि बर्फाचे तळ पारंपरिक रस्ते सांभाळू शकत नाहीत अशा भूभागावर जड यंत्रसामग्री वाहून नेतात, आणि त्यांचा हंगाम बर्फ किती भार सहन करू शकतो यावरच पूर्णपणे अवलंबून असतो. अधिक मजबूत, अधिक ताठर बर्फ हे कालावधी वाढवू शकतो, आवश्यक जाडी कमी करू शकतो, किंवा सध्या सीमांत असलेल्या परिस्थितीत ओलांडणे शक्य करू शकतो.

वाहतुकीपलीकडे, संशोधकांनी बर्फाची ध्रुवीय संशोधन केंद्रे, तात्पुरती निवारे, शीत-साठवण अडथळे, आणि आघाताला केवळ अडवण्याऐवजी प्रतिकार करणाऱ्या संरक्षक थरांसाठी संरचनात्मक पदार्थ म्हणून दीर्घकाळ कल्पना केली आहे. ऊर्जा शोषून घेणारे पदार्थ तिथेही मौल्यवान असतात जिथे एखाद्या गोष्टीला अचानक आघातापासून संरक्षण द्यावे लागते — ही भूमिका सामान्य बर्फ अत्यंत वाईटपणे पार पाडतो.

अजून उत्तरे द्यावी लागणारी प्रश्नचिन्हे

कोणताही नाट्यमय पदार्थ-दावा सोबत एक तपासणी-यादी घेऊन येतो. पहिला मुद्दा स्वतंत्र पडताळणी: असाधारण निकालांना इतर गटांकडून पुनरावृत्ती आवश्यक असते, आदर्श प्रयोगशाळेतील रचनांऐवजी प्रत्यक्ष वापर प्रतिबिंबित करणाऱ्या परिस्थितीत ती झाली तर उत्तम. दुसरा मुद्दा तापमान संवेदनशीलता. वितळण्याच्या जवळ जाताच बर्फाचे वर्तन लक्षणीय बदलते, म्हणून खोल गोठवणुकीत मोजलेली कामगिरी शून्याच्या फक्त काही अंशांखालील परिस्थितीत लागू होईलच असे नाही.

मग मापनाचा प्रश्न आहे. लहान चाचणी नमुना आणि संरचनात्मक तुळई वेगळ्या भौतिकशास्त्राचे पालन करतात, आणि सेंटिमीटर मापनावर नगण्य असलेले दोष मीटर मापनावर निर्णायक ठरतात. दीर्घकालीन वर्तनही महत्त्वाचे आहे: सतत भाराखाली बर्फ रांगतो, म्हणजे एका आघात-चाचणीत उत्तम कामगिरी करणारा पदार्थ महिन्यांत हळूहळू विकृत होऊ शकतो. खर्च, उत्पादन गती, आणि पदार्थ शेवटी वितळल्यावर किंवा पुनर्वापर केल्यावर काय होते, हे सर्व त्याच यादीत आहेत.

आपण ओळखत होतो त्या पदार्थाचा पुनर्विचार

हा विकास लक्षणीय ठरवणारी गोष्ट ही नाही की बर्फ एके दिवशी बांधकाम सूचीत काँक्रीटशी स्पर्धा करेल. तर ही की बर्फ — विपुल, स्वस्त आणि अखंडपणे नवीकरणीय — त्याच्या प्रतिष्ठेपेक्षा खूपच अधिक अभियांत्रिकी वाव ठेवतो. पाणी पृथ्वीवरील सर्वाधिक अभ्यासलेल्या पदार्थांपैकी एक आहे, तरीही त्याचे घन स्वरूप बहुतांशी सांभाळाव्या लागणारा धोका म्हणून वागवले गेले आहे, रचना करावयाचा पदार्थ म्हणून नाही.

नोंदवलेले मजबुती व ऊर्जा-शोषणाचे आकडे तपासणीत टिकून राहिल्यास, ते केवळ एक नवीन प्रयोगशाळेतील कुतूहल निर्माण करणार नाहीत. ते एक व्यापक कल्पना पुढे नेतील: भविष्यातील काही सर्वाधिक उपयुक्त पदार्थ सर्वात सामान्य घटकांपासून बनवले जाऊ शकतात, निसर्गाने कधीही हेतू न केलेल्या पद्धतीने वागण्याइतक्या अचूकतेने त्यांची पुनर्रचना करून.

हा लेख Interesting Engineering च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.