10 రెట్లు బలమైన 'సూపర్ ఐస్' కాంక్రీటుకు పోటీగా నిలుస్తుంది, 70 రెట్లు ఎక్కువ శక్తిని గ్రహిస్తుంది

ఒక పరిచిత పదార్థం, సమూలంగా మారిపోయింది

మంచు అనేది మనలో చాలామందికి తాత్కాలిక ఇబ్బందిగా మాత్రమే గుర్తుంటుంది — కాలిబాటపై జారే మంచు పొర, గడ్డకట్టిన సరస్సు అంచు పగిలిపోవడం, బూటు మడిమ కింద పగిలిపోయే వస్తువు. ఇప్పుడు నివేదికలు గడ్డకట్టిన నీటి యొక్క చాలా భిన్నమైన రూపాన్ని వివరిస్తున్నాయి: సాధారణ మంచు కంటే సుమారు 10 రెట్లు బలంగా ఉండే ఇంజినీరింగ్ చేసిన మంచు, భారాన్ని మోసే సామర్థ్యంలో కాంక్రీటుతో పోల్చబడుతోంది. బహుశా మరింత ఆశ్చర్యకరమైన విషయం ఏమిటంటే, అదే పదార్థం పగిలిపోయే ముందు సుమారు 70 రెట్లు ఎక్కువ శక్తిని గ్రహిస్తుందని చెబుతున్నారు.

ఆ కలయిక — అధిక బలం మరియు అసాధారణంగా అధిక శక్తి గ్రహణం — పదార్థ శాస్త్రవేత్తలకు ఈ వాదనను ఆసక్తికరంగా మార్చే అంశం. ప్రకృతిలో బలం మాత్రమే సాధారణం. బలం మరియు దృఢత్వం కలిసి ఉండటం, అంటే పగిలిపోకుండా శక్తిని గ్రహించే సామర్థ్యం, అరుదు, మరియు ఇది మీరు నిర్మించగల పదార్థాన్ని ప్రయోగశాల బెంచ్పై మెచ్చుకునే పదార్థం నుండి వేరు చేసే లక్షణం.

సాధారణ మంచు ఎందుకు సులభంగా విఫలమవుతుంది

పది రెట్ల మెరుగుదల ఎందుకు ముఖ్యమైనదో అర్థం చేసుకోవడానికి, మంచు మొదట ఎందుకు ఇంత పెళుసుగా ఉంటుందో గుర్తుచేసుకోవడం సహాయపడుతుంది. సాధారణ మంచు షట్కోణ స్ఫటిక జాలకాన్ని ఏర్పరుస్తుంది, నీటి అణువులు దృఢమైన కానీ అసంపూర్ణ అమరికలో చిక్కుకుపోతాయి. అయితే వాస్తవ ప్రపంచ మంచు ఒకే పరిపూర్ణ స్ఫటికం కాదు. ఇది ధాన్యాల మొజాయిక్, ప్రతిదానికి దాని స్వంత దిశ ఉంటుంది, ఒత్తిడి కేంద్రీకృతమయ్యే సరిహద్దుల ద్వారా వేరు చేయబడుతుంది.

భారం వర్తించినప్పుడు, ఆ అంతర్గత నిర్మాణం వైఫల్యాన్ని ఆహ్వానించే విధంగా వికృతమవుతుంది. స్ఫటిక తలాలు ఒకదానికొకటి జారిపోతాయి, సూక్ష్మ శూన్యాలు మరియు ముందుగా ఉన్న పగుళ్లు వ్యాపిస్తాయి, మరియు ఉష్ణోగ్రతలు ద్రవీభవన స్థానం వైపు జరుగుతున్నప్పుడు, పదార్థం నిరోధించడం కంటే ప్రవహించడానికి ఎక్కువ సిద్ధంగా ఉంటుంది. కాలి కింద సరస్సు మంచు పొర మూలుగుతూ పగిలిపోవడం చూసిన ఎవరైనా ఈ ప్రక్రియను పెద్ద స్థాయిలో చూసి ఉంటారు. మంచు పెళుసుగా ఉంటుంది, ఉష్ణోగ్రతకు సున్నితంగా ఉంటుంది, మరియు శక్తిని గ్రహించడం కంటే పగిలిపోవడం ద్వారా వేగంగా విడుదల చేస్తుంది.

'పది రెట్లు బలంగా' అంటే వాస్తవానికి ఏమిటి

ప్రధాన సంఖ్య — సాధారణ మంచు కంటే 10 రెట్లు బలం — ఏ పదార్థ ఇంజినీర్ అయినా వెంటనే లేవనెత్తే ఒక షరతును కోరుతుంది. బలం అనేది ఒకే సంఖ్య కాదు. ఒక పదార్థం సంపీడనంలో బలంగా ఉండవచ్చు కానీ తన్యతలో బలహీనంగా ఉండవచ్చు, నెమ్మదిగా నొక్కినప్పుడు బలంగా ఉండవచ్చు కానీ ఆకస్మిక ప్రభావంలో పెళుసుగా ఉండవచ్చు, లేదా ఒక ఉష్ణోగ్రత వద్ద దృఢంగా ఉండవచ్చు మరియు మరొక ఉష్ణోగ్రత వద్ద పనికిరాకుండా ఉండవచ్చు. కాంక్రీటు స్వయంగా క్లాసిక్ ఉదాహరణ: సంపీడనంలో అద్భుతం, తన్యతలో అపఖ్యాతి పొందినది, అందుకే ఇది దాదాపు ఎల్లప్పుడూ ఉక్కుతో బలపరచబడుతుంది.

కాబట్టి పనితీరు కాంక్రీటుతో పోల్చినప్పుడు, ఆ పోలికను ఒకే విధమైన ప్రత్యామ్నాయం కంటే పరిమాణ క్రమం గురించిన ప్రకటనగా చదవడం మంచిది. ఆసక్తికరమైన ప్రశ్న ఏమిటంటే సూపర్ ఐస్ పునాదిని భర్తీ చేయగలదా అనేది కాదు, సాంప్రదాయ పదార్థాలు కష్టపడే చల్లని వాతావరణాలలో ఇది భారాలను మోయగలదా, మరియు చివరికి దిగజారినప్పుడు మరింత క్షమించే విధంగా విఫలమవుతుందా అనేది.

శక్తి గ్రహణ సంఖ్యే నిజమైన ఆశ్చర్యం

పగిలిపోయే ముందు సుమారు 70 రెట్లు ఎక్కువ శక్తిని గ్రహించడం కేవలం క్రూర బలం కంటే లోతైన విషయాన్ని సూచిస్తుంది. శక్తి గ్రహణం దృఢత్వం యొక్క సంతకం. గాజు పలక మరియు లోహ షీట్ సమానమైన దృఢత్వాన్ని కలిగి ఉండవచ్చు, కానీ లోహం చిరిగిపోయే ముందు విస్తృత వికృతి పరిధిలో వంగి, సాగి, గుంటపడి, ప్రభావ శక్తిని వేడిగా మరియు శాశ్వత ఆకార మార్పుగా మారుస్తుంది. గాజు మాత్రం పగిలిపోతుంది.

70 రెట్ల మెరుగుదల ఈ ఇంజినీరింగ్ చేసిన మంచు సాధారణ మంచు లాగా విఫలం కాదని సూచిస్తుంది. ఒకే విధ్వంసకర పగుళ్లను వ్యాపింపజేయడం బదులు, ఇది అంతర్గత యంత్రాంగాల ద్వారా శక్తిని వెదజల్లుతుంది — పంపిణీ చేయబడిన సూక్ష్మ నష్టం, ధాన్యం-సరిహద్దు జారడం, లేదా పగుళ్లు ఏర్పడుతున్నప్పుడు వాటిని కలిపే బలవర్థకం. ఆ ప్రవర్తన పరిశీలనలో నిలబడితే, అది కేవలం ప్రయోగశాల కొలతలో పెరుగుదల కాకుండా వైఫల్య విధానంలో మార్పును సూచిస్తుంది.

ఇంజినీరింగ్ చేసిన మంచు అక్కడికి ఎలా చేరుకోగలదు

నీరు అసాధారణంగా సహకరించే నిర్మాణ బ్లాక్, అందుకే మంచును బలపరచడానికి ప్రయత్నాలకు సుదీర్ఘ చరిత్ర ఉంది. ఒక ప్రసిద్ధ పూర్వజన్మ Pykrete, రెండవ ప్రపంచ యుద్ధం సమయంలో భారీ తేలియాడే నిర్మాణాలకు సంభావ్య పదార్థంగా ప్రతిపాదించబడిన మంచు మరియు కలప గుజ్జు మిశ్రమం. గుజ్జు పీచు పదార్థాలు బలవర్థకంగా పనిచేశాయి, సాధారణ మంచుతో పోలిస్తే దృఢత్వాన్ని నాటకీయంగా మెరుగుపరిచాయి, అంతర్లీన పదార్థం ఇప్పటికీ గడ్డకట్టిన నీరే అయినప్పటికీ.

ఆధునిక విధానాలు మెరుగైన సాధనాలతో సమానమైన తర్కాన్ని అనుసరిస్తాయి: స్ఫటికాలు పొడవైన పగుళ్లను ఉంచడానికి చాలా చిన్నవిగా ఉండేలా ధాన్యం పరిమాణాన్ని నియంత్రించడం, పగుళ్లను కలిపే పీచు లేదా ఇతర సంకలనాలను ప్రవేశపెట్టడం, దృఢమైన మరియు సున్నితమైన ప్రాంతాలు ప్రత్యామ్నాయంగా ఉండేలా పదార్థాలను పొరలుగా అమర్చడం, లేదా లోపాలు కేంద్రీకృతం కాకుండా పంపిణీ చేయబడేలా పదార్థం ఎలా గడ్డకట్టుతుందో నియంత్రించడం. ఈ కొత్త మంచు వెనుక ఉన్న నిర్దిష్ట పద్ధతి వివరాలు నివేదించబడిన ఫలితాలు వివరించే పరిధికి మించినవి, కానీ సాధారణ సూత్రం — కేవలం రసాయన శాస్త్రం కాకుండా అంతర్గత నిర్మాణాన్ని ఇంజినీరింగ్ చేయడం — మిశ్రమ పదార్థాలలో బాగా స్థిరపడింది.

చల్లని ప్రాంత ఇంజినీరింగ్ స్పష్టమైన అవకాశం

అత్యంత సహజమైన అనువర్తనాలు మంచు ఇప్పటికే మౌలిక సదుపాయంగా ఉపయోగించబడే ప్రదేశాలలో ఉన్నాయి. ఉత్తర మైనింగ్ మరియు వనరుల కార్యకలాపాలలో, మంచు రోడ్లు మరియు మంచు ప్యాడ్లు సాంప్రదాయ రోడ్లు మద్దతు ఇవ్వలేని భూభాగం అంతటా భారీ పరికరాలను తీసుకువెళతాయి, మరియు వాటి కాలం మంచు ఎంత భారాన్ని మోయగలదో దానిపై పూర్తిగా ఆధారపడి ఉంటుంది. బలమైన, దృఢమైన మంచు ఆ విండోలను పొడిగించగలదు, అవసరమైన మందాన్ని తగ్గించగలదు, లేదా ప్రస్తుతం అంచున ఉన్న పరిస్థితులలో క్రాసింగ్లను సాధ్యం చేయగలదు.

రవాణా దాటి, పరిశోధకులు మంచును ధ్రువ పరిశోధనా స్టేషన్లు, తాత్కాలిక ఆశ్రయాలు, శీతల నిల్వ అడ్డంకులు, మరియు ప్రభావాన్ని నిరోధించడం కంటే నిరోధించాల్సిన రక్షణ పొరలకు నిర్మాణ పదార్థంగా చాలాకాలంగా ఊహించారు. శక్తిని గ్రహించే పదార్థాలు ఆకస్మిక దెబ్బ నుండి ఏదైనా రక్షించబడాల్సిన చోట కూడా విలువైనవి — సాధారణ మంచు ఆ పాత్రను నిర్వహించడంలో అత్యంత దారుణంగా విఫలమవుతుంది.

ఇప్పటికీ సమాధానాలు అవసరమైన ప్రశ్నలు

ఏదైనా నాటకీయ పదార్థ వాదన దానితో పాటు ఒక చెక్లిస్ట్ను తీసుకువస్తుంది. మొదటి అంశం స్వతంత్ర ధృవీకరణ: అసాధారణ ఫలితాలకు ఇతర సమూహాలచే పునరావృత్తి అవసరం, ఆదర్శవంతమైన ప్రయోగశాల అమరికల కంటే వాస్తవ ఉపయోగాన్ని ప్రతిబింబించే పరిస్థితులలో ఉత్తమం. రెండవది ఉష్ణోగ్రత సున్నితత్వం. మంచు ప్రవర్తన ద్రవీభవనానికి దగ్గరగా వెళ్ళే కొద్దీ గణనీయంగా మారుతుంది, కాబట్టి లోతైన శీతలంలో కొలిచిన పనితీరు సున్నా కంటే కొన్ని డిగ్రీలు మాత్రమే తక్కువ ఉన్న పరిస్థితులకు అనువదించబడకపోవచ్చు.

అప్పుడు స్థాయి ఉంది. ఒక చిన్న పరీక్ష నమూనా మరియు నిర్మాణ పుంజం వేర్వేరు భౌతిక శాస్త్రాలను పాటిస్తాయి, మరియు సెంటీమీటర్ స్థాయిలో అప్రస్తుతమైన లోపాలు మీటర్ స్థాయిలో నిర్ణాయకమవుతాయి. దీర్ఘకాలిక ప్రవర్తన కూడా ముఖ్యం: మంచు నిరంతర భారం కింద క్రీప్ చేస్తుంది, అంటే ఒకే ప్రభావ పరీక్షలో అద్భుతంగా పనిచేసే పదార్థం నెలల తరబడి నెమ్మదిగా వికృతమవవచ్చు. ఖర్చు, ఉత్పత్తి వేగం, మరియు పదార్థం చివరికి కరిగినప్పుడు లేదా రీసైకిల్ చేయబడినప్పుడు ఏమి జరుగుతుంది అన్నీ అదే జాబితాలో ఉన్నాయి.

మనం తెలుసుకున్నామనుకున్న పదార్థాన్ని పునరాలోచించడం

ఈ పరిణామాన్ని గమనార్హంగా చేసేది మంచు ఒకరోజు నిర్మాణ కేటలాగ్లో కాంక్రీటుతో పోటీ పడవచ్చు అనేది కాదు. అది ఏమిటంటే మంచు — సమృద్ధిగా, చౌకగా, అనంతంగా పునరుత్పాదకమైనది — దాని ఖ్యాతి సూచించే దానికంటే చాలా ఎక్కువ ఇంజినీరింగ్ అవకాశాన్ని కలిగి ఉండవచ్చు. నీరు భూమిపై అత్యంత అధ్యయనం చేయబడిన పదార్థాలలో ఒకటి, అయినప్పటికీ దాని ఘన రూపం ఎక్కువగా రూపకల్పన చేయవలసిన పదార్థంగా కాకుండా నిర్వహించవలసిన ప్రమాదంగా పరిగణించబడింది.

నివేదించబడిన బలం మరియు శక్తి గ్రహణ గణాంకాలు పరిశీలనలో నిలబడితే, అవి కేవలం నవల ప్రయోగశాల ఉత్సుకతను ఉత్పత్తి చేయవు. అవి విస్తృతమైన ఆలోచనను ముందుకు నెడతాయి: భవిష్యత్తులో అత్యంత ఉపయోగకరమైన పదార్థాలలో కొన్ని అత్యంత సాధారణ పదార్థాల నుండి నిర్మించబడవచ్చు, ప్రకృతి ఎప్పుడూ ఉద్దేశించని విధంగా ప్రవర్తించడానికి తగిన ఖచ్చితత్వంతో పునర్వ్యవస్థీకరించబడతాయి.

ఈ వ్యాసం Interesting Engineering నివేదిక ఆధారంగా రూపొందించబడింది. అసలు వ్యాసాన్ని చదవండి.