एरोजेल: जन्म प्रक्रिया
एरोजेल: परिचय और गुण
एरोजेल को विश्व का सबसे हल्का ठोस पदार्थ माना जाता है, तथा यह 97% वायु और 3% ठोस संरचना से बना होता है, तथा इसका घनत्व वायु से 1.5 गुना अधिक होता है। न केवल यह अत्यंत हल्का होता है, बल्कि एरोजेल मुख्य रूप से सिलिका और वायु से बना होता है, इसलिए सिलिका में मध्यम तापीय चालकता होती है और वायु में कम तापीय चालकता होती है, जिससे इसे उत्कृष्ट तापीय रोधन क्षमता प्राप्त होती है।
इसके अतिरिक्त, एरोजेल में असंख्य नैनोस्केल सूक्ष्म छिद्र होते हैं जो वायु प्रसार को बाधित करते हैं, जिससे सामग्री के माध्यम से संवहनीय ऊष्मा स्थानांतरण में बाधा उत्पन्न होती है।
एरोजेल का उपयोग मुख्य रूप से मंगल रोवर जैसे वातावरण में इन्सुलेशन के रूप में किया जाता है, क्योंकि यह उच्च तापमान प्रतिरोधी होते हैं।
इसके अतिरिक्त, एरोजेल की हाइड्रोफोबिसिटी को संशोधन के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, जिसके तहत ध्रुवीय -OH समूहों को गैर-ध्रुवीय -OR में परिवर्तित किया जाता है, जिससे हाइड्रोफोबिक एरोजेल बनता है।
यद्यपि एरोजेल आधुनिक प्रौद्योगिकी का एक अत्याधुनिक उत्पाद प्रतीत होता है, लेकिन इसे पहली बार 1930 के दशक में रसायनज्ञ सैमुअल किस्टलर द्वारा विकसित किया गया था।
प्रथम एरोजेल का जन्म
जेल जैसा पदार्थ आम बात है, और हम जो जिलेटिन खाते हैं वह ठोस और तरल अवस्थाओं का मिश्रण होता है। सैमुअल किस्टलर और उनके सहयोगी चार्ल्स रनिंग ने इस बात पर शर्त लगाई कि जिलेटिन जैल क्यों बनाता है। चार्ल्स का मानना था कि ऐसा तरल के गुणों के कारण था, लेकिन सैमुअल ने तर्क दिया कि जेल के भीतर ठोस संरचना की उपस्थिति महत्वपूर्ण थी।
अपने दावे को साबित करने के लिए, सैमुएल ने प्रयोगात्मक रूप से जेल के भीतर एक सतत ठोस नेटवर्क के अस्तित्व को प्रदर्शित करने का प्रयास किया। इसका लक्ष्य यह प्रदर्शित करना था कि जेल के अंदर से तरल पदार्थ को निकालते हुए, ठोस संरचना को बनाए रखते हुए जेल और उसके तरल पदार्थ में कोई संबंध नहीं है। हालाँकि, समस्या यह थी कि जेल के भीतर तरल को वाष्पित करने मात्र से अणुओं के बीच आकर्षण बलों के कारण ठोस संरचना ध्वस्त हो जाती।
इस पर काबू पाने के लिए, सैमुअल को जेल के भीतर तरल को प्रतिस्थापित करना पड़ा, और एकमात्र उपयुक्त विकल्प एक गैस थी जिसमें पहले से ही ठोस और तरल दोनों अवस्थाएं थीं। हालाँकि, साधारण गैस जेल के अंदर तरल पदार्थ की जगह नहीं ले सकती। सैमुएल ने एक नवीन पद्धति का प्रयोग किया। जेल को संपीड़ित और गर्म किया गया जिससे द्रव अपने क्रांतिक बिंदु से आगे बढ़ गया, तथा वह अतिक्रांतिक द्रव में परिवर्तित हो गया (द्रव और गैस में कोई अंतर नहीं होता)। इससे अणुओं के बीच आकर्षण बल समाप्त हो जाता है, इस प्रकार पॉलिमरों के बीच आकर्षण बल भी समाप्त हो जाता है।
सैमुअल ने कच्चे माल के रूप में सोडा ग्लास को चुना और हाइड्रोलिसिस को आसान बनाने के लिए उत्प्रेरक के रूप में हाइड्रोक्लोरिक एसिड का उपयोग किया। इस विनिमय में, पानी और इथेनॉल को विलायक के रूप में इस्तेमाल किया गया और उसे एल्कोजेल में परिवर्तित किया गया। इसके बाद अल्कोहल जेल को उच्च तापमान, उच्च दबाव वाले वातावरण में रखा गया। जब इथेनॉल अतिक्रिटिकल द्रव अवस्था में पहुंच गया, तो जेल का दबाव कम कर दिया गया। जैसे ही दबाव कम हुआ, इथेनॉल अणु गैस के रूप में मुक्त हो गए। ऊष्मा स्रोत से हटाए जाने और ठंडा होने दिए जाने के बाद, जेल के अंदर का इथेनॉल वाष्पित हो गया, और पीछे गैस से भरी ठोस संरचना, मूल एरोजेल रह गई।
यह अध्ययन 1931 में नेचर में प्रकाशित हुआ था।
एरोजेल निर्माण की उन्नत विधि
निस्संदेह, कठिन और समय लेने वाली विनिर्माण स्थितियों के कारण सैमुअल का अनुसंधान 30 से अधिक वर्षों तक स्थिर रहा। 1970 के दशक में, ल्योन विश्वविद्यालय, जो ऑक्सीजन और रॉकेट ईंधन के भंडारण के लिए छिद्रयुक्त पदार्थों की तलाश कर रहा था, ने सैम्युअल की विधि में सुधार करते हुए अपना ध्यान पुनः एरोजेल पर केंद्रित किया।
एक नई विधि यह थी कि सोडा ग्लास को टेट्रामेथॉक्सीसिलेन (TMOS) से तथा इथेनॉल को फॉर्मेल्डिहाइड से प्रतिस्थापित किया जाए। इस संशोधन से उच्च गुणवत्ता वाले सिलिका एरोजेल एल्कोजेल का उत्पादन हुआ तथा तैयारी के लिए आवश्यक समय में भी काफी कमी आई। यह सुधार एरोजेल विज्ञान में एक बड़ी प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है।
इन सुधारों के बाद से, एरोजेल के क्षेत्र में और अधिक शोधकर्ता शामिल हो गए हैं।
1983 में, बर्कले लैब के माइक्रोस्ट्रक्चर्ड मैटेरियल्स ग्रुप ने पता लगाया कि अत्यधिक विषैले यौगिक टीएमओएस को सुरक्षित टेट्राएथोक्सीसिलेन (टीईओएस) से प्रतिस्थापित किया जा सकता है। हमने यह भी पता लगाया कि जेल में मौजूद अल्कोहल को नुकसान पहुंचाए बिना, अल्कोहल के स्थान पर तरल कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग किया जा सकता है।
यह एक प्रमुख सुरक्षा प्रगति थी, क्योंकि इससे शराब के विस्फोटक खतरे को समाप्त कर दिया गया। जैसे-जैसे एरोजेल पर अनुसंधान गहराता गया, भौतिकविदों को एहसास हुआ कि नैनोस्केल सामग्रियों का उपयोग कठिन चेरेनकोव विकिरण कणों को इकट्ठा करने के लिए किया जा सकता है। इन कणों को एरोजेल की जटिल संरचना को भेदने में कठिनाई होती है और वे इसके भीतर फंस जाते हैं।
नासा की जेट प्रोपल्शन प्रयोगशाला में निर्मित सिलिका एरोजेल को धूमकेतु के धूल कणों को एकत्र करने के मिशन पर अंतरिक्ष में प्रक्षेपित किया गया।
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