पदार्थ "स्मार्ट" कब कहलाता है?
ज़्यादातर पदार्थ बस पड़े रहते हैं। स्मार्ट पदार्थ आसपास के किसी बदलाव, यानी उद्दीपक, पर प्रतिक्रिया करता है और अपना एक गुण काम के तरीके से बदलता है। यह बदलाव उत्क्रमणीय है: उद्दीपक हटाओ तो वापस।
- उद्दीपक: ताप, प्रकाश, बल/दाब, वोल्टेज, चुंबकीय क्षेत्र, नमी या pH।
- प्रतिक्रिया: आकार, रंग, पारदर्शिता, वोल्टेज, कठोरता या आयतन।
क्योंकि ये एक साथ महसूस भी करते हैं और काम भी, इसलिए साधारण उत्पादों में ये सेंसर, स्विच और मोटर की जगह ले सकते हैं।
चार मुख्य स्मार्ट पदार्थ
आकार-स्मृति मिश्रधातु (SMA)
निटिनॉल (निकल + टाइटेनियम) ठंडा होने पर मोड़ा जा सकता है। संक्रमण ताप से ऊपर गर्म होते ही उसकी क्रिस्टल संरचना पलटती है और धातु उस आकार में लौटती है जिसमें उसे "सिखाया" गया था। उपयोग: मुड़कर वापस आने वाले चश्मे के फ़्रेम, दाँतों के ब्रेसेस, नस के अंदर खुलने वाले स्टेंट, आग में खुलने वाले स्प्रिंकलर वाल्व, रोबोट के छोटे एक्चुएटर।
थर्मोक्रोमिक पदार्थ
ऐसे रंग या द्रव क्रिस्टल जो तय ताप पर रंग बदलते हैं। उपयोग: केतली और बच्चे के दूध की चेतावनी, माथे की थर्मामीटर पट्टी, बैटरी टेस्टर, जादुई मग।
फ़ोटोक्रोमिक पदार्थ
ऐसे अणु जो UV प्रकाश में आकार बदलकर ज़्यादा दृश्य प्रकाश सोखते हैं, इसलिए काले हो जाते हैं। उपयोग: अपने-आप काले होने वाले चश्मे, गाड़ी की खिड़कियाँ, सुरक्षा संकेत।
पीज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थ
क्वार्ट्ज़ या खास सिरेमिक जैसे क्रिस्टल, जो दबाने पर वोल्टेज देते हैं और वोल्टेज लगाने पर थोड़ा आकार बदलते हैं। उपयोग: गैस लाइटर, माइक्रोफ़ोन, बज़र और स्पीकर, क्वार्ट्ज़ घड़ी, अल्ट्रासाउंड मशीन, कदमों से बिजली बनाने वाली टाइलें।
दूसरे स्मार्ट पदार्थ
स्मार्ट हाइड्रोजेल (पानी में फूलने वाले जेल, डायपर और गमलों में), क्वांटम टनलिंग कंपोज़िट (QTC, दबाने पर बिजली चलाता है, टच स्विच में), इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंट शीट और चुंबकीय क्षेत्र में सख़्त होने वाले द्रव।
आधुनिक पदार्थ: कंपोज़िट, नैनो और वस्त्र
कंपोज़िट (सम्मिश्र)
कंपोज़िट दो या ज़्यादा पदार्थों को जोड़कर बनता है, ताकि नतीजा दोनों से बेहतर हो। अक्सर मज़बूत रेशे एक आधार (मैट्रिक्स, गोंद जैसा) में बैठे होते हैं। उदाहरण: कार्बन-फ़ाइबर और काँच-फ़ाइबर प्लास्टिक (हल्के और कड़े), सरिया वाला कंक्रीट (स्टील खिंचाव सहता है, कंक्रीट दबाव), प्लाईवुड और MDF।
नैनो पदार्थ
ऐसे पदार्थ जिनकी बनावट 1–100 नैनोमीटर की हो (1 नैनोमीटर = मीटर का अरबवाँ हिस्सा)। ग्राफ़ीन सिर्फ़ एक परमाणु मोटा, बहुत मज़बूत और अच्छा चालक है। नैनो-चाँदी कपड़ों में कीटाणु मारती है; नैनो टाइटेनियम डाइऑक्साइड खुद साफ़ होने वाला काँच और सनस्क्रीन बनाता है।
द्रव क्रिस्टल
द्रव की तरह बहते हैं पर क्रिस्टल की तरह कतार में लगते हैं। छोटा वोल्टेज इन्हें घुमाकर प्रकाश को रोकता या जाने देता है: LCD स्क्रीन ऐसे ही काम करती है।
तकनीकी और स्मार्ट वस्त्र
तकनीकी वस्त्र खास काम करते हैं: सुरक्षा जैकेट के लिए केवलर, साँस लेने वाला जलरोधी कपड़ा, आग-रोधी कपड़ा। स्मार्ट वस्त्रों में चालक धागे या सेंसर होते हैं, जैसे दिल की धड़कन मापने वाले खेल के कपड़े।
प्लास्टिक और पौधों से बने पदार्थ
थर्मोप्लास्टिक गर्म होकर नरम होते हैं और दोबारा ढाले जा सकते हैं (PET, PP); थर्मोसेट हमेशा के लिए सख़्त हो जाते हैं (एपॉक्सी, मेलामाइन)। PLA जैसे जैव-आधारित प्लास्टिक मक्का या गन्ने से बनते हैं और कुछ खाद बन सकते हैं।
पदार्थ कैसे चुनें
डिज़ाइनर पदार्थों की तुलना इन बातों पर करते हैं:
- काम: मज़बूती, कड़ापन, भार, कठोरता, चालकता, ताप या प्रकाश पर प्रतिक्रिया।
- कीमत: प्रति kg या प्रति शीट दाम × ज़रूरी मात्रा, साथ में बनाने का खर्च। उदाहरण: 150 प्रति m² वाली कार्बन-फ़ाइबर शीट के 0.4 m² = 60।
- बनाना: क्या इसे काटा, ढाला, 3D प्रिंट किया या कंप्यूटर-नियंत्रित (CNC) और रोबोटिक मशीनों से गढ़ा जा सकता है?
- पर्यावरण: कच्चा माल, बनाने की ऊर्जा, कितना टिकेगा, और क्या दोबारा उपयोग, पुनर्चक्रण या खाद बन सकता है।
स्मार्ट और आधुनिक पदार्थ ऊर्जा और पुर्ज़े बचा सकते हैं, पर कुछ (जैसे कंपोज़िट) का पुनर्चक्रण कठिन है और नैनो पदार्थों के स्वास्थ्य असर पर अभी शोध चल रहा है।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- [object Object]
- [object Object]
- [object Object]
- [object Object]
- [object Object]
हल किए गए उदाहरण
1. बच्चे का चम्मच खाना ज़्यादा गर्म होने पर लाल से सफ़ेद हो जाता है। कौन सा स्मार्ट पदार्थ है और उद्दीपक क्या है?
थर्मोक्रोमिक रंग। उद्दीपक ताप है, प्रतिक्रिया रंग बदलना है, और चम्मच ठंडा होने पर रंग वापस आ जाता है।
2. रेस की साइकिलों में स्टील की जगह कार्बन-फ़ाइबर फ़्रेम क्यों?
उतनी ही मज़बूती और कड़ेपन के लिए कार्बन-फ़ाइबर कंपोज़िट बहुत हल्का है, तो सवार की ऊर्जा कम लगती है। यह महँगा है और इसका पुनर्चक्रण कठिन है, इसलिए रोज़ की साइकिलें अब भी स्टील या ऐल्युमिनियम की होती हैं।
3. डिज़ाइनर को ऐसा पाइप वाल्व चाहिए जो आग लगने पर बिना बिजली अपने-आप खुल जाए। पदार्थ सुझाओ और समझाओ।
आकार-स्मृति मिश्रधातु की स्प्रिंग। सामान्य ताप पर यह वाल्व बंद रखती है; आग में संक्रमण ताप से ऊपर गर्म होकर अपने सिखाए आकार में लौटती है और वाल्व खोल देती है।
आम गलतियाँ
- हर नए या हाई-टेक पदार्थ को "स्मार्ट" कहना। स्मार्ट पदार्थ को उद्दीपक पर प्रतिक्रिया करनी चाहिए; कार्बन फ़ाइबर आधुनिक है, स्मार्ट नहीं।
- सोचना कि फ़ोटोक्रोमिक लेंस रोशनी की चमक से काले होते हैं। वे UV से काले होते हैं, इसलिए UV रोकने वाले गाड़ी के शीशे के पीछे शायद काले न हों।
- कहना कि पीज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थ बैटरी की तरह बिजली जमा करते हैं। वे सिर्फ़ तभी वोल्टेज देते हैं जब बल बदल रहा हो।
- भूल जाना कि स्मार्ट पदार्थ का बदलाव उत्क्रमणीय है; जो पदार्थ पिघल या जल जाए, वह "स्मार्ट" नहीं।