कुछ प्राणियों के अपने एक्सोस्केलेटन में अद्वितीय माइक्रोस्ट्रक्चर होते हैं जो उन्हें समय के साथ लगातार भारी प्रभावों का सामना करने में सक्षम बनाते हैं। ये बुलिगैंड संरचनाएं मंटिस झींगा, नीले केकड़े, शानदार बीटल और कई और (यहां दिखाए गए) में पाई जा सकती हैं।
श्रेय: शटरस्टॉक, बी। हेस/एनआईएसटी
सबसे नवीन और उपयोगी आविष्कारों में से कुछ प्रकृति से प्रेरित हैं। जापान में शिंकानसेन बुलेट ट्रेन लें, जिसका एरोडायनामिक डिजाइन किंगफिशर बर्ड के बाद तैयार किया गया है। या वेल्क्रो, जिसे एक स्विस इंजीनियर ने यह देखने के बाद आविष्कार किया कि एक कुत्ते के फर से चिपकने वाले बर्र उनमें छोटे हुक हैं।
अब, वैज्ञानिकों ने प्रेरणा के लिए एक छोटे पानी के नीचे शिकारी की ओर रुख किया है। मेंटिस झींगा एक रंगीन अकशेरुकी है जो एक शक्तिशाली पंच पैक करता है। यह एक .22 कैलिबर बुलेट के बल के साथ क्लैमशेल्स को क्रैक कर सकता है, अद्वितीय संरचनाओं के लिए धन्यवाद जो इसके एक्सोस्केलेटन को आश्चर्यजनक रूप से मजबूत बनाते हैं।
नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST) के शोधकर्ताओं ने इन संरचनाओं के सिंथेटिक संस्करण बनाए हैं और उन पर माइक्रोप्रोजेक्टाइल्स को नष्ट करके उनके प्रभाव प्रदर्शन का परीक्षण किया है। उन्होंने पाया कि संरचनाओं के विशिष्ट मापदंडों को समायोजित करने से वे बदल गए कि वे कैसे अवशोषित हो गए और प्रभाव ऊर्जा को विघटित कर दिया।
“इस शोध के परिणाम और अंतर्दृष्टि एयरोस्पेस के लिए अनुप्रयोगों के साथ बायोइनस्पेड सामग्री डिजाइन में एक महत्वपूर्ण अग्रिम को चिह्नित करते हैं, जैसे कि अंतरिक्ष यान को माइक्रोमेटोरॉइड्स के प्रभाव से बचने और मलबे से टकराते हुए परिक्रमा करने वाले उपग्रहों की रक्षा करना।”
अन्य संभावित अनुप्रयोगों में बेहतर बुलेट-प्रतिरोधी ग्लास, ब्लास्ट-प्रतिरोधी निर्माण सामग्री और अधिक सुरक्षात्मक हेलमेट शामिल हैं।
चैन और उनके सहयोगियों ने अपने निष्कर्षों को प्रकाशित किया राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही।
यह शोध विचार सुजिन ली से आया, जो राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद (NRC) पोस्टडॉक्टोरल फेलो के रूप में NIST में आए थे। ली यह समझना चाहते थे कि मंटिस झींगा का उपांग क्यों नहीं टूटा क्योंकि यह अन्य प्राणियों के गोले को तोड़ दिया। चैन को भी इस अवधारणा से घिरा हुआ था, और दोनों ने यह पता लगाने के लिए एक शोध परियोजना विकसित की।
“जब कोई व्यक्ति किसी को घूंसा मारता है, तो उसका हाथ दर्द होता है, लेकिन एक मंटिस झींगा के साथ, यह नहीं होता है,” चान ने कहा। या यह वैसे भी नहीं लगता है। ली और चैन को पहले से ही पता था कि यह चिंराट के एक्सोस्केलेटन में सूक्ष्म “बोलिगैंड संरचनाओं” से संबंधित था।
चान ने कहा, “बॉलिगैंड स्ट्रक्चर्स प्रकृति में प्रभाव प्रतिरोध के लिए एक सार्वभौमिक सामग्री मंच हैं, और हम उनके बारे में अधिक जानना चाहते थे, इसलिए हमने उन्हें प्रयोगशाला में तैयार किया और परीक्षण किया।”
ली और चान ने सेल्यूलोज नैनोक्रिस्टल से संरचनाओं को संश्लेषित किया, जो कि पौधे फाइबर में पाए जाते हैं। नैनोक्रिस्टल्स ने प्लेटों में आत्म-इकट्ठा किया, जो एक दूसरे के ऊपर स्तरित होकर प्लाईवुड के ढेर को घूर्णन करते हैं।
उन स्टैक ने अपने सिंथेटिक बोलिगैंड संरचनाओं का गठन किया। शोधकर्ताओं ने तब उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों का उपयोग करके क्रिस्टल को संशोधित किया उन्हें पतली फिल्मों में इकट्ठा करने से पहले जो उनकी परीक्षण सामग्री के रूप में सेवा करते थे।
इसके बाद, उन्होंने पतली फिल्मों के प्रभाव प्रतिरोध का परीक्षण किया, जो कि ऊपर की गति से उन पर माइक्रोप्रोजेक्टाइल को फायर कर रहा था 600 मीटर प्रति सेकंड। सिलिका से बने माइक्रोप्रोजेक्टाइल्स को एक उच्च तीव्रता वाले लेजर द्वारा उनके लक्ष्य की ओर बढ़ाया गया था। शोधकर्ताओं ने एक अल्ट्राफास्ट कैमरे के साथ पतली फिल्मों को प्रभावित करने वाले माइक्रोप्रोजेक्टिल्स की छवियां दर्ज कीं।
माइक्रोप्रोजेक्टाइल हिटिंग सीएनसी फिल्म
उन छवियों के आधार पर, शोधकर्ताओं ने देखा कि एक माइक्रोप्रोजेक्टाइल एक स्थायी इंडेंटेशन छोड़ सकता है, जबकि टेनिस बॉल को जमीन पर मारते हुए भी वापस उछल सकता है। इंडेंटेशन की डिग्री और उछाल-बैक की मात्रा इस बात पर निर्भर करती है कि माइक्रोप्रोजेक्टाइल के प्रभाव के बाद ऊर्जा कैसे भटकता है या शॉकवेव में फैल गई है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि वे समायोजित कर सकते हैं कि कैसे ऊर्जा को ठीक-ट्यूनिंग विभिन्न कारकों द्वारा विघटित किया गया, जो नमूना के यांत्रिक गुणों को प्रभावित करते हैं, जैसे कि नैनोक्रिस्टल को मोटा बनाना या उनके घनत्व को बदलना। उन्होंने पाया कि माइक्रोप्रोजेक्टिल्स ने पतली फिल्मों में स्थायी इंडेंटेशन छोड़ दिए, लेकिन मोटी फिल्मों ने प्रभाव से शॉकवेव्स को पुनर्निर्देशित करने में उत्कृष्ट प्रदर्शन किया।
NIST ने इस परियोजना पर उन्नत माप विधियों को विकसित करने के लिए अपने मिशन के हिस्से के रूप में काम किया जो अमेरिकी उद्योग के लिए उपयोगी हो सकते हैं। शोधकर्ता इस परियोजना के लिए विकसित माप के तरीकों का उपयोग कर सकते हैं ताकि बुलिगैंड संरचनाओं के साथ-साथ विशेष गुणों के साथ अन्य प्रकार की उन्नत सामग्रियों के आधार पर प्रभाव-प्रतिरोधी सामग्रियों को और विकसित किया जा सके।
“इन निष्कर्षों से पता चलता है कि प्रभाव को अवशोषित करने के लिए सामग्री को डिजाइन करने के अलग-अलग तरीके हैं, और हम इस ज्ञान का उपयोग अधिक लचीला और लंबे समय तक चलने वाली सामग्री बनाने के लिए कर सकते हैं,” चान ने कहा। “यदि आप रिंग में एक बॉक्सर हैं, तो आप नौ राउंड से लड़ना चाहते हैं, न कि केवल एक।”
पेपर: सुजिन आर। ली, कैथरीन एम। इवांस, जेरेमिया डब्ल्यू। वुडकॉक, जान ओब्रज़ुत, लिपिंग हुआंग, क्रिस्टोफर एल। सोलेस और एडविन पी। चान। Bouligand नैनोस्ट्रक्चर के माध्यम से प्रभाव शमन को नियंत्रित करना। राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही। ऑनलाइन प्रकाशित 16 मई, 2025। DOI: 10.1073/pnas.2425191122