ಶಬ್ದಕ್ಕಿಂತ 8 ಪಟ್ಟು ಹೆಚ್ಚು ವೇಗ: ಮೈಕ್ರೋಸೆಕೆಂಡ್‌ಗಳಲ್ಲಿ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ಬದಲಾಗುವ ವಜ್ರ!

ಹೊಸ ಸಂಶೋಧನೆಯ ಪ್ರಕಾರ, ಹೈಪರ್‌ಸಾನಿಕ್ ವೇಗದ ತೀವ್ರ ಆಘಾತಕ್ಕೆ ಒಳಗಾದಾಗ ಜಗತ್ತಿನ ಅತ್ಯಂತ ಕಠಿಣ ವಸ್ತುವಾದ ವಜ್ರವು ಕ್ಷಣಾರ್ಧದಲ್ಲಿ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ರೂಪಾಂತರಗೊಳ್ಳುತ್ತದೆ. ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಅಪಾರ ಪ್ರಮಾಣದ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವುದರಿಂದ, ಬಾಹ್ಯಾಕಾಶ ಮತ್ತು ರಕ್ಷಣಾ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳಿಗೆ ಅತ್ಯಂತ ಗಟ್ಟಿಮುಟ್ಟಾದ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲು ಇದು ನೆರವಾಗಲಿದೆ.

ವಜ್ರವು ಜಗತ್ತಿನ ಅತ್ಯಂತ ಕಠಿಣ ವಸ್ತುಗಳಲ್ಲಿ ಒಂದೆಂದು ಪ್ರಸಿದ್ಧವಾಗಿದೆ. ಆದರೆ, ಹೈಪರ್‌ಸಾನಿಕ್ ವೇಗದ ತೀವ್ರ ಘರ್ಷಣೆಗೆ ಒಳಗಾದಾಗ ಅದರ ಗಟ್ಟಿಯಾದ ಆಂತರಿಕ ರಚನೆಯೂ ನಾಟಕೀಯವಾಗಿ ಬದಲಾಗಬಹುದು ಎಂಬುದನ್ನು ಹೊಸ ಸಂಶೋಧನೆಯೊಂದು ತೋರಿಸಿಕೊಟ್ಟಿದೆ. ವಿಶೇಷವಾಗಿ ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲಾದ ಸೆರಾಮಿಕ್ ಮಿಶ್ರಣದಲ್ಲಿ ಹುದುಗಿಸಲಾದ ವಜ್ರದ ಕಣಗಳು, ಮೈಕ್ರೋಸೆಕೆಂಡ್‌ಗಳ ಅತ್ಯಲ್ಪ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ರೂಪಾಂತರಗೊಳ್ಳಬಲ್ಲವು ಎಂಬುದನ್ನು ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಕಂಡುಕೊಂಡಿದ್ದಾರೆ.

ರೈಸ್ ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾಲಯದ ಅಭಿಜಿತ್ ಬಿಸ್ವಾಸ್ ಮತ್ತು ಪುಲಿಕಲ್ ಎಂ. ಅಜಯನ್ ಅವರ ನೇತೃತ್ವದಲ್ಲಿ ನಡೆದ ಈ ಸಂಶೋಧನೆಯಲ್ಲಿ ಟೆಕ್ಸಾಸ್ ಎ & ಎಂ ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾಲಯ, ಟೊರೊಂಟೊ ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾಲಯ ಮತ್ತು ಜರ್ಮನಿಯ ಕಾರ್ಲ್ಸ್‌ರುಹೆ ಇನ್‌ಸ್ಟಿಟ್ಯೂಟ್ ಆಫ್ ಟೆಕ್ನಾಲಜಿಯ ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಭಾಗವಹಿಸಿದ್ದರು. ಮೆಟೀರಿಯಲ್ಸ್ ಟುಡೇ ಪತ್ರಿಕೆಯಲ್ಲಿ 'ಹೈಪರ್‌ಸಾನಿಕ್ ಪ್ರಭಾವದ ಅಡಿಯಲ್ಲಿ ವಜ್ರದಿಂದ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ರೂಪಾಂತರ' ಎಂಬ ಶೀರ್ಷಿಕೆಯಡಿಯಲ್ಲಿ ಈ ಅಧ್ಯಯನ ಪ್ರಕಟವಾಗಿದೆ. ವಜ್ರವು ತೀವ್ರ ಯಾಂತ್ರಿಕ ಆಘಾತಕ್ಕೆ ಹೇಗೆ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯಿಸುತ್ತದೆ ಎಂಬುದನ್ನು ಪರೀಕ್ಷಿಸಲು ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಮ್ಯಾಕ್ 8.45 ರಷ್ಟು (ಶಬ್ದಕ್ಕಿಂತ 8 ಪಟ್ಟು ಹೆಚ್ಚು) ವೇಗದಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುವ ಸ್ಪೋಟಕಗಳನ್ನು (Projectiles) ಬಳಸಿದ್ದಾರೆ. ಈ ಸಂಶೋಧನೆಯು ಅನಿರೀಕ್ಷಿತ ಶಕ್ತಿ-ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವ ಕಾರ್ಯವಿಧಾನವನ್ನು ಬಹಿರಂಗಪಡಿಸಿದ್ದು, ಅತ್ಯಂತ ತೀವ್ರ ವಾತಾವರಣದಲ್ಲಿ ಬಳಸಲಾಗುವ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳಿಗೆ ಮತ್ತಷ್ಟು ಗಟ್ಟಿಮುಟ್ಟಾದ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲು ನೆರವಾಗಲಿದೆ.

ಪ್ರಯೋಗಕ್ಕಾಗಿ ವಜ್ರಗಳನ್ನು ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಹೇಗೆ ಸಿದ್ಧಪಡಿಸಿದರು?

ಹೈಪರ್‌ಸಾನಿಕ್ ಪ್ರಭಾವವನ್ನು ಪರೀಕ್ಷಿಸುವ ಮೊದಲು, ಸಂಶೋಧಕರು ಒಂದು ಪ್ರಮುಖ ಸವಾಲನ್ನು ಎದುರಿಸಬೇಕಾಯಿತು: ತಯಾರಿಕೆಯ ಹಂತದಲ್ಲೇ ವಜ್ರದ ರಚನೆ ಹಾಳಾಗದಂತೆ, ಅದನ್ನು ಬಲವಾದ ವಸ್ತುವಿನೊಳಗೆ ಹೇಗೆ ಸೇರಿಸುವುದು? ಏಕೆಂದರೆ, ಹೆಚ್ಚಿನ ತಾಪಮಾನಕ್ಕೆ ಒಡ್ಡಿಕೊಂಡಾಗ ವಜ್ರವು ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ಬದಲಾಗುತ್ತದೆ. ಹೀಗಾಗಿ ಸಾಂಪ್ರದಾಯಿಕವಾಗಿ ಘನಗೊಳಿಸಿಸುವ ವಿಧಾನಗಳು ಇಲ್ಲಿ ಸವಾಲಾಗಿದ್ದವು.

ಇದಕ್ಕೆ ಪರಿಹಾರವಾಗಿ ತಂಡವು ಮೈಕ್ರೋಮೀಟರ್ ಗಾತ್ರದ ವಜ್ರದ ಕಣಗಳು, ಕ್ಯೂಬಿಕ್ ಬೋರಾನ್ ನೈಟ್ರೈಡ್ (cBN) ಮತ್ತು ಕೋಬಾಲ್ಟ್ ಒಳಗೊಂಡ ಹೊಸ ಸಂಯೋಜನೆಯನ್ನು ಅಭಿವೃದ್ಧಿಪಡಿಸಿತು. 1,400°C ತಾಪಮಾನ ಮತ್ತು 90 MPa ಒತ್ತಡದಲ್ಲಿ 'ಸ್ಪಾರ್ಕ್-ಪ್ಲಾಸ್ಮಾ ಸಿಂಟರಿಂಗ್' ತಂತ್ರಜ್ಞಾನವನ್ನು ಬಳಸಿ ಈ ಘಟಕಗಳನ್ನು ಜೋಡಿಸಲಾಯಿತು. cBN ಮ್ಯಾಟ್ರಿಕ್ಸ್ ಮತ್ತು ಕೋಬಾಲ್ಟ್, ಸಂಸ್ಕರಣೆಯ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ವಜ್ರದ ಸ್ಥಿರತೆಯನ್ನು ಕಾಯ್ದುಕೊಳ್ಳಲು ನೆರವಾದವು. ಪರಿಣಾಮವಾಗಿ, ವಜ್ರವು ಕೇವಲ ಬಿಸಿಯಾಗುವ ಬದಲು ತೀವ್ರ ಯಾಂತ್ರಿಕ ಆಘಾತವನ್ನು ಅನುಭವಿಸಿದಾಗ ಏನಾಗುತ್ತದೆ ಎಂಬುದನ್ನು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡಲು ಒಂದು ಸೂಕ್ತ ಪ್ರಾಯೋಗಿಕ ವೇದಿಕೆ ಸಿದ್ಧವಾಯಿತು.ಮ್ಯಾಕ್ 8.45 ವೇಗದಲ್ಲಿ ವಜ್ರಕ್ಕೆ ಹೊಡೆತ ಬಿದ್ದಾಗ ಏನಾಯಿತು?

ನಂತರ ಸಂಶೋಧಕರು ಹೈಪರ್‌ಸಾನಿಕ್ ವೇಗದಲ್ಲಿ ಚಲಿಸುವ ಸಣ್ಣ ಲೋಹದ ಸ್ಪೋಟಕಗಳನ್ನು ಬಳಸಿ ಈ ಸಂಯುಕ್ತ ವಸ್ತುವಿನ ಮೇಲೆ ಪ್ರಹಾರ ಮಾಡಿದರು:

ಮ್ಯಾಕ್ 7.5 ವೇಗ: 1-ಮಿಲಿಮೀಟರ್ ಗಾತ್ರದ ಲೋಹದ ಕಣವು ವಸ್ತುವಿಗೆ ಹೊಡೆದಾಗ, ವಸ್ತು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಹಾಳಾಗದೇ ಆಘಾತವನ್ನು ತಡೆಯಿತು.

ಮ್ಯಾಕ್ 8.45 ವೇಗ: 4-ಮಿಲಿಮೀಟರ್ ಗಾತ್ರದ ದೊಡ್ಡ ಕಣವು ಹೊಡೆದಾಗ ವಸ್ತುವು ಬಿರುಕು ಬಿಟ್ಟಿತು.

ಅತ್ಯಂತ ಆಶ್ಚರ್ಯಕರ ವಿಷಯವೆಂದರೆ, ಬಿರುಕು ಬಿಟ್ಟ ವಸ್ತುವಿನ ಒಳಗಿದ್ದ ವಜ್ರದ ಕಣಗಳು ಬಹುತೇಕ ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ಬದಲಾಗಿದ್ದವು! ಈ ರೂಪಾಂತರವು ಕೇವಲ ಮೈಕ್ರೋಸೆಕೆಂಡ್‌ಗಳಲ್ಲಿ ಸಂಭವಿಸಿತು. ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ತಾಪಮಾನದಿಂದ ನಡೆಯುವ ನಿಧಾನಗತಿಯ ರೂಪಾಂತರಕ್ಕಿಂತ ಇದು ಅತ್ಯಂತ ವೇಗವಾಗಿತ್ತು. ಸಂಶೋಧಕರು ಆಣ್ವಿಕ-ಡೈನಾಮಿಕ್ಸ್ ಸಿಮ್ಯುಲೇಶನ್‌ಗಳನ್ನು (Molecular Dynamics Simulations) ಬಳಸಿ, ಈ ಘರ್ಷಣೆಯ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಇಂಗಾಲದ ಪರಮಾಣುಗಳು ಹೇಗೆ ಮರುಜೋಡಣೆಯಾದವು ಎಂಬುದನ್ನು ಮಾದರಿಗೊಳಿಸಿ ದೃಢಪಡಿಸಿಕೊಂಡರು.

ತೀವ್ರ ಆಘಾತಕ್ಕೆ ವಜ್ರವು ತಕ್ಷಣವೇ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ಬದಲಾಗುವುದೇಕೆ?ವಜ್ರ ಮತ್ತು ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಎರಡೂ ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಇಂಗಾಲದಿಂದಲೇ ಮಾಡಲ್ಪಟ್ಟಿದ್ದರೂ, ಅವುಗಳ ಪರಮಾಣು ಬಂಧ ವಿಭಿನ್ನವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ವಜ್ರವು ಮೂರು ಆಯಾಮದ $sp^3$ ಬಂಧವನ್ನು ಹೊಂದಿದ್ದು, ಅಸಾಧಾರಣ ಗಡಸುತನವನ್ನು ನೀಡುತ್ತದೆ. ಆದರೆ ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ $sp^2$ ಪದರಗಳ ಬಂಧವನ್ನು ಹೊಂದಿದ್ದು, ಮೃದುವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಒಂದರಿಂದ ಇನ್ನೊಂದಕ್ಕೆ ಬದಲಾಗಲು ಇಂಗಾಲದ ಬಂಧಗಳು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಮರುಜೋಡಣೆಯಾಗಬೇಕು.ಹೈಪರ್‌ಸಾನಿಕ್ ಸ್ಪೋಟಕದಿಂದ ಉಂಟಾಗುವ ತೀವ್ರ ಆಘಾತದ ಶಕ್ತಿಯೇ ಈ ಬಂಧಗಳ ಮರುಜೋಡಣೆಗೆ ಬೇಕಾದ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಒದಗಿಸುತ್ತದೆ. ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯಲ್ಲಿ ಹೊಸದಾಗಿ ರೂಪುಗೊಳ್ಳುವ ವಜ್ರ-ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಇಂಟರ್‌ಫೇಸ್‌ಗಳು ಪ್ರಮುಖ ಪಾತ್ರ ವಹಿಸುತ್ತವೆ. ಪ್ರಮುಖವಾಗಿ, ಈ ರೂಪಾಂತರ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಘರ್ಷಣೆಯಿಂದ ಉಂಟಾಗುವ ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರಮಾಣದ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ತಾನೇ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ.

ಈ ರೂಪಾಂತರವು ಗಟ್ಟಿಮುಟ್ಟಾದ ವಸ್ತುಗಳ ತಯಾರಿಕೆಗೆ ಹೇಗೆ ನೆರವಾಗುತ್ತದೆ?

ಈ ಆವಿಷ್ಕಾರವು ಅತ್ಯಂತ ತೀವ್ರ ಪರಿಸರಕ್ಕಾಗಿ ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಲಾಗುವ ವಜ್ರ ಆಧಾರಿತ ವಸ್ತುಗಳ ಸಂಶೋಧನೆಯ ದಿಕ್ಕನ್ನೇ ಬದಲಾಯಿಸಬಹುದು. ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ಬದಲಾಗುವುದನ್ನು ಕೇವಲ ವಸ್ತುವಿನ "ವಿಫಲತೆ" ಎಂದು ನೋಡುವ ಬದಲು, ಈ ಹಂತದ ಬದಲಾವಣೆಯು ಆಘಾತದ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಹೀರಿಕೊಳ್ಳಲು ಸಹಾಯ ಮಾಡುತ್ತದೆ ಎಂಬುದನ್ನು ರೈಸ್ ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾಲಯದ ತಂಡ ನಿರೂಪಿಸಿದೆ.

ವಜ್ರದ ರಚನೆಯು ಒಡೆದು ಇಂಗಾಲದ ಪರಮಾಣುಗಳು ಗ್ರ್ಯಾಫೈಟ್ ಆಗಿ ಬದಲಾಗುವಾಗ, ಘರ್ಷಣೆಯ ಶಕ್ತಿಯ ದೊಡ್ಡ ಭಾಗವು ಈ ರೂಪಾಂತರಕ್ಕಾಗಿಯೇ ವೆಚ್ಚವಾಗುತ್ತದೆ. ಈ ತತ್ವವನ್ನು ಬಳಸಿಕೊಂಡು ಬಾಹ್ಯಾಕಾಶ ಮತ್ತು ರಕ್ಷಣಾ ಕ್ಷೇತ್ರದಲ್ಲಿ ತೀವ್ರ ಯಾಂತ್ರಿಕ ಆಘಾತಗಳನ್ನು ತಡೆಯಬಲ್ಲ ರಕ್ಷಣಾತ್ಮಕ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಬಹುದು. ಭೌತಿಕ ಪ್ರಯೋಗಗಳು ಮತ್ತು ಆಣ್ವಿಕ ಮಟ್ಟದ ಸಿಮ್ಯುಲೇಶನ್‌ಗಳನ್ನು ಒಟ್ಟಿಗೆ ಬಳಸಿ ನಡೆಸಿರುವ ಈ ಅಧ್ಯಯನವು, ಭವಿಷ್ಯದ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳಿಗೆ ಹೊಸ ಹಾದಿ ದೀಪವಾಗಿದೆ.