ड्यूल डीप्रोटोनेशन-सक्षम 3डी हाइड्रोजन-बंधन नेटवर्क अरामिड नैनोफाइबर फिल्मों में असाधारण यांत्रिक शक्ति और अत्यंत कम ऊष्मा चालकता की ओर

1/ अनुसंधान पृष्ठभूमि

एरामाइड नैनोफाइबर (एएनएफ) झिल्लियों में उनकी विशिष्ट विशेषताओं के कारण कई क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग की संभावनाएं हैं। हालांकि, इस क्षेत्र में वर्तमान अनुसंधान का एक केंद्र और प्रमुख चुनौती यह है कि कैसे उनकी यांत्रिक शक्ति को और बढ़ाया जाए जबकि थर्मल चालकता को कम किया जाए। पारंपरिक तरीकों में एएनएफ झिल्लियों के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए मजबूत हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क बनाने में स्पष्ट सीमाएं हैं; इसलिए, एएनएफ झिल्लियों की संरचना और प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए नई रणनीतियों की तत्काल आवश्यकता है।

छवि कैप्शन: पीएएमएनएफ की तैयारी और आकृति विज्ञान

इसमें पीएएमएनएफ (पीएएनएफ की डीप्रोटॉनेशन प्रक्रिया → पीएएनएफ/पीएमआईए → पीएएमएनएफ) की तैयारी प्रक्रिया का प्रदर्शन किया गया है, पीएएमएनएफ की द्वि-आयामी समतल हाइड्रोजन बॉन्ड संरचना और त्रि-आयामी हाइड्रोजन बॉन्ड संरचना के बीच तुलना प्रस्तुत की गई है, "नैनोफाइबर 'जंगली ढांचा'" को लेबल किया गया है, और इसे यांत्रिक शक्ति के संबंधित आरेख से जोड़ा गया है।

2/ अनुसंधान पद्धतियाँ

l मुख्य रणनीति: अरैमिड नैनोफाइबर (एएनएफ) के लिए एक तीन-आयामी हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क के निर्माण के लिए "डबल डीप्रोटॉनेशन" रणनीति का परिचय दिया गया है।

विशेषता विधियाँ:

फोरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटी-आईआर) और एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एक्सपीएस) का उपयोग फाइबर की सतह रासायनिक संरचना के विश्लेषण और ध्रुवीय कार्यात्मक समूहों में परिवर्तन के सत्यापन के लिए किया जाता है।

एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (एएफएम) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग फाइबर और मेम्ब्रेन के सूक्ष्म भूगोल के अवलोकन के लिए किया जाता है, ताकि संरचनात्मक अनुकूलन को समझा जा सके।

l प्रदर्शन परीक्षण:

सार्वभौमिक परीक्षण मशीन का उपयोग झिल्ली के यांत्रिक प्रदर्शन संकेतकों, जैसे तन्यता और प्रत्यास्थता मापांक के परीक्षण के लिए किया जाता है। लेजर ऊष्मा चालकता मीटर का उपयोग झिल्ली की ऊष्मा चालकता को मापने और उनके ऊष्मीय इन्सुलेशन प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए किया जाता है।

छवि कैप्शन: सूक्ष्म संरचना विश्लेषण

इसमें परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM) ऊंचाई सेंसर छवियां (विभिन्न स्थितियों पर ऊंचाई के आंकड़े लेबल के साथ: 6.2 nm, 14.8 nm, 47.9 nm, आदि), स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (SEM) छवियां (500 nm पैमाने पर pANFs और pAMNFs-30 के बीच सूक्ष्म आकृति की तुलना), सापेक्षिक दबाव-छिद्र आकार वितरण वक्र, और बैरेट-जॉयनर-हैलेंडा (BJH) विधि आधारित छिद्र आयतन-छिद्र आकार वितरण वक्र शामिल हैं, जो उपचार से पहले और बाद में पतली फिल्मों की सूक्ष्म संरचना में अंतर को दर्शाते हैं।

3/ शोध परिणाम

एक त्रि-आयामी हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क सफलतापूर्वक विकसित किया गया था। डबल डी-प्रोटॉनेशन प्रभाव के कारण अरैमाइड नैनो फाइबर्स (ANFs) की सतह पर अधिक ध्रुवीय समूह उत्पन्न हुए, जिससे फाइबर्स के मध्य एक त्रि-आयामी हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क बनने की अनुकूल परिस्थितियां उत्पन्न हुईं। फोरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FT-IR) और एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) के परीक्षण परिणामों से पता चला कि उपचार के बाद फाइबर सतह पर ध्रुवीय क्रियात्मक समूहों की संख्या में काफी वृद्धि हुई, जिसने हाइड्रोजन बंधन निर्माण के लिए अधिक सक्रिय स्थल प्रदान किए और अंततः एक स्थिर त्रि-आयामी हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क के सफलतापूर्वक निर्माण का मार्ग प्रशस्त किया।

छवि कैप्शन: pAMNFs फिल्मों के यांत्रिक गुण

यह यांत्रिक गुण डेटा चार्ट के कई सेट प्रस्तुत करता है: तन्य तान-तनाव वक्र (pANFs की तुलना pAMNFs के विभिन्न PMIA सामग्री के साथ करता है), pAMNFs में PMIA सामग्री और गुणों के बीच संबंध का एक ग्राफ, तापमान के प्रभाव के खासियत ताकत/कठोरता पर, और pANFs और pAMNFs-30 के बीच अंतरापृष्ठ भार स्थानांतरण का एक रेखाचित्र, स्पष्ट रूप से यांत्रिक गुणों में सुदृढीकरण प्रभाव का प्रदर्शन करता है।

यांत्रिक गुणों में काफी सुधार हुआ है।

तीन-आयामी हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क के समर्थन प्रभाव से लाभान्वित होते हुए, एरामाइड नैनोफाइबर (ANF) मेम्ब्रेन के यांत्रिक गुणों में काफी सुधार हुआ है। प्रायोगिक डेटा दर्शाता है कि अनुपचारित एरामाइड नैनोफाइबर मेम्ब्रेन की तुलना में, डबल डीप्रोटॉनेशन उपचार के बाद कॉम्पोजिट मेम्ब्रेन (pAMNFs) की तन्यता शक्ति में कई गुना वृद्धि हो सकती है, और लोच का मापांक भी काफी बढ़ जाता है, जो उच्च-शक्ति वाले सामग्री अनुप्रयोग स्थितियों में इसे एक मजबूत प्रतिस्पर्धी क्षमता प्रदान करता है।

छाया छवि शीर्षक: रासायनिक संरचना विश्लेषण

इसमें फोरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (FT-IR) स्पेक्ट्रा (विशिष्ट शिखरों जैसे N-H मुड़ना, C=O⋅⋅⋅H खींचना, और N-H खींचना के स्थानों के साथ लेबल किए गए), एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) C 1s कक्षीय बंधन ऊर्जा स्पेक्ट्रा, हाइड्रोजन बॉन्ड दूरी-वितरण फलन वक्र, और हाइड्रोजन बॉन्ड आयुष्य बनाम समय वक्र शामिल हैं, जो दोहरी डीप्रोटॉनेशन के बाद रासायनिक संरचना में परिवर्तन और हाइड्रोजन बॉन्ड इंटरैक्शन में वृद्धि की पुष्टि करते हैं।

तापीय चालकता में काफी कमी आई है।

त्रि-आयामी हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क की उपस्थिति ऊष्मा स्थानांतरण पर स्पष्ट रूप से रोक लगाती है, जिससे कॉम्पोजिट झिल्ली (pAMNFs) की तापीय चालकता में काफी कमी आती है। परीक्षण परिणामों से पता चलता है कि इस झिल्ली की तापीय चालकता को अत्यंत निम्न स्तर तक कम किया जा सकता है, जो उत्कृष्ट तापीय इन्सुलेशन प्रदर्शन का प्रदर्शन करता है और थर्मल इन्सुलेशन सामग्री के क्षेत्र में अच्छी अनुप्रयोग क्षमता प्रदर्शित करता है।

सूक्ष्म संरचना अनुकूलन

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) द्वारा कैप्चर की गई छवियों से पता चलता है कि डबल डीप्रोटॉनेशन उपचार के बाद, झिल्ली में एरामाइड नैनोफाइबर्स (ANF) अधिक नियमित रूप से व्यवस्थित होते हैं, और तंतुओं के बीच बंधन अधिक मजबूत होता है, एक समान और सघन सूक्ष्म संरचना का निर्माण करते हुए। यह संरचनात्मक अनुकूलन फिल्म की यांत्रिक शक्ति में सुधार और इसकी ऊष्मा चालकता में कमी के लिए एक महत्वपूर्ण कारणों में से एक है।

मैं छवि कैप्शन: यांत्रिक और तापीय गुणों का व्यापक विश्लेषण

इसमें भंडारण प्रत्यास्थता मापांक/हानि प्रत्यास्थता मापांक-तापमान वक्र, ऊष्मा चालकता तुलना चार्ट (pAMNFs-30 की ऊष्मा चालकता केवल 0.0626 W·m⁻¹·K⁻¹ तक है), तापीय गुरुत्वाकर्षण विश्लेषण (TG) वक्र, विभिन्न पदार्थों की विशिष्ट शक्ति बनाम टिकाऊपन तुलना चार्ट, तथा pAMNFs-30 और pANFs के विभिन्न समय अवधि में प्रदर्शन परिवर्तन तुलना शामिल है, जो पतली फिल्म के यांत्रिक और ऊष्मीय लाभों को व्यापक रूप से प्रदर्शित करता है।

4/ शोध निष्कर्ष

इस अध्ययन में प्रस्तावित "डबल डीप्रोटोनेशन" रणनीति एरामाइड नैनोफाइबर (ANF) मेम्ब्रेन में एक त्रि-आयामी हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क का निर्माण सफलतापूर्वक करती है। यह न केवल मेम्ब्रेन की यांत्रिक शक्ति में प्रभावी सुधार करता है, बल्कि उनकी ऊष्मा चालकता को भी काफी हद तक कम कर देता है। इस विधि में सरल संचालन और उल्लेखनीय प्रभाव है, जो एरामाइड नैनोफाइबर सामग्री के प्रदर्शन अनुकूलन के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। भविष्य में, इस उच्च प्रदर्शन वाली संयोजित मेम्ब्रेन (pAMNFs) की अपेक्षा एयरोस्पेस, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के ताप निष्कासन और उच्च प्रदर्शन वाली संयोजित सामग्री जैसे कई क्षेत्रों में व्यापक रूप से आवेदन की उम्मीद है, जिससे संबंधित उद्योगों के तकनीकी विकास को बढ़ावा मिलेगा।