टाइटेनियम के लिए एक नया समय (1)

धातुओं में, टाइटेनियम की ताकत और हल्कापन, संक्षारण प्रतिरोध और अत्यधिक तापमान का सामना करने की क्षमता ने लंबे समय से इसके मूल्य को अलग कर दिया है, खासकर वजन और पर्यावरण-संवेदनशील अनुप्रयोगों के लिए। जब पहली बार 18वीं शताब्दी के अंत में इसका वर्णन किया गया था, तो एक सह-खोजकर्ता ने धातु का नाम टाइटन्स रखा था - प्राचीन ग्रीक पौराणिक कथाओं में पृथ्वी और आकाश से पैदा हुए देवता।

समय ने केवल टाइटेनियम की चमक को धूमिल कर दिया है। "मैं एक सामग्री वैज्ञानिक हूं, और इसलिए लोग कभी-कभी मुझसे पूछते हैं, 'आपका पसंदीदा तत्व क्या है?'" सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर एंड्रयू माइनर कहते हैं। इमारतों, हवाई जहाजों, मिसाइलों, अंतरिक्ष यान और बहुत कुछ के लिए, वह कहते हैं, "यदि आप कम से कम वजन के लिए सबसे मजबूत सामग्री चाहते हैं, तो यह टाइटेनियम है। अगर हम कर सकते, तो हम सब कुछ टाइटेनियम से बना देंगे।"

वास्तव में, औद्योगिक डिजाइनरों के लिए, मजबूत, हल्के, अत्यधिक ईंधन-कुशल कारों, ट्रकों और हवाई जहाज, उदाहरण के लिए, या सुपर संक्षारण प्रतिरोधी मालवाहक जहाजों, टाइटेनियम की संभावना सपनों की चीज होनी चाहिए।

समस्या? "यह बहुत महंगा है," माइनर औद्योगिक-ग्रेड टाइटेनियम या टाइटेनियम मिश्र धातुओं के बारे में कहते हैं जो अन्यथा स्टील की जगह ले सकते हैं जब केवल सबसे मजबूत, सबसे टिकाऊ सामग्री ही पर्याप्त होगी। टाइटेनियम बनाने की लागत स्टेनलेस स्टील की तुलना में लगभग छह गुना अधिक है। परिणामस्वरूप, इसका उपयोग एयरोस्पेस के लिए विशेष भागों, आभूषण जैसी उच्च-स्तरीय वस्तुओं या अन्य विशिष्ट अनुप्रयोगों तक सीमित रह गया है।

इसके अलावा, शुद्ध टाइटेनियम में केवल मध्यम ताकत होती है, माइनर बताते हैं। इसे ऑक्सीजन, एल्यूमीनियम, मोलिब्डेनम, वैनेडियम और ज़िरकोनियम जैसे तत्वों से मजबूत किया जा सकता है; हालाँकि, यह अक्सर लचीलेपन की कीमत पर होता है - धातु की बिना फ्रैक्चर के खींचने या विकृत होने की क्षमता।

अब, एक दशक के शोध के बाद, टाइटेनियम के लिए एक नया युग आ रहा है, जिसमें अत्यधिक विस्तारित इंजीनियरिंग अनुप्रयोग भी शामिल हैं, इसके लिए माइनर और उनके बर्कले सहयोगियों को धन्यवाद, जिनमें मार्क एस्टा, डेरिल क्रज़ान और जेडब्ल्यू मॉरिस जूनियर भी शामिल हैं, जो विभाग में प्रोफेसर भी हैं। सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के. वे विभिन्न संरचनात्मक या इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए इसके व्यावहारिक उपयोग का विस्तार करने की उम्मीद में कई तरीकों से टाइटेनियम की जांच और उत्पादन कर रहे हैं।

इसके बजाय, वाणिज्यिक-ग्रेड टाइटेनियम की अत्यधिक लागत का कारण, माइनर बताते हैं, जटिल क्रोल प्रक्रिया है जिसका उपयोग अक्सर टाइटेनियम बार, सिल्लियां और धातु के अन्य रूपों को बनाने के लिए किया जाता है जिन्हें उपयोग करने योग्य भागों और अन्य उत्पादों में बनाया जा सकता है। इस प्रक्रिया में आर्गन गैस जैसी महंगी सामग्री का उपयोग शामिल है, और यह ऊर्जा-गहन है, विशेष रूप से ऑक्सीजन अशुद्धियों को नियंत्रित करने के लिए, अत्यधिक उच्च तापमान पर कई बार पिघलने की आवश्यकता होती है।

दरअसल, टाइटेनियम और ऑक्सीजन का एक पेचीदा रिश्ता है, जिसे माइनर, एस्टा, क्रज़न, मॉरिस और सहकर्मी बेहतर ढंग से समझना चाहते हैं। टीम को पता था कि ऑक्सीजन की अशुद्धता का उपयोग अक्सर टाइटेनियम मिश्र धातुओं के लिए एक शक्तिशाली मजबूत प्रभाव का उपयोग करने के लिए किया जाता है। परमाणु ऑक्सीजन की मात्रा में थोड़ी सी वृद्धि से बने टाइटेनियम से धातु की ताकत कई गुना बढ़ सकती है।

दुर्भाग्य से, ऑक्सीजन धातु की लचीलापन में और भी बड़ी कमी ला सकती है। यह भंगुर हो जाएगा और टूटकर टूट जाएगा।

लेकिन "ऑक्सीजन हर जगह है," ऑक्सीजन के प्रति टाइटेनियम की उच्च प्रतिक्रिया के आसपास पैंतरेबाजी में कठिनाई के बारे में माइनर कहते हैं। "यह स्रोत सामग्री से आने वाली कोई अशुद्धता नहीं है जिससे आप बच सकते हैं।"

वह ऑक्सीजन के प्रति टाइटेनियम की संवेदनशीलता को अत्यधिक बताते हैं। माइनर कहते हैं, "यह सचमुच अजीब है कि यह कितना शक्तिशाली है।" यह धातु पर अच्छे और बुरे दोनों तरह के प्रभाव डालता है, जबकि एल्यूमीनियम और स्टील जैसी धातुओं के लिए समान मात्रा में ऑक्सीजन की उपस्थिति नगण्य है क्योंकि इसे प्रसंस्करण में अधिक आसानी से निपटाया जा सकता है।

अधिक जानने के लिए, टीम ने तनाव के तहत और ऑक्सीजन की अलग-अलग मात्रा के साथ टाइटेनियम में विरूपण प्रक्रिया को मॉडल करने के लिए उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग की ओर रुख किया। एस्टा का कहना है कि कंप्यूटर मॉडल, "उपकरणों का एक शक्तिशाली सेट है जो हमें टाइटेनियम धातु विज्ञान में इस उत्कृष्ट चुनौती की जांच करने देता है।"

टीम की प्रमुख खोजों में से, जब धातु तनाव में होती है तो टाइटेनियम की क्रिस्टल संरचना में ऑक्सीजन परमाणुओं का फेरबदल लचीलापन के नुकसान को समझने की कुंजी बन गया। गैर-तनावग्रस्त अवस्था में, ऑक्सीजन के अणु टाइटेनियम के परमाणुओं के बीच प्राकृतिक अंतराल में बिना किसी घटना के रहते हैं। लेकिन यांत्रिक बलों के तहत, ऑक्सीजन परमाणु निकटवर्ती स्थानों में स्थानांतरित हो सकते हैं, जहां वे अव्यवस्थाओं के प्रति कम प्रतिरोध प्रदान करते हैं, जिससे यदि वे फैलते हैं, तो धातु कमजोर हो जाती है।

माइनर कहते हैं, "ऑक्सीजन संरचनात्मक कमजोरी को बढ़ावा देता है।" जैसे ही यांत्रिक बल धातु को विकृत करते हैं, विस्थापित ऑक्सीजन परमाणु, संरचनात्मक दोषों के प्रसार को रोकने के बजाय, एक तथाकथित प्लेनर स्लिप की सुविधा प्रदान कर सकते हैं।

एस्टा का कहना है कि एक प्लेनर स्लिप, धातु की क्रिस्टल संरचना में दोषों की एक लहर की तरह है जो एक के ऊपर एक बनती है, जिससे अंततः फ्रैक्चर, दरारें और धातु का टुकड़ा भंगुर हो जाता है।

यह समझने के लिए कि टाइटेनियम में अव्यवस्था कैसे बन सकती है और फैल सकती है, क्रज़ान एक बड़े, भारी गलीचे को हिलाने की कोशिश करने की कल्पना करने का सुझाव देते हैं।

वह कहते हैं, "एक बहुत बड़े गलीचे को एक छोर से उठाया जा सकता है और फर्श पर खींचकर एक नई स्थिति में लाया जा सकता है।" लेकिन गलीचे को हिलाने का दूसरा तरीका यह है कि एक छोर पर लहर पैदा करें और फिर, अपने पैरों को कालीन के शीर्ष पर घुमाकर, आप लहर को दूसरे छोर तक "चल" सकते हैं। बशर्ते कि कोई भी चीज इसकी गति को अवरुद्ध न करे, पूरा गलीचा लहर की चौड़ाई के बराबर दूरी से विस्थापित हो जाएगा।

टाइटेनियम में ऐसी "लहरें" इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से देखी जा सकती हैं। माइनर कहते हैं, "आप देख सकते हैं कि सभी अव्यवस्थाएँ पंक्तियों में पंक्तिबद्ध हैं।" "और यह लचीलेपन के लिए बुरा है क्योंकि यदि वे पंक्तिबद्ध होते हैं और केवल एक-दूसरे का अनुसरण करते हैं, तो वे उलझते नहीं हैं [और इस तरह रुक जाते हैं] जैसे कि धातु कठोर नहीं होती है। आपको एक तनाव एकाग्रता मिलती है, और यहीं आपको मिलती है एक दरार।"

(करने के लिए जारी)