माइक्रो/नैनो स्केल विनिर्माण प्रणाली:

सूक्ष्म/नैनो स्तर पर पैटर्न अथवा संरचनाओं का निर्माण करने की क्षमता नई श्रेणी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, नैदानिक (डायग्नोस्टिक) उपकरणों तथा जैव-संवेदी (बायो-सेंसर) प्रणालियों के विकास की अपार संभावनाएँ प्रदान करती है। यदि कोई प्रणाली पॉलिमर, गैर-पॉलिमर, डीएनए, प्रोटीन तथा अन्य क्रियाशील पदार्थों का उपयोग करते हुए सूक्ष्म स्तर पर संरचनाओं का निर्माण करने में सक्षम हो, तो उसके माध्यम से विभिन्न प्रकार के उपकरण निर्मित किए जा सकते हैं। इसी प्रकार की क्षमता से युक्त इलेक्ट्रोहाइड्रोडायनेमिक (EHD) इंकजेट प्रिंटिंग प्रणाली का विकास एसई एंड टी (SE&T) प्रयोगशाला में किया गया है, जिसे चित्र–1 में प्रदर्शित किया गया है।

ईएचडी इंकजेट प्रिंटिंग प्रणाली के प्रमुख घटकों में एक द्रव आपूर्ति प्रणाली सम्मिलित है, जो चालक नोज़ल के अग्रभाग तक इच्छित प्रवाह दर पर स्याही (Ink) की आपूर्ति करने में सक्षम है। इसके अतिरिक्त, चालक नोज़ल एवं सब्सट्रेट के मध्य आवश्यक वोल्टेज लागू करने हेतु एक उच्च-वोल्टता प्रवर्धक (High Voltage Amplifier) तथा नियंत्रित बूंद निक्षेपण (Controlled Droplet Deposition) के लिए सुई के सापेक्ष सब्सट्रेट को अत्यधिक सटीकता से स्थापित करने वाली एक पोज़िशनिंग प्रणाली भी इसमें सम्मिलित है।

नोज़ल एवं सब्सट्रेट के मध्य लगाए गए बाह्य विद्युत क्षेत्र के प्रभाव से द्रव जेट का निर्माण होता है तथा बूंदों का निर्माण होता है। इस प्रणाली का एक अन्य महत्त्वपूर्ण लाभ यह है कि अपेक्षाकृत बड़े व्यास वाली सुई का उपयोग करते हुए भी नैनोमीटर स्तर की संरचनाओं का निर्माण किया जा सकता है।

नैनोमीटर स्तर की बूंदों के निर्माण हेतु विभिन्न परिचालन परिस्थितियों में व्यापक प्रयोग किए गए। यह पाया गया कि 0.8 मिमी व्यास वाली सुई का उपयोग करके 100 माइक्रोमीटर से कम औसत व्यास वाली संरचनाएँ (बूंदें) निर्मित की जा सकती हैं। पॉलीएथिलीन टेरेफ्थेलेट (PET) सब्सट्रेट पर PDOTSS स्याही से मुद्रित ऐसे ही एक पैटर्न का उदाहरण चित्र–2 में प्रदर्शित किया गया है।

बहु-पदार्थ निक्षेपण (Multi-Material Deposition - MMD) प्रणाली

बहु-पदार्थ निक्षेपण (MMD) प्रणाली एक नवीन विनिर्माण प्रौद्योगिकी है, जिसका उद्देश्य CAD मॉडल से सीधे लेज़र क्लैडिंग की परत-दर-परत प्रक्रिया द्वारा लगभग अंतिम आकार (Near-Net-Shape) वाले कार्यात्मक धातु अवयवों का निर्माण करना तथा क्षतिग्रस्त अवयवों की मरम्मत करना है। इस परियोजना का महत्व रैपिड प्रोटोटाइपिंग (Rapid Prototyping) तथा धातु योगात्मक विनिर्माण (Metal Additive Manufacturing - AM) उद्योग के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। विकसित प्रणाली को चित्र–3 में प्रदर्शित किया गया है।

इस परियोजना में अनेक चुनौतीपूर्ण क्षेत्र हैं। MMD प्रणाली के संतोषजनक संचालन हेतु पाँच प्रमुख उप-प्रणालियों, अर्थात् पाँच-अक्षीय गति प्रणाली, पाउडर फीडर प्रणाली, लेज़र प्रणाली, फीडबैक सेंसर तथा मास्टर नियंत्रण का एकीकरण आवश्यक है। MMD प्रणाली के नियंत्रण का चुनौतीपूर्ण क्षेत्र मेलन पूल तापमान, पाउडर प्रवाह दर तथा परत निक्षेपण ऊँचाई का बंद-लूप नियंत्रण है। निक्षेपित कंटूर की सतह परिष्करण, उत्पाद गुणवत्ता आदि बनाए रखने के लिए अनुकूली प्रक्रिया नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है। परियोजना में अनेक स्तरों पर योगदान दिया गया। निक्षेपित की जाने वाली CAD प्रोफ़ाइल की प्रत्यक्ष गति योजना के लिए CAD स्लाइस्ड CNC प्रोग्राम को PLC के मैक्रो प्रोग्राम में परिवर्तित करने का कार्य पूर्ण किया गया। भाग के निक्षेपण हेतु ऑफ़लाइन तथा ऑनलाइन दोनों प्रकार की गति-पथ (Motion Trajectory) को LABVIEW में त्रि-आयामी ग्राफ़ के रूप में प्रदर्शित किया गया। एकल संयंत्र (या समेकित प्रक्रिया) के रूप में संपूर्ण MMD प्रणाली का गतिशील मॉडलन तथा अध्ययन किया गया। निक्षेपित क्लैड की ऊँचाई मापने के लिए लेज़र आधारित ऊँचाई सेंसर का स्वतंत्र रूप से उपयोग किया गया। कुछ मानक प्राचलों के चयन के आधार पर कुछ भागों का निर्माण पूर्णतः किया गया।

नैनो-स्नेहक:

पिछले वर्ष के दौरान मुख्य अनुसंधान का केंद्र शुष्क तथा स्नेहित संपर्कों के लिए क्रियाशीलीकृत कण स्नेहकों तथा घर्षण एवं घिसाव-प्रतिरोधी Ni समिश्र कोटिंगों का विकास करना था। अनुप्रयुक्त ट्राइबोलॉजी के क्षेत्र में किसी भी यांत्रिक प्रणाली में घर्षण एवं घिसाव को कम करना तथा स्नेहन सुनिश्चित करना ऊर्जा के प्रभावी संरक्षण के लिए आवश्यक है। वर्षों से यह सुनिश्चित करने का सशक्त प्रयास किया गया है कि संपर्क में आने वाली सतहों को पर्याप्त स्नेहन प्रदान किया जाए ताकि वे एक-दूसरे से पर्याप्त रूप से पृथक बनी रहें। घर्षण एवं घिसाव को कम करने का सबसे प्रभावी तरीका दोनों फिसलने वाली सतहों को एक स्नेहक फिल्म (तृतीय निकाय), जैसे ठोस स्नेहक की फिल्म, तेल, ग्रीस अथवा कोटिंग के माध्यम से पृथक करना है। यांत्रिक प्रणालियों में स्नेहन के लिए पारंपरिक रासायनिक योजकों का उपयोग विषाक्तता तथा प्रदूषण की अनेक समस्याएँ उत्पन्न करता है। इसके अतिरिक्त, योजकों का धीमा अपघटन ट्राइबोलॉजिकल गुणों में बाधा उत्पन्न करता है। ठोस स्नेहकों का उपयोग तब किया जाता है जब द्रव स्नेहक आधुनिक प्रौद्योगिकी की उन्नत आवश्यकताओं की पूर्ति नहीं कर पाते, विशेषकर सीमांत स्नेहन (Boundary Lubrication) अवस्था में। ये उन अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत उपयोगी हैं जिनमें दाब एवं तापमान जैसी महत्वपूर्ण परिचालन परिस्थितियों की आवश्यकता होती है, जिनके लिए द्रव स्नेहक अप्रभावी अथवा अवांछनीय होते हैं।

क्रियाशीलीकृत ग्रेफाइटिक नैनोकणों को शुष्क तथा तेल/जल स्नेहित यांत्रिक संपर्कों के प्रभावी स्नेहन हेतु भार-वहन करने वाले अभ्यर्थियों के रूप में तैयार किया गया। क्रियाशीलीकृत ग्रेफाइटिक कणों का उनकी संरचनात्मक एवं भौतिक-रासायनिक विशेषताओं के मूल्यांकन के लिए UV-Vis, FTIR, Raman Spectroscopy, XRD, DSC, SEM, TEM तथा Contact Angle द्वारा विश्लेषण किया गया तथा ग्रेफाइट कणों के सफल क्रियाशीलीकरण की पुष्टि की गई। तेल/जल माध्यम में कण निलंबनों के घर्षण संबंधी गुणों का अध्ययन किया गया तथा उनकी तुलना शुष्क अवस्था में कणों के घर्षण व्यवहार से की गई। प्रायोगिक आँकड़े क्रियाशीलीकृत नैनोकणों के साथ अच्छे ट्राइबोलॉजिकल गुण प्राप्त होने की संभावना को दर्शाते हैं, जहाँ ऐसे कणों को ट्राइबोलॉजिकल आवश्यकताओं के अनुसार उपयुक्त क्रियाशीलीकरण द्वारा उपयोगी बनाया जा सकता है।

समग्र कोटिंग्स:

सतह के वांछित गुणों, जैसे पहनने के प्रतिरोध, घर्षण, संक्षारण प्रतिरोध और अन्य में सुधार करने के लिए कोटिंग्स और पतली फिल्मों को संरचनात्मक थोक सामग्रियों पर लागू किया जाता है, फिर भी सामग्री के थोक गुणों को अपरिवर्तित रखा जाता है। स्पंदित इलेक्ट्रोडिपोजिशन (पीईडी) उच्च पहलू सामग्री के लागत-कुशल, बहुमुखी और विश्वसनीय बड़े पैमाने पर औद्योगिक उत्पादन के जमाव के लिए एक विश्वसनीय अवधारणा है। इलेक्ट्रोलेस नी कोटिंग्स को उनकी उत्कृष्ट गुणवत्ता, समान जमाव, उत्कृष्ट पहनने और संक्षारण प्रतिरोध, अच्छी वेल्डेबिलिटी और विद्युत चालकता के कारण कई क्षेत्रों में बड़े पैमाने पर लागू किया गया है। इलेक्ट्रोलेस निकल चढ़ाना संक्षारण प्रतिरोध में सुधार करता है, सामग्री की सतह की कठोरता को बढ़ाता है, एक समान और घनी कोटिंग प्रदान करता है, और कई मामलों में, प्लेटिंग से पहले सामग्री की समान सतह खत्म करता है। कम घर्षण नैनोस्ट्रक्चर्ड कोटिंग्स जिसमें एक ठोस स्नेहक के साथ संयोजन में एक कठोर संक्रमण धातु कार्बाइड या नाइट्राइड होता है, जैसे हीरे की तरह कार्बन (डीएलसी), एमओएस₂, डब्ल्यूएस₂ और अन्य कम घर्षण के साथ उच्च कठोरता को जोड़ते हैं। वे तरल स्नेहक के बिना काम करने वाले विभिन्न प्रकार के बीयरिंग और स्लाइडिंग भागों में लागू होते हैं, जो विशेष रूप से शत्रुतापूर्ण वातावरण में एक महत्वपूर्ण लाभ है, और जब जंगम भागों को बहुत बार रुकना और जाना पड़ता है।

निकेल-ग्राफीन ऑक्साइड (जीओ) मिश्रित कोटिंग्स को पीईडी विधि द्वारा स्टील सब्सट्रेट पर सफलतापूर्वक तैयार किया गया था। आकृति विज्ञान, संरचना और जनजातीय गुणों की जांच की गई। एफई-एसईएम और एएफएम सूक्ष्म अध्ययन समग्र कोटिंग में नी मैट्रिक्स में अंतःस्थापित जीओ कणों की उपस्थिति को दर्शाता है। एक्सआरडी, ईडीएस, जल संपर्क कोण और रमन स्पेक्ट्रा ने भी उपरोक्त निष्कर्ष की पुष्टि की। ट्राइबोलॉजिकल अध्ययनों से पता चलता है कि फंसे हुए GO ने कोटिंग के घर्षण और पहनने के गुणों को सकारात्मक रूप से प्रभावित किया। प्राचीन Ni कोटिंग की तुलना में, Ni मैट्रिक्स में GO के सम्मिलन ने घर्षण के गुणांक को काफी कम कर दिया और कोटिंग की गहराई को काफी हद तक कम कर दिया।

ग्राफीन ऑक्साइड: ग्राफीन की खोज के बाद से, इसके उत्पादन पर अधिकांश शोध किए जाते हैं। शोधकर्ता इसे औद्योगिक उपयोग और ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाने के लिए बड़े पैमाने पर इसके उत्पादन के लिए विभिन्न तरीकों की खोज कर रहे हैं। उच्च शक्ति, उच्च तापीय चालकता और कई वांछनीय गुणों जैसे अपने अद्वितीय गुणों के कारण इसने वैज्ञानिक समुदाय में काफी ध्यान आकर्षित किया है। बड़े पैमाने पर ग्राफीन ऑक्साइड का उत्पादन करने के लिए सीएसआईआर-सीएमईआरआई में व्यापक कार्य किया जा रहा है। यह ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए उच्च ऊर्जा घनत्व सुपरकैपेसिटर, ग्राफीन स्नेहक, सेंसर, ग्राफीन/पॉलिमर कंपोजिट और ग्राफीन का उपयोग करके स्टील की सतह कोटिंग जैसे कई अनुप्रयोगों में ग्राफीन ऑक्साइड का उपयोग करने के लिए एक खिड़की खोलता है। उल्लेखनीय उपलब्धियों में से एक ग्राफीन का उपयोग करके रिचार्जेबल सुपर कैपेसिटर प्रोटोटाइप का विकास है। विकसित प्रोटोटाइप को इसमें दर्शाया गया है

चित्र 7 और इसे आईआईएसएफ, नई दिल्ली में प्रदर्शित किया गया था। इस ग्राफीन आधारित सुपरकैपेसिटर में 113 Wh kg का ऊर्जा घनत्व है

^-1 और 10,000 चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के बाद विशिष्ट समाई में प्रतिधारण >80% है।

चित्र 8 एक और उल्लेखनीय उपलब्धि प्रस्तुत करता है जो लचीले ग्राफीन इलेक्ट्रोड का विकास है। विशिष्ट समाई और चार्जिंग-डिस्चार्जिंग दक्षता जैसे कैपेसिटिव प्रदर्शन इलेक्ट्रोड को मोड़ने के 100 बार के बाद भी अपरिवर्तित रहते हैं।

इसके अलावा, समूह बड़े पैमाने पर कई अन्य संभावित अनुप्रयोगों की खोज कर रहा है जहां ग्राफीन ऑक्साइड का उपयोग सिस्टम के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकता है। ऐसे क्षेत्रों के कुछ अनुप्रयोग विनिर्माण उद्योगों में ग्राफीन आधारित जलीय स्नेहक का उपयोग, कोटिंग अनुप्रयोगों के लिए सतह संशोधित ग्राफीन का उपयोग हैं। समूह कम ग्राफीन ऑक्साइड की सतह संशोधन, ग्राफीन ऑक्साइड की जैव-कमी, कार्यात्मक ग्राफीन शीट और ग्राफीन/मेटल ऑक्साइड कम्पोजिट सुपरकैपेसिटर के लिए ग्रेफाइट के एक-चरण इलेक्ट्रोकेमिकल एक्सफोलिएशन के क्षेत्रों पर भी ध्यान केंद्रित करता है।

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