लोगों, विमानों और शहरों को अदृश्य बनाने वाले प्रतिभाशाली गुप्त आविष्कार | बीबीसी साइंस फोकस पत्रिका

अदृश्य होने की चाहत बहुत पुरानी है। शिकारी और सैनिक सदियों से खुद को छिपाने के तरीके ढूंढ रहे हैं, लेकिन वैज्ञानिक वास्तव में चीजों को अदृश्य बनाने के करीब पहुंच रहे हैं।

आधुनिक स्टील्थ तकनीक न केवल विमानों को रडार से बचा सकती है, बल्कि इन्फ्रारेड कैमरों से उच्च ताप संकेतों को भी छिपा सकती है और ध्वनि तरंगों को सुनने से रोक सकती है। तो हम अदृश्यता तकनीक विकसित करने के कितने करीब हैं?

मैदानी जगह पर छुपना

हम वस्तुओं को देखते हैं क्योंकि जब प्रकाश उनके साथ संपर्क करता है तो प्रकाश अवशोषित और परावर्तित होता है। पारदर्शी वस्तुएँ, जैसे खिड़कियाँ, प्रकाश को लगभग बिना किसी बाधा के अपने बीच से गुजरने देती हैं। किसी अपारदर्शी वस्तु को छिपाने के लिए अदृश्य लबादे के लिए, इसके बजाय इसके चारों ओर प्रकाश को पुनर्निर्देशित करने की आवश्यकता होगी।

सबसे शुरुआती प्रूफ़-ऑफ़-कॉन्सेप्ट क्लोकिंग उपकरणों में से एक 2006 में ड्यूक विश्वविद्यालय के इंजीनियरों द्वारा विकसित किया गया था। यह प्रायोगिक उपकरण एक तांबे के सिलेंडर से बना था जिसे इसके चारों ओर माइक्रोवेव को विक्षेपित करके ‘छिपा’ दिया गया था, जिससे यह लगभग ऐसा प्रतीत होता था जैसे कि यह माइक्रोवेव डिटेक्टर के लिए मौजूद ही न हो।

इसे एक मेटामटेरियल से बनाया गया था – सुविधाओं की एक आवधिक सरणी से बनी संरचना (एक व्यवस्था जो तीन आयामों में नियमित अंतराल पर दोहराई जाती है – एक जाली के बारे में सोचें) जो इसे असामान्य गुण प्रदान करती है।

यह प्रारंभिक क्लोकिंग उपकरण केवल माइक्रोवेव के लिए काम करता था – अपेक्षाकृत लंबी तरंग दैर्ध्य के साथ विद्युत चुम्बकीय विकिरण। किसी वस्तु को दृश्य प्रकाश के लिए अदृश्य बनाना, जिसकी तरंग दैर्ध्य बहुत कम होती है, एक कठिन चुनौती है।

ऐसा इसलिए है क्योंकि नैनोस्केल पर, क्वांटम प्रभाव हावी होने लगते हैं, एक बात के लिए, लेकिन इसलिए भी क्योंकि लबादा केवल माइक्रोवेव की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के लिए काम करता है। एक लबादे को वास्तव में सभी प्रकाश के लिए अदृश्य होने के लिए, इसे इंद्रधनुष के सभी रंगों से खुद को छिपाने की आवश्यकता होगी।

साथ ही, यह तथ्य भी है कि यह केवल एक छोटी वस्तु के लिए काम करता है; मनुष्य के आकार की कोई चीज़ नहीं।

एक बाद की सफलता 2018 में आई, जब हार्वर्ड और कनाडा के वाटरलू विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने मेटलेंस (सपाट सतहों जो नैनोस्ट्रक्चर का उपयोग करते हैं – इस मामले में, टाइटेनियम-आधारित ‘नैनोफिन’ – प्रकाश पर ध्यान केंद्रित करने के लिए) की एक श्रृंखला से बने एक उपकरण का प्रदर्शन किया, जो इसके चारों ओर दृश्य प्रकाश तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला को मोड़ने में सक्षम था।

एक कदम और करीब, लेकिन एक सच्चा पहनने योग्य अदृश्य लबादा अभी भी पहुंच से बाहर है।

“वह चीज़ जो हर कोई चाहता है, एक अदृश्य लबादा जिसे आप पहन सकते हैं… वे सामग्री को इतना लचीला बनाने में सक्षम होने पर अड़े हुए हैं,” एक्सेटर विश्वविद्यालय में सैद्धांतिक भौतिकी के एसोसिएट प्रोफेसर साइमन हॉर्स्ले कहते हैं।

“आज की सामग्री एक सिलेंडर की तरह होगी जिसे आप अपने चारों ओर रखेंगे। लेकिन अगर आप कुछ ऐसा चाहते हैं जिसमें आप घूम सकें, तो यह एक पूरी तरह से अलग डिज़ाइन समस्या है।”

आकाश में चुपके

यद्यपि हम अभी भी एक वास्तविक अदृश्यता लबादा विकसित करने में कुछ साल लग सकते हैं, कुछ चीजें पहले से ही वस्तुओं को अन्य तरंग दैर्ध्य के लिए प्रभावी रूप से अदृश्य बना सकती हैं: उदाहरण के लिए, डिजाइन सिद्धांत और सामग्री जो सैन्य जेट (जैसे नीचे स्टील्थ फाइटर) को रडार से छिपाते हैं।

रडार रेडियो तरंगों का विस्फोट भेजकर और अपने सामने आने वाली वस्तुओं द्वारा परावर्तित तरंगों को सुनकर काम करता है। इस तरह, रडार रिसीवर गणना कर सकता है कि कोई वस्तु कितनी दूर है।

धातु से बना होने के कारण विमान रडार संकेतों का बहुत अच्छा परावर्तक बन जाता है और इसलिए इसका पता लगाना बहुत आसान हो जाता है। लेकिन दो चीज़ें किसी विमान को अदृश्य होने में मदद कर सकती हैं।

सबसे पहली चीज़ है इसका आकार. यात्री विमानों में पाए जाने वाले गोल आकार रडार को प्रतिबिंबित करने में उत्कृष्ट होते हैं, क्योंकि इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि प्रसारित सिग्नल विमान से किस कोण पर टकराता है, इसका कुछ हिस्सा हमेशा रिसीवर के पास वापस आ जाएगा।

यही कारण है कि स्टील्थ विमान लगभग पूरी तरह से सपाट सतहों और तेज किनारों का उपयोग करके बनाए जाते हैं – वे अभी भी रडार संकेतों को विक्षेपित करेंगे, लेकिन सीधे रिसीवर की ओर नहीं।

दूसरी बात यह है कि विमान की रडार पारदर्शिता में सुधार करने के लिए इसे धातु और कार्बन फाइबर जैसी विद्युत प्रवाहकीय सामग्री से बनाने से बचें।

यदि यह संभव नहीं है, तो विमान को एक विशेष रडार-अवशोषक सामग्री में लेपित किया जा सकता है। ये पेंट रेडियो तरंगों को अवशोषित करते हैं और उन्हें वापस परावर्तित करने के बजाय उनकी ऊर्जा को गर्मी में बदल देते हैं।

ऐसी कोटिंग का एक उदाहरण ‘आयरन बॉल पेंट’ है, जिसमें सूक्ष्म लोहे के गोले होते हैं जिनकी गुंजयमान आवृत्ति विशिष्ट रडार से मेल खाती है। जब रडार सिग्नल विमान से टकराता है, तो गेंदें प्रतिध्वनित होती हैं और इसकी ऊर्जा को गर्मी में परिवर्तित करती हैं, जो पर्यावरण में फैल जाती है।

इस तरह, एक गुप्त विमान को प्रभावी ढंग से एक छोटे पक्षी के रूप में प्रच्छन्न किया जा सकता है। हालाँकि, ऐसी सामग्रियाँ केवल कुछ तरंग दैर्ध्य के भीतर ही प्रभावी होती हैं, और रडार डिटेक्शन सिस्टम की बढ़ती कंप्यूटिंग शक्ति का मतलब है कि विमान के लिए उनसे छिपना कठिन होता जा रहा है।

बेशक, यह सिर्फ रेडियो फ्रीक्वेंसी नहीं है जिससे बचने के लिए स्टील्थ विमान को डिजाइन किया जाना चाहिए। वे अक्सर मैट ब्लैक रंग में रंगे होते हैं और रात में उड़ते हैं, और पायलटों को उन ऊंचाइयों पर निर्देशित किया जाता है जहां कंट्रेल्स बनने की संभावना कम होती है, जिससे उन्हें आसमान में पहचानना अधिक कठिन हो जाता है।

उनके इंजनों द्वारा उत्पन्न तीव्र गर्मी भी एक मुद्दा है।

इसे गर्म निकास में ठंडी परिवेशी वायु को इंजेक्ट करके और ठंडी परिवेशी वायु के साथ गर्म निकास के मिश्रण को अधिकतम करने के लिए एक स्लिट-आकार वाले टेलपाइप का उपयोग करके आंशिक रूप से कम किया जा सकता है। कुछ डिज़ाइन नीचे के पर्यवेक्षकों से छिपाने के लिए निकास को पंख के ऊपर भी रखते हैं।

अगली पीढ़ी के विद्युत चुम्बकीय मेटासर्फेस आने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंगों को पुनर्निर्देशित करने की और भी अधिक प्रभावी विधि का वादा करते हैं, हालांकि तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला द्वारा पता लगाने से बचने की चुनौती बनी हुई है।

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वहां गर्मी हो रही है

सैनिकों के लिए, इन्फ्रारेड तकनीक से छुपे रहना एक समस्या है। मानव शरीर स्वाभाविक रूप से लगभग 200W अवरक्त विकिरण (आईआर), या गर्मी छोड़ता है – जो कि तीन घरेलू लाइटबल्बों के समान शक्ति है – और सही उपकरण के साथ इसका पता लगाना आसान है।

एक सरल और सस्ता आईआर अदृश्यता लबादा एक एल्यूमीनियम पन्नी कंबल है। इस तरह की चमकदार धातुओं में लगभग शून्य उत्सर्जन होता है – यह इस बात का माप है कि सामग्री कितनी अच्छी तरह थर्मल विकिरण छोड़ती है।

ये थोड़े समय के लिए आश्चर्यजनक रूप से अच्छा काम करते हैं, लेकिन जल्द ही शरीर की गर्मी कंबल के अंदर जमा हो जाती है और आसानी से पता चल जाती है। इसके अलावा, जहां आप छुपे हुए हैं वहां के वातावरण की उत्सर्जन क्षमता के आधार पर, कंबल कैमरे को ठंडे स्थान के रूप में दिखाई दे सकता है।

प्रोफेसर कोस्कुन कोकाबास और मैनचेस्टर विश्वविद्यालय की एक टीम जिस अधिक प्रभावी छलावरण पर काम कर रही है, वह गिरगिट की तरह सक्रिय रूप से पर्यावरणीय पृष्ठभूमि के अनुकूल है।

“हमारी प्रारंभिक प्रेरणा थी: क्या आप ऐसी स्मार्ट सतहें बना सकते हैं जो इन जानवरों की नकल कर सकें?” कोकाबास कहते हैं.

ग्राफीन-आधारित उपकरणों के साथ इसका उत्तर हां है। “ग्राफीन के ऑप्टिकल गुणों को बदलकर, आप अनुकूली सतहें बना सकते हैं जिनका उपयोग आप दृश्य, अवरक्त और यहां तक ​​कि माइक्रोवेव विकिरण से छिपाने के लिए कर सकते हैं,” वे कहते हैं।

सामग्री अपनी सतह पर इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करके आने वाली रोशनी के ऑप्टिकल गुणों का उपयोग करती है। 2डी सामग्री के रूप में, ग्राफीन इस मायने में अद्वितीय है कि इसकी सतह पर बहुत सारे गतिशील इलेक्ट्रॉन होते हैं। यही वह चीज़ है जो इसे अविश्वसनीय रूप से विद्युत प्रवाहकीय बनाती है।

“मौलिक रूप से, आपको सामग्री की आवश्यकता नहीं है, आपको इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता है।” यदि आप ग्राफीन की सतह पर इलेक्ट्रॉनों को नियंत्रित कर सकते हैं, तो आप परावर्तनशीलता, अवशोषण और थर्मल विकिरण को बदल सकते हैं। कोकाबास कहते हैं, ग्राफीन आपको ये ट्यून करने योग्य ऑप्टिकल गुण प्रदान करने वाला मंच है।

यह ग्राफीन परतों के बीच आयनों को निचोड़कर किया जाता है – एक प्रक्रिया जिसे ‘इंटरकलेशन’ कहा जाता है।

ऐसा करने से, कोकाबास की टीम ग्राफीन सतह पर इलेक्ट्रॉनों की गतिशीलता को बदल सकती है, जिससे उन्हें सामग्री के प्रकाशिकी को नियंत्रित करने की अनुमति मिलती है – जिसमें इसकी उत्सर्जन क्षमता भी शामिल है।

2022 में, टीम ने 42 ग्राफीन पैच युक्त एक पहनने योग्य जैकेट बनाया जो डिस्प्ले में पिक्सल की तरह काम करता था। युद्ध के मैदान में, इसका उपयोग पृष्ठभूमि उत्सर्जन से मेल खाने के लिए किया जा सकता है, जिससे पहनने वाला आईआर कैमरे के लिए अदृश्य हो जाएगा।

लेकिन ग्राफीन को केवल 20 साल पहले ही अलग किया गया था और 2डी सामग्री को थोक 3डी सामग्री के साथ एकीकृत करने में अभी भी चुनौतियाँ हैं। लेकिन, एक बार हल हो जाने पर, ऐसे पहनने योग्य उपकरण जो अवरक्त और दृश्यमान स्पेक्ट्रम विकिरण दोनों को ढक सकते हैं, हमें वास्तविक जीवन में अदृश्यता के आवरण की ओर एक कदम आगे ले जा सकते हैं।

देखा जाए, लेकिन सुना न जाए

जब चुप रहने की बात आती है, तो प्रकृति हम इंसानों को हरा देती है। उदाहरण के लिए, अफ़्रीकी गोभी के पेड़ सम्राट मोथ को लें। चूंकि यह रात्रिचर है, इसलिए इसे अपने शिकारियों द्वारा अवरक्त या दृश्य प्रकाश में देखे जाने की चिंता नहीं होती है। इसके बजाय, इसकी मुख्य समस्या चमगादड़ों द्वारा इकोलोकेशन का उपयोग करके पता लगाना है।

तो इस छोटे से कीट ने अपने पंख के तराजू और फर में एकदम सही ध्वनिक अदृश्यता वाला लबादा विकसित किया है जो चमगादड़ की अल्ट्रासाउंड कॉल को प्रभावी ढंग से अवशोषित करता है, प्रतिबिंब को रोकता है और इसलिए, पहचान को रोकता है।

इस सरल तंत्र की खोज ब्रिस्टल विश्वविद्यालय में प्रोफेसर मार्क होल्डरिड द्वारा की गई थी और यह प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला पहला ज्ञात ध्वनिक मेटामटेरियल है।

ध्वनिक मेटामटेरियल्स ऐसी संरचनाएं हैं जो यह नियंत्रित कर सकती हैं कि ध्वनि तरंगें उनकी संरचना के माध्यम से कैसे चलती हैं। लेकिन, इसके बजाय नियमित रूप से दूरी वाले कार्बन परमाणुओं के चारों ओर इलेक्ट्रॉन होते हैं जो प्रकाश तरंगों के साथ बातचीत करते हैं, ध्वनिक मेटामटेरियल्स में, संरचनाओं की आवधिक सरणी ध्वनि तरंगों के साथ बातचीत करती है।

“यह हमें संरचना, ज्यामिति और सामग्रियों के साथ खेलने की अनुमति देता है,” साउथेम्प्टन विश्वविद्यालय के एसोसिएट प्रोफेसर, मेटामटेरियल्स शोधकर्ता डॉ. फेलिक्स लैंगफेल्ट कहते हैं। “हम उन सभी को एक आवधिक संरचना में एक साथ रख सकते हैं और यह ध्वनि की कुछ आवृत्तियों को बहुत दृढ़ता से प्रतिबिंबित, अपवर्तित या अवशोषित कर सकता है।”

इन संरचनाओं की प्रतिभा यह है कि वे फोम जैसी पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में बहुत कम आवृत्तियों में ध्वनि तरंगों को अवशोषित कर सकते हैं, और इन्हें बहुत पतला भी बनाया जा सकता है।

लैंगफेल्ट कहते हैं, “कागज़ जैसी मोटी शीट की कल्पना करें जो कंक्रीट की दीवार की तरह ही ध्वनि को रोकती है।” ऐसी संरचनाओं का उपयोग चिड़चिड़ाहट वाले शोर को शांत करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि वेंटिलेशन सिस्टम या, जैसा कि लेगफेल्ट विमान पर देख रहा है।

लेकिन ध्वनिक मेटामटेरियल्स केवल शोर या कंपन को कम नहीं करते हैं। उनका उपयोग कंपन को पुनर्निर्देशित करने के लिए भी किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, यदि आप किसी इमारत की नींव के आसपास भूकंप को पुनर्निर्देशित करना चाहते हैं) और कंपन की ऊर्जा का उपयोग करने के लिए भी किया जा सकता है।

एक्सेटर विश्वविद्यालय के वरिष्ठ व्याख्याता डॉ. ग्रेगरी चैपलैन इस उन्नत तकनीक का अध्ययन कर रहे हैं।

“कार में कंपन से बहुत अधिक ऊर्जा बर्बाद होती है – उदाहरण के लिए, ध्वनि वास्तव में कष्टप्रद हो सकती है,” वह कहते हैं। “यदि आप मेटामटेरियल्स का उपयोग करके इसे निर्देशित करके स्थानीयकृत कर सकते हैं कि वह ऊर्जा कहां जाती है, और वहां कुछ डाल दें जो उस ऊर्जा को छीन सकता है, तो आप इसे परिमार्जन कर सकते हैं।”

ऐसी प्रणालियों का उपयोग सेंसर जैसे छोटे उपकरणों को बिजली देने के लिए परिवेशीय कंपन को इकट्ठा करने के लिए किया जा सकता है, विशेष रूप से पुलों, परमाणु रिएक्टरों या विमान जैसे दुर्गम स्थानों में।

सिद्धांत रूप में, भविष्य के मेटामटेरियल शहर शांत, ऊर्जा-संचयन, भूकंपीय गतिविधि से सुरक्षित और शायद एक दिन अदृश्य भी हो सकते हैं।

हमारे विशेषज्ञों के बारे में

प्रोफ़ेसर साइमन हॉर्स्ले एक्सेटर विश्वविद्यालय में सैद्धांतिक भौतिकी के एसोसिएट प्रोफेसर हैं। उनका काम कई पत्रिकाओं में प्रकाशित हुआ है, जिसमें लेख भी शामिल हैं वैज्ञानिक रिपोर्ट, भौतिक समीक्षा पत्र और शारीरिक समीक्षा अनुसंधान.

प्रोफेसर कोस्कुन कोकाबास मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में 2डी डिवाइस सामग्री और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर हैं। उन्हें लाइक्स में प्रकाशित किया गया है समग्र विज्ञान और प्रौद्योगिकी, विज्ञान और एसीएस एप्लाइड नैनो सामग्री.

डॉ फेलिक्स लैंगफेल्ट साउथेम्प्टन विश्वविद्यालय में इंजीनियरिंग और भौतिक विज्ञान संकाय में एसोसिएट प्रोफेसर हैं। उनका काम जैसी पत्रिकाओं में प्रकाशित हुआ है ध्वनिकी आज, द जर्नल ऑफ़ द एकॉस्टिकल सोसाइटी ऑफ़ अमेरिका और ध्वनि और कंपन जर्नल.

डॉ ग्रेगरी चैप्लिन एक्सेटर विश्वविद्यालय में एक वरिष्ठ व्याख्याता हैं जो संरचित सामग्रियों और मेटामटेरियल्स का उपयोग करके तरंग प्रसार में माहिर हैं। वह सहित पत्रिकाओं में प्रकाशित हुआ है भौतिकी का नया जर्नल, संचार भौतिकी और भौतिक समीक्षा सामग्री.

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