Mechanical metamaterial
યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સ એ તેમની રચનાને બદલે તેમની રચના દ્વારા વ્યાખ્યાયિત યાંત્રિક ગુણધર્મો ધરાવતી કૃત્રિમ રચનાઓ છે. તેમને ઓપ્ટિકલ મેટામેટ્રિયલ્સના જાણીતા પરિવારના સમકક્ષ તરીકે જોઈ શકાય છે. તેમને ઘણીવાર ઇલાસ્ટોડાયનેમિક મેટામેટ્રિયલ્સ પણ કહેવામાં આવે છે અને તેમાં અદ્રશ્ય થઈ રહેલા શીયરના ખાસ કેસ તરીકે એકોસ્ટિક મેટામેટ્રિયલ્સનો સમાવેશ થાય છે. તેમના યાંત્રિક ગુણધર્મોને એવા મૂલ્યો માટે ડિઝાઇન કરી શકાય છે જે પ્રકૃતિમાં ન મળી શકે. યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સના ઉદાહરણો એકોસ્ટિક/ફોનોનિક મેટામેટ્રિયલ્સ એકોસ્ટિક અથવા ફોનોનિક મેટામેટ્રિયલ્સ પ્રકૃતિમાં ન જોવા મળતા એકોસ્ટિક ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરી શકે છે, જેમ કે નકારાત્મક અસરકારક બલ્ક મોડ્યુલસ, નકારાત્મક અસરકારક સમૂહ ઘનતા અથવા બેવડી નકારાત્મકતા. તેઓ એકોસ્ટિક સબવેવલેન્થ ઇમેજિંગ, સુપરલેન્સિંગ, નેગેટિવ રીફ્રેક્શન અથવા ટ્રાન્સફોર્મેશન એકોસ્ટિક્સ જેવી (મોટે ભાગે હજુ પણ શુદ્ધ વૈજ્ઞાનિક) એપ્લિકેશનોમાં ઉપયોગ કરે છે. નકારાત્મક પોઈસન ગુણોત્તર (ઓક્સેટિક્સ) પોઈસન ગુણોત્તર ધરાવતી સામગ્રી વ્યાખ્યાયિત કરે છે કે જ્યારે સામગ્રીને સમાંતર રીતે સંકુચિત કરવામાં આવે છે ત્યારે તે કેવી રીતે વિસ્તરે છે (અથવા સંકોચાય છે). જ્યારે મોટાભાગની કુદરતી સામગ્રીઓમાં સકારાત્મક પોઈસનનો ગુણોત્તર હોય છે (આપણા સાહજિક વિચાર સાથે સુસંગત છે કે સામગ્રીને સંકુચિત કરીને તેને ઓર્થોગોનલ દિશામાં વિસ્તૃત કરવી આવશ્યક છે), ઓક્સેટિક સામગ્રી તરીકે ઓળખાતી આત્યંતિક સામગ્રીનો પરિવાર પોઈસનનો ગુણોત્તર શૂન્યથી નીચે પ્રદર્શિત કરી શકે છે. આના ઉદાહરણો પ્રકૃતિમાં મળી શકે છે, અથવા બનાવટી હોઈ શકે છે, અને ઘણીવાર તેમાં ઓછી માત્રાનું માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર હોય છે જે જથ્થાબંધ સામગ્રીને આત્યંતિક ગુણધર્મો આપે છે. નકારાત્મક પોઈસન ગુણોત્તર (ઊંધી ષટ્કોણ આવર્તકતા કોષ) ધરાવતા સંયોજનોની સરળ રચનાઓ 1985માં પ્રકાશિત કરવામાં આવી હતી. વધુમાં, અમુક ઓરિગામિ ફોલ્ડ્સ જેમ કે મિઉરા ફોલ્ડ અને, સામાન્ય રીતે, વાંકીચૂંકી-આધારિત ફોલ્ડ્સ પણ નકારાત્મક પોઈસન ગુણોત્તર દર્શાવવા માટે જાણીતા છે. નકારાત્મક અનુદૈર્ધ્ય અને વોલ્યુમેટ્રિક સંકોચનક્ષમતા સંક્રમણો સાથેની મેટામેટેરિયલ્સ સંતુલનમાં બંધ થર્મોડાયનેમિક પ્રણાલીમાં, સ્થિરતાના અવરોધોને કારણે અનુદૈર્ધ્ય અને વોલ્યુમેટ્રિક સંકોચનક્ષમતા બંને બિન-નકારાત્મક હોવા જરૂરી છે. આ કારણોસર, જ્યારે તાણ આવે છે, ત્યારે સામાન્ય પદાર્થો લાગુ કરેલા બળની દિશામાં વિસ્તરે છે. જો કે, એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે મેટામેટ્રિયલ્સને નકારાત્મક સંકોચનક્ષમતા સંક્રમણો દર્શાવવા માટે ડિઝાઇન કરી શકાય છે, જે દરમિયાન સામગ્રી તણાવમાં આવે ત્યારે સંકોચનમાંથી પસાર થાય છે (અથવા જ્યારે દબાણ કરવામાં આવે ત્યારે વિસ્તરણ). જ્યારે આઇસોટ્રોપિક તાણને આધિન હોય છે, ત્યારે આ મેટામેટ્રિયલ્સ નકારાત્મક વોલ્યુમેટ્રિક સંકોચનક્ષમતા સંક્રમણો પણ દર્શાવે છે. મેટામેટ્રિયલ્સના આ વર્ગમાં, નકારાત્મક પ્રતિભાવ લાગુ કરાયેલા બળની દિશામાં હોય છે, જે આ પદાર્થોને નકારાત્મક ટ્રાન્સવર્સલ પ્રતિસાદ દર્શાવતા પદાર્થોથી અલગ પાડે છે (જેમ કે નકારાત્મક પોઈસનના ગુણોત્તરના અભ્યાસમાં). પેન્ટામોડ મેટામેટ્રિયલ્સ અથવા મેટા-ફ્લુઇડ્સ પેન્ટામોડ મેટામેટ્રિયલ્સ એક કૃત્રિમ ત્રિ-પરિમાણીય માળખું છે, જે ઘન હોવા છતાં આદર્શ રીતે પ્રવાહીની જેમ વર્તે છે. આમ, તેમાં મર્યાદિત જથ્થાબંધ પરંતુ અદ્રશ્ય થઈ રહેલું શીયર મોડ્યુલસ હોય છે, અથવા બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો તેને સંકુચિત કરવું મુશ્કેલ છે છતાં તેને વિકૃત કરવું સરળ છે. વધુ ગાણિતિક રીતે કહીએ તો, પેન્ટામોડ મેટામેટરીઅલ્સમાં માત્ર એક બિન-શૂન્ય આઈગન વેલ્યુ અને પાંચ (પેન્ટા) લુપ્ત થતા આઈગનવેલ્યુ સાથે સ્થિતિસ્થાપકતા ટેન્સર હોય છે. 1995માં ગ્રીમ મિલ્ટન અને આન્દ્રેજ ચેરકેવ દ્વારા સૈદ્ધાંતિક રીતે પેન્ટામોડ માળખાઓની દરખાસ્ત કરવામાં આવી હતી, પરંતુ 2012ની શરૂઆત સુધી તેનું નિર્માણ કરવામાં આવ્યું ન હતું. સિદ્ધાંત મુજબ, પેન્ટામોડ મેટામેટ્રિયલ્સનો ઉપયોગ સંપૂર્ણપણે મનસ્વી સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મો ધરાવતી સામગ્રી માટે બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ તરીકે થઈ શકે છે. પેન્ટામોડ માળખાઓની અનિસોટ્રોપિક આવૃત્તિઓ પરિવર્તન ઇલાસ્ટોડાયનેમિક્સ અને ઇલાસ્ટોડાયનેમિક ક્લોકિંગ માટે ઉમેદવાર છે. કોસેરેટ અને માઇક્રોપોલર મેટામેટ્રિયલ્સ ઘણી વાર યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સની અસરકારક વર્તણૂકનું વર્ણન કરવા માટે કોચી સ્થિતિસ્થાપકતા પૂરતી હોય છે. જ્યારે લાક્ષણિક મેટામેટ્રિયલ્સના એકમ કોષો સેન્ટ્રોસિમેટ્રિક ન હોય ત્યારે તે દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે કાયરલ માઇક્રોપોલર સ્થિતિસ્થાપકતા (અથવા કોસેરેટ) નો ઉપયોગ કરીને અસરકારક વર્ણન જરૂરી હતું. માઇક્રોપોલર સ્થિતિસ્થાપકતા સ્થિર કિસ્સામાં ટ્રાન્સલેશનલ અને રોટેશનલ ડિગ્રીઝ ઓફ ફ્રીડમના જોડાણને જોડે છે અને ઓપ્ટિકલ પ્રવૃત્તિને સમકક્ષ વર્તન દર્શાવે છે. 2006માં મિલ્ટન, બ્રાયન અને વિલિસે દર્શાવ્યું હતું કે રેખીય ઇલાસ્ટોડાયનેમિક્સનું સાચું અપરિવર્તનશીલ સ્વરૂપ એ 1970ના દાયકાના અંતમાં અને 1980ના દાયકાની શરૂઆતમાં વિલિસે પ્રસ્તાવિત કરેલા સમીકરણોનો સ્થાનિક સમૂહ છે, જે અસમરૂપ પદાર્થોના ઇલાસ્ટોડાયનેમિક્સનું વર્ણન કરે છે. આમાં તાણ, તાણ અને વેગ વચ્ચે અને વેગ, તાણ અને વેગ વચ્ચે દેખીતી રીતે અસામાન્ય (સ્થિતિસ્થાપક પદાર્થોમાં) જોડાણનો સમાવેશ થાય છે. નેવિઅરના સમીકરણોની અપરિવર્તનશીલતા પરિવર્તન સિદ્ધાંત હેઠળ આવી શકે છે, પરંતુ બિન-સમમિતીય તાણ ધરાવતી સામગ્રીની જરૂર પડશે, તેથી ઉપર નોંધાયેલ કોસેરેટ સામગ્રીમાં રસ છે. બોડી ટોર્કના વિતરણ સાથે ધ્રુવીય સામગ્રી સાથે સ્થિતિસ્થાપક ઝભ્ભો કે જે તણાવ સમપ્રમાણતાને તોડે છે તે ઘડવામાં આવ્યો હતો અને સફળતાપૂર્વક તેનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. આ સિદ્ધાંતને નોરિસ અને શુવાલોવ દ્વારા પેપરમાં વધુ પાયો આપવામાં આવ્યો હતો. આ કાગળો પર આધારિત રેખીય સ્થિતિસ્થાપકતા માટે નજીકના આવરણનો ગાણિતિક સિદ્ધાંત વિકસાવવામાં આવ્યો છે. 2021માં પ્રસ્તાવિત મેટા-ટ્રાઇબોમટેરિયલ્સ એ આંતરિક સંવેદના અને ઊર્જા લણણી કાર્યક્ષમતાઓ સાથે બહુ-કાર્યાત્મક યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સનો એક નવો વર્ગ છે. આ ભૌતિક પ્રણાલીઓ બારીક રીતે તૈયાર કરવામાં આવેલી અને ટોપોલોજીકલ રીતે અલગ ટ્રાઇબોઇલેક્ટ્રિક માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર્સથી બનેલી છે. મેટા-ટ્રાઇબોમટેરિયલ્સ, એ. કે. એ. સ્વ-જાગૃત સંયુક્ત યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સ, તેના કાર્યકારી વાતાવરણ વિશે સીધી માહિતી એકત્રિત કરવા માટે નેનોજનરેટર અને સેન્સિંગ મીડિયા તરીકે કામ કરી શકે છે. તેઓ કુદરતી રીતે શાસ્ત્રીય યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સ દ્વારા પ્રદાન કરવામાં આવતા ઉન્નત યાંત્રિક ગુણધર્મોને વારસામાં મેળવે છે. યાંત્રિક ઉત્તેજના હેઠળ, મેટા-ટ્રાઇબોમેટેરિયલ વિદ્યુત સંકેતો ઉત્પન્ન કરે છે જેનો ઉપયોગ સક્રિય સંવેદના અને સેન્સર અને એમ્બેડેડ ઇલેક્ટ્રોનિક્સને સશક્ત બનાવવા માટે થઈ શકે છે. ઇલેક્ટ્રોનિક યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સ ઇલેક્ટ્રોનિક યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સ ડિજિટલ કમ્પ્યુટિંગ અને માહિતી સંગ્રહ ક્ષમતાઓ સાથે સક્રિય યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સ છે. તેમણે 2023માં પ્રસ્તાવિત મેટા-મેકાનોટ્રોનિક્સ (યાંત્રિક મેટામેટેરિયલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ) ના નવા વૈજ્ઞાનિક ક્ષેત્રનો પાયો નાખ્યો છે. આ મટિરિયલ સિસ્ટમો યાંત્રિક મેટામેટ્રિયલ્સ, ડિજિટલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને નેનો એનર્જી હાર્વેસ્ટિંગ (દા. ત.) ને એકીકૃત કરીને બનાવવામાં આવેલી વિસ્તૃત પ્રકારની મેટા-ટ્રાઇબોમેટ્રીયલ્સ છે. ટ્રાઇબોઇલેક્ટ્રિક, પીઝોઇલેક્ટ્રિક, પાયરોઇલેક્ટ્રિક) તકનીકો. તેઓ બાહ્ય ઉત્તેજના, સ્વ-શક્તિને અનુભવી શકે છે અને સંકલિત બંધ-લૂપ નિયંત્રણ પ્રણાલી બનાવવા માટે માહિતી પર પ્રક્રિયા કરી શકે છે. ઇલેક્ટ્રોનિક મિકેનિકલ મેટામેટ્રિયલ્સને ડિજિટલ લોજિક ગેટ્સ તરીકે ડિઝાઇન કરી શકાય છે, એટલે કે, AND, OR, XOR, NAND, NOR, અને XNOR, અથવા મિકેનિકલી રિસ્પોન્સિવ ડેટા સ્ટોરેજ ડિવાઇસીસ. આમ, તેઓ સંભવિત રીતે ભવિષ્યના યાંત્રિક મેટામેટેરિયલ કમ્પ્યુટર્સ (એમ. એમ. સી.) વિકસાવવા તરફ દોરી શકે છે, જે યાંત્રિક મેટામેટેરિયલમાંથી બનેલા ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાથે પરંપરાગત ઇલેક્ટ્રોનિક્સને પૂરક બનાવે છે. આવી કમ્પ્યુટિંગ મેટામેટેરિયલ સિસ્ટમો ખાસ કરીને ભારે ભાર અને કઠોર વાતાવરણમાં ઉપયોગી થઈ શકે છે (દા. ત. ઉચ્ચ દબાણ, ઉચ્ચ/નીચું તાપમાન અને કિરણોત્સર્ગ સંપર્ક) જ્યાં પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ તેમના રચાયેલ તાર્કિક કાર્યોને જાળવી શકતા નથી. હાયપરલાસ્ટિક ક્લોકિંગ અને ઇનવેરિયન્સ બિન-સમમિતીય તાણ હાંસલ કરવા માટેની અન્ય પદ્ધતિ એ છે કે પૂર્વ-ભારિત હાયપરલાસ્ટિક સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવો અને "મોટા પર નાના" નો સિદ્ધાંત એટલે કે. પૂર્વ-ભારિત બિનરેખીય માધ્યમો દ્વારા સ્થિતિસ્થાપક તરંગ પ્રસાર. 2012 માં પ્રોસિડિંગ્સ ઓફ ધ રોયલ સોસાયટી A માં લખાયેલા બે કાગળો કહેવાતા હાયપરલાસ્ટિક ક્લોકિંગ અને ઇનવેરિયન્સના આ સિદ્ધાંતને સ્થાપિત કરે છે અને ત્યારથી તે સ્થિતિસ્થાપક તરંગ ક્લોકિંગ અને ધ્વન્યાત્મક માધ્યમોના સહયોગથી અસંખ્ય રીતે કાર્યરત છે. સંદર્ભો મેટામેટ્રિયલ્સ