Pressure sensitivity in non-local flow behaviour of dense hydrogel particle suspensions
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि दबाव संवेदनशीलता (pressure sensitivity) सघन हाइड्रो जेल कण निलंबनों (dense hydrogel particle suspensions) के लिए गैर-स्थानीय प्रवाह नियमों (non-local flow rules) का एक महत्वपूर्ण घटक है, क्योंकि प्रयोग और सिमुलेशन प्रकट करते हैं कि शियर बैंड की चौड़ाई सीमित तनाव (confining stress) के आधार पर व्यापक से संकीर्ण तक नाटकीय रूप से भिन्न होती है, जो कि एक दबाव-संवेदनशील गैर-स्थानीय ग्रेनुलर फ्लुइडिटी मॉडल द्वारा सफलतापूर्वक कैप्चर किया गया व्यवहार है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ रेत, चीनी, या यहाँ तक कि छोटे मोती एक क्षण में एक ठोस ब्लॉक की तरह व्यवहार कर सकते हैं और अगले ही क्षण एक बहते हुए तरल की तरह। यह ग्रेनुलर सामग्रियों (granular materials) का क्षेत्र है, जो भौतिकी का एक ऐसा क्षेत्र है जो इस बात का अध्ययन करता है कि छोटे, ठोस कणों के समूह कैसे चलते हैं और आपस में क्रिया करते हैं। ये सामग्रियाँ हर जगह मौजूद हैं, रेगिस्तान के टीले में रेत से लेकर मशीन में कॉफी के दानों तक, और यह समझना कि वे कैसे बहती हैं निर्माण से लेकर खाद्य उत्पादन तक के उद्योगों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि जब आप इन सामग्रियों को धकेलते या खींचते हैं, तो वे हमेशा समान रूप से नहीं चलती हैं। इसके बजाय, वे अक्सर अपनी गति को 'शियर बैंड्स' (shear bands) नामक संकीकर, घुमावदार गलियारों में केंद्रित कर देती हैं, जबकि बाकी सामग्री स्थिर रहती है। इन बैंडों के ठीक कहाँ बनने और वे कितने चौड़े होंगे, इसका सटीक अनुमान लगाना एक निरंतर पहेली रही है, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि यह व्यवहार इस बात पर निर्भर करता है कि कणों पर कितना दबाव पड़ रहा है। जबकि कुछ सिद्धांत सुझाव देते हैं कि इन चलती हुई गलियों की चौड़ाई सामग्री का एक निश्चित गुण है, अन्य तर्क देते हैं कि स्थानीय दबाव सब कुछ बदल देता है, जो एक डायल की तरह काम करता है जो प्रवाह को चौड़ा या संकरा कर देता है।
इस बहस को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अद्वितीय और नाजुक प्रणाली की ओर रुख किया: नरम, पानी से भरे जेल गोलों (gel spheres) का एक सस्पेंशन। इन कठोर, सख्त कांच के मोतियों के विपरीत, जिनका उपयोग अक्सर पिछले अध्ययनों में किया जाता है, ये हाइड्रोजेल कण कोमल और लगभग घर्षण रहित होते हैं, जो पानी में तैरते हैं जहाँ उनका घनत्व आसपास के तरल के साथ लगभग पूरी तरह से मेल खाता है। इस सेटअप ने वैज्ञानिकों को एक ऐसी स्थिति बनाने की अनुमति दी जहाँ सामग्री का आंतरिक दबाव अविश्वसनीय रूप से कम था, जिससे कणों के भार को एक प्रेरक बल के रूप में प्रभावी रूप से हटा दिया गया। उन्होंने इन नरम गोलों को एक विशेष कंटेनर में रखा जिसे 'स्प्लिट-बॉटम शियर सेल' (split-bottom shear cell) कहा जाता है, जो मिश्रण को हिलाने के लिए एक डिस्क को घुमाता है। चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) नामक एक शक्तिशाली चिकित्सा इमेजिंग तकनीक का उपयोग करके, वे कंटेनर के भीतर देख सके और बिना किसी बाधा के तीन आयामों में कणों की गति को देख सके। उन्होंने इन वास्तविक दुनिया के अवलोकनों की तुलना कंप्यूटर सिमुलेशन और एक गणितीय मॉडल से की जो यह भविष्यवाणी करने के लिए बनाया गया था कि ग्रेनुलर सामग्रियाँ कैसे बहती हैं।
परिणामों ने दबाव के प्रति एक आश्चर्यजनक संवेदनशीलता का खुलासा किया। जब शोधकर्ताओं ने नरम जेल गोलों को बिना किसी अतिरिक्त भार के बहने दिया, तो शियर बैंड अविश्वसनीय रूप से चौड़े हो गए। गति के एक संकीर्ण गलियारे के बजाय, सामग्री की पूरी ऊपरी परत प्रवाह में भाग लेने लगी, जो कंटेनर में व्यापक रूप से फैल गई। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि कम आंतरिक दबाव ने सामग्री की "तरलता" (fluidity) को दूर-दूर तक फैलने की अनुमति दी। हालाँकि, जब टीम ने एक हल्का बाहरी दबाव डाला, यानी मिश्रण के ऊपर केवल कुछ सौ पास्कल के बराबर बल के साथ नीचे की ओर दबाव डाला, तो व्यवहार नाटकीय रूप रूप से बदल गया। वह चौड़ा, विसरित प्रवाह एक बहुत ही संकीर्ण, अधिक परिभाषित बैंड में सिमट गया, जैसा कि कठोर, सूखे रेत में देखा जाता है। इसने पुष्टि की कि कणों पर लगने वाला दबाव यह निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है कि वे कैसे बहते हैं, जिससे उन सिद्धांतों के एक विशिष्ट वर्ग की पुष्टि हुई जिनका परीक्षण पहले मुख्य रूप से कठोर, सूखे दानों पर किया गया था।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि प्रवाह की गति सामग्री को कैसे प्रभावित करती है। इमेजिंग तकनीक के साथ देखे गए धीमे, स्थिर आंदोलनों में, प्रवाह एक अनुमानित, स्थिर तरीके से हुआ जो इस बात पर बहुत अधिक निर्भर नहीं था कि डिस्क को कितनी तेजी से घुमाया जा रहा है। हालाँकि, जब उन्होंने सिस्टम को तेजी से चलाने के लिए प्रेरित किया या उच्च स्तर का संपीड़न (compression) लगाया, तो व्यवहार बदल गया। उच्च दबाव के तहत, सामग्री ने एक अलग प्रकार का प्रतिरोध दिखाना शुरू कर दिया जो धीमी गति से बहने वाले ग्रेनुलर प्रवाह के मानक नियमों में फिट नहीं बैठता था। टीम को संदेह है कि यह परिवर्तन स्वयं जेल कणों की धीमी, लोचदार प्रकृति के कारण है, जिन्हें दबाए जाने के बाद ढलने और नया आकार लेने में समय लगता है, जो जटिलता की एक ऐसी परत जोड़ता है जिसे कठोर कणों के सरल मॉडल नहीं पकड़ सकते।
अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि नरम, गीले कणों के बहने के नियम इस बात से गहराई से जुड़े हैं कि वे कितना दबाव महसूस करते हैं। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि गणितीय मॉडल जो इस दबाव संवेदनशीलता को ध्यान में रखते हैं, वे इन नरम सामग्रियों के प्रवाह की सफलतापूर्वक भविष्यवाणी कर सकते हैं, जो सूखे रेत के भौतिकी और गीले, कोमल जेलों के बीच के अंतर को पाटते हैं। यह दिखाते हुए कि दबाव प्रवाह की चौड़ाई के लिए एक नियंत्रण नॉब (control knob) के रूप में कार्य करता है, यह शोध प्रकृति और उद्योग में पाए जाने वाले जटिल मिश्रणों को मॉडल करने के लिए एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि ग्रेनुलर सामग्रियों के हिलने-डुलने को वास्तव में समझने के लिए, आपको हमेशा दबाव के अदृश्य हाथ पर विचार करना चाहिए जो प्रत्येक कण के मार्ग को आकार देता है।
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