Spontaneous crumpling of active spherical shells
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि पतले गोलाकार कोशों (spherical shells) को सक्रिय उतार-चढ़ाव (active fluctuations) के अधीन करने से विश्वसनीय रूप से एक कुचला हुआ चरण (crumpled phase) उत्पन्न होता है, जो आयतन में कमी के लिए एक सार्वभौमिक मास्टर कर्व, महत्वपूर्ण आरंभिक बल (critical onset force) के लिए एक सामान्य अभिव्यक्ति और एक परिवर्तनशील आकार घातांक (size exponent) द्वारा अभिलक्षित है।
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कल्पना कीजिए कि आपके पास एक नाजुक, खोखला गुब्बारा है जो बहुत पतले, खिंचाव वाले पदार्थ से बना है—जैसे कि टिश्यू पेपर का एक टुकड़ा या साबुन का बुलबुला। सामान्य भौतिकी की शांत, स्थिर दुनिया में, यदि आप इस गुब्बारे को अकेला छोड़ देते हैं, तो यह गोल और चिकना रहता है। भले ही आप इसे थोड़ा गर्म कर दें (तापीय ऊर्जा जोड़ दें), यह थोड़ा हिल सकता या झुर्रियां ले सकता है, लेकिन यह आम तौर पर एक बिखरी हुई गेंद में बदलने से इनकार कर देता है। यह जिद्दी होकर सपाट और फैला हुआ रहने की कोशिश करता है।
दशकों तक, वैज्ञानिकों ने यह पता लगाने की कोशिश की है कि क्या कोई ऐसा तरीका है जिससे इन पतली सतहों को केवल हिलाने-डुलाने से अपने आप एक तंग, बिखरी हुई गेंद में सिमट जाए (जैसे कि कागज का एक टुकड़ा जिसे आपने अपनी मुट्ठी में कुचल दिया हो)। अब तक, इसका उत्तर ज्यादातर "नहीं" था।
"सक्रिय" मोड़ (The "Active" Twist)
इस नए अध्ययन में, कोलंबिया विश्वविद्यालय और मैसाचुसेट्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने कुछ अलग करने का निर्णय लिया। केवल गुब्बारे को गर्मी से हिलाने के बजाय, उन्होंने इसे एक "धक्का" (kick) दिया। उन्होंने कल्पना की कि गुब्बारे की सतह का हर एक बिंदु एक छोटा, स्वयं-चालित रोबोट था। प्रत्येक रोबोट के पास एक छोटा मोटर था और वह लगातार एक विशिष्ट दिशा में तैरने या खुद को धकेलने की कोशिश कर रहा था।
इसे वैज्ञानिक "सक्रिय पदार्थ" (active matter) कहते हैं। इसे गुब्बारे के अंदर लाखों अति-सक्रिय मधुमक्खियों की तरह समझें जो गुब्बारे की दीवारों से टकराकर अंदर से धक्का दे रही हैं।
महान सिकुड़न (The Great Crumpling)
शोधकर्ताओं ने इन "मधुमक्खियों" के साथ कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। यहाँ क्या हुआ:
- लहर (The Wiggle): शुरू में, जब "मधुमक्खियाँ" धीरे चल रही थीं, तो गुब्बारा केवल डगमगाया। इसमें कुछ लहरें आईं, लेकिन यह गोल बना रहा।
- धक्का (The Push): जैसे-जैसे उन्होंने मधुमक्खियों की गति बढ़ाई, लहरें गहरी होती गईं। गुब्बारा अपना आदर्श आकार खोने लगा।
- क्रैश (The Crash): एक बार जब मधुमक्खियाँ पर्याप्त तेज़ चलने लगीं, तो गुब्बारा केवल झुर्रियां ही नहीं लेने लगा; यह सिकुड़ गया (crumpled)। यह एक तंग, बिखरी हुई गेंद में बदल गया, जो अपने मूल आकार के लगभग 20% तक सिमट गया।
"सार्वभौमिक" नियम (The "Universal" Rule)
सबसे रोमांचक हिस्सा यह खोज है कि यह केवल एक विशिष्ट गुब्बारे के लिए नहीं हुआ। शोधकर्ताओं ने सभी अलग-अलग आकारों के गुब्बारे परीक्षण किए और उन्हें अलग-अलग "सामग्रियों" से बनाया (कुछ पूरी तरह से व्यवस्थित क्रिस्टल की तरह थे, अन्य अस्त-व्यस्त और यादृच्छिक थे)।
उन्होंने एक मास्टर नियम पाया। गुब्बारा चाहे कितना भी बड़ा क्यों न हो या वह किस चीज से बना हो, यदि वे मधुमक्खियों की गति को सही ढंग से समायोजित करते हैं, तो वे सभी ठीक उसी क्षण सिकुड़ जाते हैं। ऐसा लगता है जैसे एक सार्वभौमिक "सिकुड़ने वाला स्विच" (crumpling switch) है जो सक्रियता पर्याप्त मजबूत होने पर चालू हो जाता है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है?
आप पूछ सकते हैं, "हम गुब्बारे को सिकुड़ने के लिए गर्म क्यों नहीं कर सकते?" शोधकर्ताओं ने यह भी आज़माया। उन्होंने गुब्बारे को अत्यधिक तापमान (जैसे 200 डिग्री तक ओवन चलाना) तक गर्म किया, लेकिन गुब्बारा केवल बड़ा और डगमगाता हुआ रहा; वह कभी सिकुड़ा नहीं।
यह हमें कुछ गहरा बताता है: सिकुड़ना केवल ऊर्जा के बारे में नहीं है; यह इस बारे में है कि उस ऊर्जा का उपयोग कैसे किया जाता है।
- गर्मी (निष्क्रिय/Passive): एक पत्ते पर बहती हल्की हवा की तरह। यह चीजों को थरथराता है, लेकिन वे फैली रहती हैं।
- सक्रियता (Active): विशिष्ट दिशाओं में धक्का देने वाली मधुमक्खियों के झुंड की तरह। यह एक अराजक, गैर-संतुलन बल (non-equilibrium force) पैदा करता है जो खोल को ढहने के लिए मजबूर करता है।
"फ्लोरी" चरण (The "Flory" Phase)
वैज्ञानिकों ने सिकुड़ी हुई गेंद के आकार को भी मापा। उन्होंने पाया कि यह 1970 के दशक के एक प्रसिद्ध गणितीय अनुमान से मेल खाता है जिसे "फ्लोरी चरण" (Flory phase) कहा जाता है। यह एक विशेष प्रकार की बिखरी हुई अवस्था है जिसे भौतिकविदों ने अस्तित्व में होने का अनुमान लगाया था, लेकिन अब तक उन्होंने वास्तव में एक वास्तविक, स्व-परिहार करने वाले (self-avoiding) खोल में इसे नहीं देखा था।
बड़ी तस्वीर (The Big Picture)
यह शोध कागज के एक टुकड़े को मोड़ने का एक नया तरीका खोजने जैसा है। आमतौर पर, आपको इसे मजबूर करना पड़ता है। लेकिन यहाँ, इसे "जीवन" (सक्रियता) देकर, यह खुद को मोड़ लेता है।
इसके जीव विज्ञान और इंजीनियरिंग में बड़े निहितार्थ हैं। हमारे शरीर में कई चीजें (जैसे कोशिका झिल्ली/cell membranes) और भविष्य की तकनीक (जैसे सूक्ष्म दवा-वितरण कैप्सूल) पतले खोल हैं। यदि हम समझ सकें कि सक्रिय बलों का उपयोग करके उन्हें कैसे सिकोड़ा या फैलाया जा सकता है, तो हम ऐसे सूक्ष्म रोबोट डिज़ाइन कर पाएंगे जो आदेश पर अपना आकार बदल सकें, या यह समझ पाएंगे कि कोशिकाएं बीमारी के दौरान कैसे मुड़ती और खुलती हैं।
संक्षेप में:
यदि आप एक पतले खोल को सिकोड़ना चाहते हैं, तो उसे केवल गर्म न करें। उसे थोड़ा जीवन दें। उसकी सतह को "सक्रिय" बनाएं, और देखें कि वह कैसे स्वतः ही एक पूर्ण, बिखरी हुई गेंद में सिमट जाता है।
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