Janus microswimmers are poor hydrodynamic mixers
यह अध्ययन प्रयोगों और सिमुलेशन के माध्यम से यह प्रदर्शित करता है कि फोटोकैटलिटिक जेनस माइक्रोस्विमर्स (photocatalytic Janus microswimmers) अक्षम हाइड्रोडायनामिक मिक्सर हैं क्योंकि लंबी दूरी के प्रवाह के बजाय निकट-क्षेत्र की अंतःक्रियाएं ट्रेसर डिफ्यूज़िविटी (tracer diffusivity) पर हावी होती हैं, जो यह सुझाव देता है कि रासायनिक रूप से सक्रिय कोलाइडल प्रणालियों में उल्लेखनीय मिश्रण के लिए केवल हाइड्रोडायनामिक्स अक्सर अपर्याप्त होता है।
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कल्पना कीजिए कि आप शहद की एक बूंद को एक नन्हे, स्वयं-चालित रोबोट से हिलाने की कोशिश कर रहे हैं। आप सोच सकते हैं कि यदि आप इन सैकड़ों नन्हे रोबोटों को शहद में छोड़ दें, तो वे इधर-उधर दौड़ेंगे, चीजों से टकराएंगे और शहद को पूरी तरह से मिला देंगे, ठीक वैसे ही जैसे एक चम्मच चाय के कप को हिलाता है।
यह शोध पत्र ठीक इसी विचार की जांच करता है, लेकिन सूक्ष्म स्तर (microscopic scale) पर। शोधकर्ताओं ने नन्हे, कृत्रिम "रोबोट्स" (जिन्हें जेनस माइक्रोस्विमर्स कहा जाता है) बनाए जो एक रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करके अपने आप तैर सकते हैं। वे यह देखना चाहते थे कि क्या ये रोबोट छोटे कणों को तरल में तेजी से घूमने में मदद करने के लिए नन्हे मिक्सर के रूप में कार्य कर सकते हैं।
यहाँ उनके निष्कर्षों का सरल विवरण दिया गया है:
1. रोबोट और "डांस फ्लोर"
शोधकर्ताओं ने नन्हे गोले (लगभग 2 माइक्रोमीटर चौड़े, या लगभग एक लाल रक्त कोशिका के आकार के) बनाए। प्रत्येक गोले के आधे हिस्से पर एक विशेष सामग्री की परत चढ़ाई गई थी जो प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया करती है। जब उन्होंने इन पर यूवी (UV) लाइट डाली, तो रोबलेट एक सपाट सतह पर तैरने लगे, जैसे किसी डांस फ्लोर पर नन्हे नर्तक।
उन्होंने रोबोटों की अलग-अलग संख्या का परीक्षण किया। यदि वे बहुत अधिक होते, तो रोबोट आपस में गुच्छे बनाने लगते और समूहों में चलने लगते (जैसे कि एक मोश पिट/mosh pit), जिससे व्यक्तिगत रूप से उनकी गति का अध्ययन करना कठिन हो जाता। इसलिए, उन्होंने संख्या को कम रखा ताकि वे एकल रोबोटों और अन्य, गैर-गतिमान कणों (जिन्हें ट्रेसर कहा जाता है) के बीच की अंतःक्रिया को देख सकें।
2. "टकराव और उछाल" (Bump and Jump) प्रभाव
जब एक तैरता हुआ रोबोट एक स्थिर ट्रेसर कण के पास से गुजरा, तो कुछ दिलचस्प हुआ। ट्रेसर केवल धीरे-धीरे नहीं डगमगाया; उसे एक अचानक, तेज "धक्का" लगा और वह एक महत्वपूर्ण दूरी तक उछल गया।
- उपमा: एक भीड़भाड़ वाली गैलरी की कल्पना करें। यदि कोई व्यक्ति धीरे से बगल से गुजरता है, तो आप शायद बस एक तरफ हट जाएंगे। लेकिन यदि कोई धावक तेजी से बगल से निकलता है, तो वह आपके कंधे से टकरा सकता है, जिससे आप कुछ कदम आगे लड़खड़ा सकते हैं। वह लड़खड़ाहट ही वह "उछाल" (jump) है।
- शोधकर्ताओं ने पाया कि इन उछालों ने ट्रेसरों के लिए एक अराजक (chaotic) पथ बनाया, जिससे वे अपने आप की तुलना में बहुत तेजी से चलने लगे।
3. चौंकाने वाली खोज: वे खराब मिक्सर हैं
इन "उछालों" के बावजूद, शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि ये रासायनिक रोबोट वास्तव में खराब मिक्सर हैं।
- "बड़े बनाम छोटे" की समस्या: रोबोट उन कणों को धक्का देने में अच्छे हैं जो आकार में लगभग उनके समान होते हैं। हालांकि, यदि आप बहुत छोटे कणों (जैसे छोटे अणु या नैनोकण) को मिलाने की कोशिश करते हैं जो अपनी प्राकृतिक तापीय ऊर्जा (thermal energy) के कारण पहले से ही बहुत तेजी से चलते हैं, तो रोबोट के धक्के उन्हें प्रभावित करने के लिए बहुत कमजोर होते हैं।
- रूपक: कल्पना कीजिए कि आप कॉफी का एक कप मिलाने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप एक बड़ा चम्मच (रोबोट) उपयोग करते हैं, तो आप चीनी के टुकड़े (एक बड़े कण) को आसानी से मिला सकते हैं। लेकिन यदि आप नमक के एक अकेले दाने को मिलाने की कोशिश करते जो पहले से ही बहुत तेजी से कंपन कर रहा है, तो आपके चम्मच की गति उस नमक की गति को बदलने के लिए बहुत धीमी और कमजोर होगी। नमक पहले से ही इतना तेज चल रहा है कि चम्मच उसके साथ तालमेल नहीं बिठा पाता।
4. "दीवार" का प्रभाव
रोबोट एक ठोस सतह (कंटेनर के निचले हिस्से) के बहुत करीब तैर रहे थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सतह एक मंदक (dampener) के रूप में कार्य करती है। यह उन तरल तरंगों को सोख लेती है जो रोबोट पैदा करते हैं।
- उपमा: यह एक स्विमिंग पूल के उथले हिस्से में खड़े होकर लहरें पैदा करने की कोशिश करने जैसा है। दीवार उस लहर को दूर तक फैलने से रोक देती है। इसी तरह, रोबोट का "धक्का" पूरे तरल को प्रभावी ढंग से मिलाने के लिए पर्याप्त दूर तक नहीं पहुँच पाता है।
5. निर्णय
शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि ये रासायनिक माइक्रोस्विमर्स दिलचस्प हैं और कुछ हलचल पैदा करते हैं, लेकिन हाइड्रोडायनामिक्स (द्रव गतिकी) अकेले नैनोस्केल पर चीजों को प्रभावी ढंग से मिलाने के लिए पर्याप्त नहीं है।
- वे उन चीजों को मिलाने में ठीक काम करते हैं जो पहले से ही धीमी गति से चल रही हैं और बड़ी हैं।
- वे उन चीजों को मिलाने में विफल रहते हैं जो बहुत छोटी हैं और स्वाभाविक रूप से तेज गति से चलती हैं।
लेखक सुझाव देते हैं कि यदि हम रसायनों को मिलाने या प्रदूषण को साफ करने के लिए इन नन्हे रोबोटों का उपयोग करना चाहते हैं, तो हमें संभवतः डिजाइन को बदलने की आवश्यकता है। शायद रोबोटों को अलग आकार की आवश्यकता है, या शायद उन्हें चीजों को मिलाने के लिए केवल सुचारू रूप से तैरने के बजाय बुलबुले बनाने की आवश्यकता है। लेकिन वे अभी जैसे हैं, वे वे "सुपर-मिक्सर" नहीं हैं जिनकी हमने उम्मीद की थी।
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