Reversal in Thermally Driven Rotation of Chiral Liquid Crystal Droplets

ऊष्मा को अक्सर केवल एक ऐसी चीज़ के रूप में सोचा जाता है जो कमरे को गर्म करती है या भोजन पकाती है, ऊर्जा का एक ऐसा रूप जो क्षय होता है और लुप्त हो जाता है। फिर भी, कुछ तरल पदार्थों की सूक्ष्म दुनिया में, ऊष्मा को कुछ बहुत अधिक आश्चर्यजनक करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है: यह चीजों को घुमा सकती है। यह घटना काइरल लिक्विड क्रिस्टल (chiral liquid crystals) नामक पदार्थों के एक विशेष वर्ग पर निर्भर करती है। ये ऐसे पदार्थ हैं जो तरल की तरह बहते हैं लेकिन उनकी अणुओं की व्यवस्था एक विशिष्ट, व्यवस्थित तरीके से होती है, ठीक वैसे ही जैसे लोगों की एक भीड़ जो सभी एक ही दिशा में देख रही हो। जब ये अणु "काइरल" होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें बाएं या दाएं हाथ की तरह एक विशिष्ट 'हाथों वालापन' (handedness) होता है, तो वे प्रकृति में एक मौलिक समरूपता (symmetry) को तोड़ देते है। यह टूटी हुई समरूपता एक साधारण तापमान अंतर—एक ग्रेडिएंट जहाँ एक तरफ दूसरी तरफ की तुलना में अधिक गर्मी होती है—को एक घुमावदार बल उत्पन्न करने की अनुमति देती है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि यह ऊष्मा एक निरंतर घूर्णन को संचालित कर सकती है, इस प्रक्रिया का नाम उस भौतिक विज्ञानी के नाम पर रखा गया है जिन्होंने इसे सबसे पहले देखा था, लेहमैन (Lehmann)। कम-श्रेणी की अपशिष्ट ऊष्मा को सीधे यांत्रिक गति में बदलने की यह क्षमता उन नन्हे, स्व-संचालित मशीनों को बनाने का एक लुभावना वादा पेश करती है जो बिना बैटरी या जटिल बाहरी नियंत्रणों के काम कर सकें।

हालाँकि, एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनसुलझा रह गया था: इस स्पिन की दिशा को वास्तव में क्या नियंत्रित करता है? पारंपरिक धारणा यह थी कि दिशा अणुओं के स्वयं के "हाथों वालेपन" या ऊष्मा प्रवाह की दिशा द्वारा निर्धारित होती है। यदि अणु बाएं हाथ के थे, तो बूंद एक दिशा में घूमती; यदि दाएं हाथ के थे, तो दूसरी दिशा में। विचार यह था कि ऊष्मा बस अणुओं को एक अनुमानित, अपरिवली दिशा में धकेलती है। लेकिन एक हालिया अध्ययन ने इस धारणा को उलट दिया है, जिससे एक बहुत अधिक जटिल और ट्यूनेबल वास्तविकता का पता चला है। शोधकर्ताओं ने पाया है कि इन लिक्विड क्रिस्टल बूंदों में घूर्णन की दिशा बिल्कुल भी स्थिर नहीं है। इसके बजाय, इसे बूंद के आकार या परिवेश के तापमान को बदलकर बदला जा सकता है, भले ही अणु और ऊष्मा स्रोत बिल्कुल समान रहें।

वासेदा विश्वविद्यालय और हिरोशिमा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के नेतृत्व वाली टीम ने ग्लिसरॉल, एक गाढ़े, स्पष्ट तरल में निलंबित काइरल लिक्विड क्रिस्टल मिश्रण की छोटी बूंदों का उपयोग करके इस व्यवहार का पता लगाने का प्रयास किया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के लिक्विड क्रिस्टल को चुना जिसे 5CB, 6CB, या 7CB के रूप में जाना जाता है, जो डिस्प्ले तकनीक में सामान्य सामग्रियां हैं, और इसमें एक छोटा सा काइरल डोपेंट मिलाया गया ताकि उन्हें उनका हाथों वालापन मिल सके। यह सुनिश्चित करने के लिए कि बूंदें कांच के कंटेनर से चिपके बिना स्वतंत्र रूप से घूम सकें, उन्होंने कांच की सतहों को अत्यधिक जल-प्रेमी, या हाइड्रोफिलिक (hydrophilic) बनाया, जबकि लिक्विड क्रिस्टल की बूंदें हाइड्रोफोबिक (hydrophobic) रहीं। इस सेटअप ने बूंदों को कंटेनर के ऊपरी हिस्से में तैरने दिया, जिससे वे कांच को केवल एक बिंदु पर छूती थीं, जिससे वे प्रभावी रूप से हवा में तैरती (levitate) रहती थीं। कंटेनर के ऊपरी हिस्से को गर्म करके और निचले हिस्से को ठंडा करके, उन्होंने एक स्थिर, ऊर्ध्वाधर तापमान ग्रेडिएंट बनाया।

जब उन्होंने सूक्ष्मदर्शी के नीचे इन तैरती हुई बूंदों का अवलोकन किया, तो उन्होंने कुछ अप्रत्याशित देखा। बूंदें लगातार घूमने लगीं, जो केवल तापमान के अंतर से संचालित थीं। यह पुष्टि करने के लिए कि यह वास्तव में पूरी बूंद का वास्तविक घूर्णन है न कि केवल तरल का अंदरूनी भंवर या कोई सतही प्रभाव, शोधकर्ताओं ने तरल में छोटे प्लास्टिक कण मिलाए। उन्होंने देखा कि कण बूंद की सतह के साथ चल रहे थे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि पूरी बूंद एक ठोस वस्तु के रूप में घूम रही थी। इसने पुष्टि की कि ऊष्मा सीधे यांत्रिक कार्य में परिवर्तित हो रही थी।

असली आश्चर्य तब आया जब शोधकर्ताओं ने बूंदों के आकार में भिन्नता की। उन्होंने पाया कि घूर्णन की दिशा पूरी तरह से बूंद की त्रिज्या (radius) पर निर्भर करती है। बड़ी बूंदें एक दिशा में घूमती थीं, जबकि छोटी बूंदें ठीक विपरीत दिशा में घूमती थीं। एक विशिष्ट "स्विचिंग रेडियस" (switching radius) था जहाँ घूर्णन रुक जाता था और फिर विपरीत दिशा में हो जाता था। उनके द्वारा परीक्षण की गई सामग्रियों के लिए, यह महत्वपूर्ण आकार लगभग 10 माइक्रोमीटर था। इससे थोड़ा बड़ा बूंद काउंटर-क्लॉकवाइज (घड़ी की विपरीत दिशा में) घूमता, जबकि इससे थोड़ा छोटा क्लॉकवाइज (घड़ी की दिशा में) घूमता। यह बदलाव तब भी हुआ जब अणु भीतर समान थे और तापमान ग्रेडिएंट अपरिवर्तित था।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि जब उन्होंने पूरे सिस्टम के तापमान को बदला तो क्या हुआ। उन्होंने पाया कि परिवेश को गर्म या ठंडा करके घूर्णन की दिशा को बदला जा सकता है, बशर्ते बूंद उस महत्वपूर्ण स्विचिंग आकार के करीब हो। तापमान पर यह निर्भरता अणुओं के "क्रम" (order) से जुड़ी थी। लिक्विड क्रिस्टल में, अणु पूरी तरह से संरेखित नहीं होते हैं; उनके पास संरेखण का एक स्तर होता जिसे स्केलर ऑर्डर पैरामीटर (scalar order parameter) कहा जाता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, तापीय उत्तेजना के कारण अणु कम व्यवस्थित होते जाते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि आणविक क्रम में यह परिवर्तन आंतरिक बलों को बदल देता है, जो अंततः घुमावदार बल के चिह्न को बदल देता है और स्पिन को उलट देता है।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों होता है, टीम ने बूंदों की आंतरिक संरचना का अध्ययन किया। बूंदें एकसमान नहीं होती हैं; उनमें एक केंद्रीय दोष (defect), या एक ऐसी रेखा होती है जहाँ आणविक क्रम टूट जाता है, के साथ अणुओं की एक जटिल व्यवस्था होती है। शोधकर्ताओं ने प्रस्तावित किया कि ऊष्मा बूंद के भीतर दो प्रतिस्पर्धी घुमावदार बल उत्पन्न करती है। एक बल लिक्विड क्रिस्टल के बल्क (bulk) से आता है, यानी बूंद के मुख्य भाग से, जबकि दूसरा बल केंद्रीय दोष रेखा से आता है। ये दोनों बल विपरीत दिशाओं में कार्य करते हैं। एक बड़ी बूंद में, बल्क आयतन प्रभावी होता है, इसलिए मुख्य भाग से आने वाला बल जीत जाता है, और बूंद एक दिशा में घूमती है। एक छोटी बूंद में, केंद्रीय दोष रेखा आयतन का एक बड़ा हिस्सा लेती है, इसलिए उसका विरोधी बल जीत जाता है, और बूंद दूसरी दिशा में घूमती है। तापमान आणविक संरेखण को बदलकर इन बलों की शक्ति को बदल देता है, जिससे संतुलन बदल जाता है और रिवर्सल (reversal) होता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि क्या अन्य सिद्धांत इस व्यवहार की व्याख्या कर सकते हैं। उन्होंने अकोप्यान-ज़ेल्डोविच प्रभाव (Akopyan–Zel'dovich effect) नामक एक अवधारणा की जांच की, जो बताता है कि आणविक अभिविन्यास के ग्रेडिएंट घूर्णन को संचालित कर सकते हैं। हालाँकि, उनके विश्लेषण ने दिखाया कि यह प्रभाव देखे गए रिवर्सल की व्याख्या नहीं कर सकता है और वास्तव में, इन परिस्थितियों में ऊष्मागतिकी (thermodynamics) के नियमों द्वारा वर्जित हो सकता है। इसके बजाय, डेटा ने पारंपरिक लेस्ली प्रभाव (Leslie effect) के एक विस्तारित संस्करण का पुरजोर समर्थन किया, जो बताता है कि ऊष्मा काइरल तरल पदार्थों में टॉर्क (torque) कैसे उत्पन्न करती है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह थी कि इस टॉर्क की शक्ति और दिशा निश्चित स्थिरांक नहीं हैं बल्कि स्केलर ऑर्डर पैरामीटर पर निर्भर करती हैं। जैसे-जैसे तापमान के साथ आणविक क्रम बदलता है, ऊष्मा और गति के बीच का जुड़ाव बदल जाता है, जिससे घूर्णन की दिशा को नियंत्रित करना संभव हो जाता है।

यह खोज वैज्ञानिकों के सोचने के तरीके को बदल देती है कि सॉफ्ट मैटेरियल्स में ऊष्मा और गति के बीच क्या संबंध है। पहले, थर्मोमैकेनिकल कपलिंग को एक निश्चित गुण के रूप में देखा जाता था, जो सामग्री की रासायनिक संरचना और आणिक हाथों वालेपन द्वारा निर्धारित होता था। यह अध्ययन दिखाता है कि यह वास्तव में एक उभरता हुआ गुण (emergent property) है जो सामग्री की अवस्था पर निर्भर करता है। बूंद के आकार या परिवेश के तापमान को नियंत्रित करके, आप सामग्री को बदले बिना घूर्णन की दिशा को नियंत्रित कर सकते हैं। यह सुझाव देता है कि स्केलर ऑर्डर पैरामीटर—आणविक संरेखण की डिग्री—केवल सामग्री की स्थिति का एक निष्क्रिय विवरण नहीं है, बल्कि एक सक्रिय डिज़ाइन पैरामीटर है। इसका उपयोग सॉफ्ट मैटेरियल्स के व्यवहार को प्रोग्राम करने के लिए किया जा सकता है, जिससे ऐसे सूक्ष्म-मशीनें बनाई जा सकती हैं जो अपने परिवेश के जवाब में अपनी गति बदल सकें।

इस निष्कर्ष के निहितार्थ प्रयोगशाला से परे हैं। यह कम-श्रेणी की तापीय ऊर्जा प्राप्त करने के लिए एक नया ढांचा प्रदान करता है, जो हमारे पर्यावरण में प्रचुर मात्रा में है लेकिन उपयोग करने में कठिन है। ऐसी सॉफ्ट सामग्रियों को डिजाइन करके जो तापमान के सूक्ष्म अंतर को नियंत्रित यांत्रिक गति में बदल सकती हैं, स्वायत्त सूक्ष्म-एक्टुएटर्स (micro-actuators) या परिवहन प्रणालियाँ बनाना संभव हो सकता है जो बिना किसी बाहरी शक्ति स्रोत के काम करती हैं। तापमान या आकार को समायोजित करके गति की दिशा को बदलने की क्षमता उन अनुकूलन योग्य प्रणालियों के लिए नई संभावनाएं खोलती है जो अपने परिवेश के प्रति प्रतिक्रिया दे सकती हैं। अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ऊष्मा-चालित गति का भौतिकी पहले की तुलना में कहीं अधिक समृद्ध और नियंत्रणीय है, जो एक साधारण तापमान ग्रेडिएंट को सॉफ्ट रोबोटिक्स और ऊर्जा रूपांतरण के भविष्य के लिए एक बहुमुखी उपकरण में बदल देता है।