Jamming Crossovers in a Confined Driven Polymer in Solution

एक संकीर्ण नली के भीतर पानी से भरे स्थान में तैरती हुई एक लंबी, लचीली डोरी की कल्पना करें। यह एक पॉलीमर है, जो हजारों छोटे मोतियों से बनी एक विशाल अणु संरचना है, जो हमारे कोशिकाओं के भीतर मौजूद डीएनए से लेकर हमारे दैनिक जीवन के प्लास्टिक तक, हर चीज़ में पाया जाता है। जब ऐसे अणु को उसके प्राकृतिक आकार से बहुत कम चौड़े स्थान में दबाया जाता है, तो वह वैसे नहीं सिमट सकता जैसे कि वह किसी खुले कमरे में सिमटेगा; उसे खुद को ट्यूब की लंबाई के साथ संरेखित करते हुए खींचना पड़ता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात में रुचि रखते रहे हैं कि ये अणु कैसा व्यवहार करते हैं जब वे केवल स्थिर नहीं होते, बल्कि उन्हें सक्रिय रूप से धकेला या खींचा जा रहा होता है। इस गति को समझना जीव विज्ञान से लेकर तकनीक तक के क्षेत्रों में महत्वपूर्ण है, जहाँ कोशिकाओं को आनुवंशिक सामग्री को पैक और अनपैक करना होता है, और जहाँ शोधकर्ता डीएनए को अनुक्रमित करने के लिए आकार के आधार पर अणुओं को छाँटने का प्रयास करते हैं। केंद्रीय प्रश्न यह है: जब एक ठोस वस्तु एक तंग चैनल के माध्यम से एक पॉलीमर को अलग-अलग गति से धकेलती है, तो पॉलीमर के आकार और गति पर क्या प्रभाव पड़ता है?

वेस्टर्न ओंटारियो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक वर्गाकार चैनल के भीतर एक एकल पॉलीमर श्रृंखला का विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाकर इसका उत्तर देने का प्रयास किया। उन्होंने श्रृंखला के एक छोर पर एक बड़ा, ठोस गोला रखा और उसे आगे की ओर धकेला, जो एक पाइप के माध्यम से डोरी को चलाने वाले पिस्टन की नकल कर रहा था। चैनल 25 नैनोमीटर चौड़ा था, और पॉलीमर में 255 मोती थे। सिमुलेशन को यथासंभव यथार्थवादी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने श्रृंखला के चारों ओर के तरल पदार्थ को भी शामिल किया, जिससे पानी मोतियों और गोले के चारों ओर बह सके, जिससे जटिल धाराएं और प्रतिरोध उत्पन्न हो सके। उन्होंने मोतियों के बीच दो अलग-अलग प्रकार के इंटरैक्शन का परीक्षण किया: एक जहाँ मोती एक-दूसरे को चुंबक के समान प्रतिकर्षित करते थे, और दूसरा जहाँ उनमें बहुत हल्का आकर्षण था, जैसा कि कुछ अणु आपस में कमजोर रूप से चिपकते हैं। धकेलने वाले गोले की गति को एक विस्तृत सीमा में बदलकर, उन्होंने देखा कि श्रृंखला ने कैसे प्रतिक्रिया दी, और विशेष रूप से यह देखा कि मोती कितने घने हुए और वे कितना इधर-उधर हुए।

बहुत धीमी गति पर, पॉलीमर वैसा ही व्यवहार करता था जैसा कि वह स्वतंत्र रूप से तैरते समय करता। मोती एक यादृच्छिक, झटकेदार तरीके से इधर-उधर घूम रहे थे, और श्रृंखला ने अपनी पूरी लंबाई में एक अपेक्षाकृत समान घनत्व बनाए रखा। हालाँकि, जैसे ही गोला तेज़ गति से चलने लगा, एक नाटकीय परिवर्तन हुआ। एक बार जब गति एक विशिष्ट सीमा को पार कर गई, तो श्रृंखला का व्यवहार दो अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित हो गया। श्रृंखला का पिछला हिस्सा, जो धकेलने वाले गोले के ठीक बगल में था, अचानक अत्यंत भीड़भाड़ वाला हो गया। मोती आपस में बहुत कसकर पैक हो गए, और बहुत कम हिले, मानो वे एक ठोस ब्लॉक में जम गए हों। इसके विपरीत, श्रृंखला का अगला हिस्सा, जो गोले से काफी आगे था, ढीला और फैला हुआ रहा, जहाँ मोती स्वतंत्र रूप से और तेजी से घूम रहे थे। इसने एक अजीब, दो-भाग वाली स्थिति बनाई जहाँ एक ही अणु के साथ एक सघन, जाम क्षेत्र और एक ढीला, तरल क्षेत्र सह-अस्तित्व में थे।

शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विभाजन तब भी हुआ चाहे मोती एक-दूसरे को प्रतिकर्षित कर रहे हों या थोड़ा आकर्षित कर रहे हों। चाहे मोती एक-दूसरे को दूर धकेल रहे हों या एक साथ खींच रहे हों, इस दो-अवस्था वाली स्थिति में संक्रमण लगभग उसी गति पर हुआ। इस अवलोकन ने वैज्ञानिकों को यह निष्कर्ष निकालने के ओर प्रेरित किया कि यह परिवर्तन मोतियों की रासायनिक प्रकृति या किसी पदार्थ के चरण परिवर्तन (जैसे पानी का बर्फ बनना) के कारण नहीं था। इसके बजाय, यह परिवर्तन पूरी तरह से गतिशील था, जो धकेलने की गति से संचालित था। जब गोला धीरे चल रहा था, तो मोतियों के पास रास्ते से हटने और फैलने के लिए पर्याप्त समय था। लेकिन जब गोला पर्याप्त तेज़ गति से चला, तो मोती इतनी जल्दी रास्ता नहीं बना सके। वे गोले के विरुद्ध जमा हो गए, जिससे एक ट्रैफिक जाम जैसी स्थिति बन गई जहाँ मोती अपने पड़ोसियों द्वारा फंसा दिए गए थे और स्वतंत्र रूप से हिलने में असमर्थ थे।

इस जाम के भीतर वास्तव में क्या हो रहा था, इसे समझने के लिए टीम ने श्रृंखला के मुड़ने (फोल्डिंग) का बारीकी से अध्ययन किया। कम गति पर, श्रृंखला ने छोटे, अस्थायी मोड़ (किंक्स) बनाए जो जल्दी से प्रकट होते और गायब हो जाते थे। लेकिन जैसे ही गति सीमा पार कर गई, ये मोड़ बड़े, अधिक स्थायी फोल्ड्स में बदल गए। श्रृंखला अपने आप में वापस मुड़ने लगी, जिससे एक ही छोटे स्थान में लूप और समानांतर स्ट्रैंड्स बनने लगे। इन फोल्ड्स ने मोतियों को और भी कसकर पैक करने के एक तंत्र के रूप में कार्य किया, जिससे सघन क्षेत्र का निर्माण संभव हुआ। दिलचस्प बात यह है कि भले ही श्रृंखला सिमटी हुई और मुड़ी हुई थी, शोधकर्ताओं को गांठों (नॉट्स) का कोई प्रमाण नहीं मिला। श्रृंखला मुड़ी और घूमी, लेकिन वह कभी ऐसी गांठ में नहीं उलझी जिसे खोला न जा सके। यह सुझाव देता है कि जैमिंग प्रभाव श्रृंखला के जटिल गांठों के निर्माण के कारण नहीं, बल्कि भौतिक भीड़ और फोल्डिंग के कारण है।

अध्ययन ने अन्य सिमुलेशन के साथ भी अपने परिणामों की तुलना की जिनमें मोतियों के आसपास तरल पदार्थ की गति को शामिल नहीं किया गया था। उन सरल मॉडलों में, जहाँ तरल को एक स्थिर पृष्ठभूमि के रूप में माना गया था, परिणाम अलग थे, और कभी-कभी उच्च गति पर गांठें बनती देखी गईं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने तरल के वास्तविक प्रवाह को शामिल किया, तो व्यवहार बदल गया और गांठें नहीं बनीं। यह तरल की गति के महत्व को रेखांकित करता है: गोला अपने आगे के पानी को धकेलता है, और श्रृंखला पानी को वापस धकेलती है, जिससे एक जटिल प्रवाह बनता है जो श्रृंखला को बिना उलझे रखने में मदद करता है जबकि उसे संकुचित किया जा रहा होता है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि संकीर्ण चैनलों में पॉलीमर की जैमिंग एक मजबूत घटना है जो अणु के विशिष्ट रासायनिक विवरणों के बजाय गति और सीमित स्थान (कन्फाइनमेंट) पर निर्भर करती है।

अंततः, यह शोध प्रकट करता है कि एक संकीर्ण चैनल में पॉलीमर केवल समान रूप से संकुचित नहीं होता है। इसके बजाय, यह एक तीव्र संक्रमण से गुजरता है जहाँ यह एक सघन, जाम पूंछ और एक ढीले, बहते हुए सिर में विभाजित हो जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि धकेलने की गति मोतियों के प्रसार (डिफ्यूजन) और पुनर्गठन की क्षमता पर हावी हो जाती है। सघन क्षेत्र की विशेषता यह है कि मोती अपने पड़ोसियों द्वारा कसकर घेरे गए होते हैं, और बहुत कम हिलते हैं, जबकि ढीला क्षेत्र तरल और सक्रिय रहता है। प्रतिकर्षित और आकर्षित दोनों प्रकार के मोतियों के साथ सिमुलेशन में देखे गए इस व्यवहार से पता चलता है कि यह एक मौलिक गतिशील सीमा है जहाँ श्रृंखला की गति उस बल द्वारा निर्धारित होती है जो उस पर लगाया जा रहा है। यह कार्य एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि दबाव के तहत जटिल अणु कैसे व्यवहार करते हैं, जो सूक्ष्म चैनलों में डीएनए और अन्य जैविक अणुओं को छाँटने और विश्लेषण करने वाली तकनीकों को बेहतर बनाने के लिए अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकता है।