Elucidating the mechanism of helium evaporation from liquid water
आणविक गतिकी सिमुलेशन और एक फॉकर-प्लांक-आधारित निरंतर सिद्धांत का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन स्पष्ट करता है कि तरल जल से हीलियम का वाष्पीकरण एक सुपर-मैक्सवेलियन गतिज ऊर्जा वितरण उत्पन्न करता है जो विरूपण योग्य तरल-वाष्प इंटरफेस पर असामान्य रूप से कम घर्षण द्वारा संचालित होता है।
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हवा और पानी के मिलन की सीमा एक साधारण रेखा से कहीं अधिक है; यह एक हलचल भरा मोर्चा है जहाँ अणु लगातार आगे-पीछे आते-जाते रहते हैं, जो हमारे वायुमंडल की रसायन विज्ञान और हमारे ग्रह की जलवायु को संचालित करते हैं। जब हवा का कोई गैस अणु समुद्र में घुल जाता है, या जब कोई घुला हुआ पदार्थ वापस आकाश में निकल जाता है, तो उसे इस संक्रमण क्षेत्र से गुजरना पड़ता है। अधिकांश पदार्थों के लिए, यह यात्रा एक अनुमानित आवाजाही है, जो ऊष्मा की उस यादृच्छिक हलचल द्वारा नियंत्रित होती है जो सब कुछ थर्मल संतुलन की स्थिति में रखती है। इस संतुलित अवस्था में, बाहर निकलने वाले अणुओं की गति एक मानक पैटर्न का पालन करती है जिसे मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वितरण (Maxwell-Boltzmann distribution) कहा जाता है, जहाँ औसत गति सीधे तरल के तापमान से जुड़ी होती है। हालाँकि, प्रकृति कभी-कभी इन नियमों को तोड़ देती है, और एक विशेष गैस, हीलियम, लंबे समय से पानी छोड़ने के प्रयास में अजीब व्यवहार करती है।
शोधकर्ताओं ने लंबे समय से देखा है कि जब हीलियम तरल पानी से वाष्पित होता है, तो यह थर्मल संतुलन के मानक नियमों का पालन नहीं करता है। अपेक्षित गति के वितरण के बजाय, बाहर निकलने वाले हीलियम परमाणु आसपास के पानी के तापमान के सुझाव से कहीं अधिक गतिज ऊर्जा (kinetic energy) लेकर निकलते हैं। इस घटना को, जिसे 'सुपर-मैक्सवेलियन वितरण' (super-Maxwellian distribution) के रूप में जाना जाता है, शुद्ध पानी, नमकीन घोल और यहाँ तक कि सर्फेक्टेंट (surfactants) की उपस्थिति में भी देखा गया है, फिर भी इस अतिरिक्त गति को चलाने वाले सटीक तंत्र का पता लगाना कठिन रहा है। पिछले सिद्धांतों ने सुझाव दिया था कि एक विशिष्ट बल, जो हीलियम परमाणु के औसत ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) से प्राप्त होता है, एक दबी हुई वस्तु को मुक्त होने वाले स्प्रिंग की तरह गैस को पानी से बाहर धकेलता है। हालाँकि यह बल निश्चित रूप से मौजूद है, लेकिन यह कहानी का केवल एक हिस्सा बताता है, क्योंकि यह मान लेता है कि परमाणु अनंत रूप से धीरे चलता है और उस घर्षण (friction) को अनदेखा करता है जिसका वह चलते समय सामना करता है।
इस ऊर्जावान पलायन की पूरी कहानी को उजागर करने के लिए, लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी और यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया, बर्कले की वैज्ञानिकों की एक टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने तरल पानी का एक आभासी स्लैब (virtual slab) बनाया जिसमें हीलियम का एक एकल परमाणु था और उन्होंने गहरे तरल से ऊपर के वाष्प तक उसकी यात्रा को देखा। परमाणु की स्थिति और गति को समय के साथ ट्रैक करके, उन्होंने प्रयोगात्मक निष्कर्षों की पुष्टि की: हीलियम परमाणु वास्तव में 300 केल्विन पर 1.50 kcal/mol की औसत गतिज ऊर्जा के साथ पानी छोड़ता है, जो मानक थर्मल भौतिकी द्वारा अनुमानित मान से 0.3 kcal/mol अधिक है। शोधकर्ताओं ने फिर यह समझने की कोशिश की कि यह अतिरिक्त ऊर्जा क्यों बनी रहती है, जिसके लिए उन्होंने सरल बल गणनाओं से आगे बढ़कर परमाणु के चलते समय महसूस किए जाने वाले प्रतिरोध को भी शामिल किया।
रहस्य की कुंजी इस बात में छिपी है कि बाहर निकलने वाले हीलियम के आसपास पानी की सतह कैसे व्यवहार करती है। टीम ने एक गणितीय मॉडल विकसित किया जो वाष्पीकरण की प्रक्रिया को एक ऐसे तरल वातावरण में एक कण के रूप में मानता है जहाँ बल और प्रतिरोध दोनों बहुत कम दूरी पर तेजी से बदलते हैं। उन्होंने पाया कि वह प्रतिरोध, या घर्षण, जिसे हीलियम परमाणु महसूस करता है, पानी का घनत्व गिरने से ठीक पहले नाटकीय रूप से गिर जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तरल-वाष्प इंटरफेस एक कठोर दीवार नहीं बल्कि एक लचीली सतह है जो विकृत हो सकती है। जैसे ही हीलियम परमाणु, जो पानी से घिरे रहने से नफरत करता है, सतह के करीब आता है, पानी के अणु परमाणु के चारों ओर एक छोटी जेब या घाटी बनाने के लिए पुनर्गठित हो जाते हैं। यह विरूपण (deformation) हीलियम को एक गैस जैसा वातावरण अनुभव करने की अनुमति देता, भले ही वह तकनीकी रूप से अभी भी पानी के औसत स्तर के नीचे हो।
चूँकि हीलियम परमाणु खुद को एक गैस जैसी जेब में पाता है, इसलिए घर्षण जो उसे पीछे रोकता है, लगभग तुरंत गायब हो जाता है, इससे बहुत पहले कि वह पूरी तरह से तरल से बाहर निकल जाए। एक सामान्य परिदृश्य में, घर्षण एक ब्रेक की तरह कार्य करेगा, जो एक तेज़ गति वाले कण को धीमा कर देगा ताकि वह अपने परिवेश की औसत गति से मेल खा सके। हालाँकि, यहाँ घर्षण इतनी तेज़ी से गायब हो जाता है कि हीलियम परमाणु को कभी धीमा नहीं किया जा सकता। उसे पानी के प्रतिकर्षण बलों (repulsive forces) द्वारा बाहर धकेला जाता है लेकिन अपनी गति को कम करने के लिए उसके पास लगभग कोई प्रतिरोध नहीं होता। परिणाम यह है कि परमाणु वह अतिरिक्त ऊर्जा बनाए रखता है जो उसने अपने पलायन के दौरान प्राप्त की थी, और पानी से बाहर निकलते समय ऐसी गति से निकलता है जो उस तरल की थर्मल अपेक्षाओं को चुनौती देती है जिसे वह अभी छोड़कर आया है।
यह नई समझ शोधकर्ताओं को यह भविष्यवाणी करने की अनुमति देती है कि तापमान के साथ यह प्रक्रिया कैसे बदलती है। पानी की श्यानता (viscosity) और हीलियम को घोलने के लिए आवश्यक ऊर्जा कैसे बदलती है, इसे ध्यान में रखते हुए अपने मॉडल को समायोजित करके, उन्होंने गणना की कि वाष्पित होते हीलियम की अतिरिक्त गतिज ऊर्जा कम तापमान (लगभग 250 केल्विन) पर अपेक्षाकृत स्थिर रहनी चाहिए, और पानी के गर्म होने पर फिर से बढ़नी चाहिए। हालाँकि इस विशिष्ट तापमान निर्भरता को प्रयोगशाला में अभी तक मापा नहीं गया है, लेकिन मॉडल भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट, परीक्षण योग्य भविष्यवाणी प्रदान करता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि ट्रेस गैसों (trace gases) का वाष्पीकरण केवल एक सरल प्रसार प्रक्रिया नहीं है, बल्कि एक जटिल परस्पर क्रिया है जहाँ पानी की सतह का लचीलापन स्वयं यह निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि एक अणु कितनी तेज़ी से और कितनी ऊर्जा के साथ हवा में निकल सकता है।
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