Unravelling the multiscale surface mechanics of soft solids
एक सिलिकॉन जेल के इंटरफेस के पास विस्थापन क्षेत्रों (displacement fields) को मापकर, यह अध्ययन नरम बहुलक सतहों (soft polymeric surfaces) की एक मौलिक बहु-स्तरीय प्रकृति को प्रकट करता है, जो एक ऐसे शियर मॉड्यूलस (shear modulus) द्वारा अभिलक्षित है जो इंटरफेस के पास घटता है और एक इतिहास-निर्भर सतह अतिरिक्त लोच (history-dependent surface excess elasticity) द्वारा भी अभिलक्षित है, जो मौजूदा आणविक-स्तर के सिद्धांतों को चुनौती देता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक नरम, लचीले जेल की कल्पना करें—जैसे कि बहुत नरम जेली या सिलिकॉन रबर—जो नन्हे, उलझे हुए रबर बैंड से बनी एक विशाल, अदृश्य ट्रैम्पोलिन (trampoline) की तरह है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात पर बहस कर रहे हैं कि जब आप इस ट्रैम्पोलिन को धकेलते या खींचते हैं, तो इसके बिल्कुल ऊपरी सतह पर क्या होता है।
पुराना सिद्धांत ऐसा था: यदि आपके पास एक आदर्श ट्रैम्पोलिन है, तो उसके बिल्कुल किनारे के रबर बैंड भी ठीक वैसे ही व्यवहार करने चाहिए जैसे बीच के रबर बैंड करते हैं। आप ट्रैम्पोलिन को कितना भी खींचें, सतह पूरे हिस्से का एक निर्बाध हिस्सा ही रहनी चाहिए।
लेकिन यह नया अध्ययन कहता है, "इतनी जल्दी नहीं।" शोधकर्ताओं ने पाया कि सॉफ्ट जेल की सतह वास्तव में इसके अंदरूनी हिस्से से एक अलग दुनिया है, जो दो आश्चर्यजनक तरीकों से व्यवहार करती है जो इस बात पर निर्भर करता है कि आप इसे कितने बड़े स्तर पर देख रहे हैं और यह किससे छू रहा है।
1. "नरमी" का क्षेत्र (20-माइक्रोन ग्रेडिएंट)
सबसे पहले, शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे आप सतह के करीब पहुँचते हैं, जेल कितना सख्त होता जाता है। उन्होंने पाया कि जेल एक समान नहीं है।
उपमा: ब्रेड के एक लोफ (loaf) की कल्पना करें। इसकी ऊपरी परत (crust) इसके नरम केंद्र से थोड़ी अलग हो सकती है। इस जेल में, वह "परत" लगभग 20 माइक्रोन मोटी है (जो कि एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर है)। जैसे-जैसे आप सतह के करीब पहुँचते हैं, जेल अंदरूनी सामग्री की तुलना में दोगुना नरम हो जाता है।
यह ऐसा है जैसे आपके पास एक स्पंज हो जो नीचे से सख्त है लेकिन ऊपर से कुछ मिलीमीटर दूर होते ही एक मुलायम बादल में बदल जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि वे रासायनिक "गाँठें" (crosslinks) जो जेल को एक साथ थामे रखती हैं, उनका वितरण अलग है, जो संभवतः निर्माण के दौरान सतह के पास हवा द्वारा रासायनिक प्रतिक्रिया को रोकने के कारण हुआ है।
2. "जादुई त्वचा" (सतह की लोच)
दूसरी खोज और भी अजीब है। शोधकर्ताओं ने जेल पर ग्लिसरॉल (एक गाढ़ा, सिरप जैसा तरल) की एक बूंद डाली और देखा कि सतह ने कैसे प्रतिक्रिया दी। उन्होंने पाया कि सतह खुद एक ऐसी "त्वचा" की तरह व्यवहार करती है जिसकी अपनी कठोरता है, जो नीचे के जेल से पूरी तरह अलग है।
उपमा: जेल की सतह को कपड़े के एक टुकड़े की तरह समझें।
- जब हवा को छूता है: कपड़ा ढीला और लचीला होता है। यदि आप इसे खींचते हैं, तो यह सामान्य तरल की तरह बस खिंच जाता है। इसमें लगभग कोई "त्वचा की कठोरता" नहीं होती।
- जब ग्लिसरल को छूता है: अचानक, कपड़ा एक ड्रम की झिल्ली की तरह टाइट और रबर जैसा हो जाता है। यह नीचे के तरल की तुलना में बहुत अधिक प्रतिरोध करता है।
शोधकर्ता इसे "सतह की अतिरिक्त लोच" (surface excess elasticity) कहते हैं। ऐसा लगता है जैसे सतह ने सिरप को छूते ही एक सुपरपावर प्राप्त कर ली हो। यह "त्वचा" की कठोरता इस बात पर निर्भर करती है कि जेल क्या छू रहा है (ग्लिसरॉल बनाम हवा) और यहाँ तक कि इसके इतिहास पर भी (जैसे कि यदि एक बूंद अभी रखी गई थी और फिर उसे हटाया गया था)।
3. सतह में "जंप" (छलांग)
जब उन्होंने सतह को अत्यंत सूक्ष्मता से देखा, तो उन्होंने सतह के हिलने के तरीके में अंदरूनी हिस्से की तुलना में एक छोटा सा "जंप" या अंतर देखा।
उपमा: लोगों की एक भीड़ (जेल के अणु) की कल्पना करें जो एक-दूसरे का हाथ पकड़े हुए है। यदि आप बीच के लोगों को खींचते हैं, तो सभी लोग एक साथ सुचारू रूप से चलते हैं। लेकिन बिल्कुल किनारे पर, जहाँ ग्लिसरॉल स्पर्श करता है, सबसे आगे के लोग बाकी भीड़ के साथ तालमेल बिठाने से पहले एक बहुत मामूली सा "फिसलते" या "जंप" करते हैं (लग लगभग 10 नैनोमीटर, जो अविश्वसनीय रूप से छोटा है)।
यह छोटा सा जंप ही उस अतिरिक्त "त्वचा की कठोरता" को पैदा करता है। शोधकर्ताओं ने यह स्पष्ट किया कि यह केवल प्रकाश का भ्रम या तरल का बहाव नहीं था; यह एक वास्तविक भौतिक परिवर्तन है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है?
पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि सॉफ्ट सॉलिड्स (soft solids) सरल, एकसमान सामग्रियां नहीं हैं। वे बहु-स्तरीय (multiscale) हैं।
- एक बड़ा स्तर (20 माइक्रोन) है जहाँ सतह के पास सामग्री नरम हो जाती है।
- एक अत्यंत सूक्ष्म स्तर (एक माइक्रोन से भी छोटा) है जहाँ सतह एक अलग, खिंचाव वाली त्वचा की तरह व्यवहार करती है।
इसका अर्थ यह है कि यदि आप यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि सॉफ्ट सामग्रियां कैसे काम करती हैं—चाहे रोबोटिक्स, मेडिकल डिवाइस के लिए हो या प्रकृति को समझने के लिए—तो आप उन्हें केवल एक समान ब्लॉक मानकर नहीं चल सकते। आपको यह ध्यान रखना होगा कि सामग्री की "त्वचा" उसके नीचे की "मांसपेशी" से बिल्कुल अलग है, और यह त्वचा इस बात पर बदल जाती है कि वह क्या छू रही है।
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