Looking at bare transport coefficients in fluctuating hydrodynamics
यह शोध पत्र दो-आयामी सघन तरल पदार्थों में अदृश्य 'बेयर शियर विस्कोसिटी' (bare shear viscosity) को निर्धारित करने के लिए एक परिचालन विधि का प्रस्ताव और सत्यापन करता है, जो ठोस सीमाओं के पास श्यानता को मापकर किया जाता है जहाँ हाइड्रोडायनामिक उतार-चढ़ाव को दबा दिया जाता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि उतार-चढ़ाव वाली हाइड्रोडायनामिक्स परमाणु स्तर तक तरल व्यवहार का सटीक वर्णन करती है।
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तरल पदार्थ हर जगह मौजूद हैं, उस हवा से लेकर जिसे हम सांस के रूप में लेते हैं, उन नदियों के पानी तक जो हमारे बीच बहती हैं, फिर भी उनका व्यवहार इस बात पर निर्भर करता है कि हम उन्हें कितनी बारीकी से देखते हैं। एक बड़े पैमाने पर, जैसे कि किसी पुल के चारों ओर बहती नदी, पानी अनुमानित और सुचारू पैटर्न में चलता है जिसे इंजीनियर मानक समीकरणों के साथ गणना कर सकते हैं। हालांकि, यदि हम व्यक्तिगत अणुओं के आकार तक सिकुड़ सकें, तो तस्वीर अराजक हो जाती है। तरल पदार्थ एक चिकनी चादर नहीं है, बल्कि कणों की एक उन्मत्त भीड़ है जो आपस में टकरा रहे हैं, जिससे सूक्ष्म, यादृच्छिक हलचल पैदा होती है जिसे थर्मल फ्लक्चुएशन (तापीय उतार-चढ़ाव) कहा जाता है। ये सूक्ष्म हलचलें केवल शोर नहीं हैं; वे सक्रिय रूप से बड़े पैमाने पर तरल के व्यवहार को बदलते हैं, प्रभावी रूप से इसे उन तरीकों से गाढ़ा या पतला करते हैं जिन्हें मानक समीकरण नहीं देख सकते। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि ये उतार-चढ़ाव मौजूद हैं, लेकिन वे तरल के वास्तविक, अंतर्निहित प्रतिरोध और इन यादृच्छिक आणविक नृत्यों द्वारा जोड़े गए अतिरिक्त प्रतिरोध को अलग करने के लिए संघर्ष करते रहे हैं। बिना अंतर्निहित मान को जाने, तरल व्यवहार के सटीक मॉडल बनाना कठिन है, विशेष रूप से उन्नत सामग्रियों या जैविक कोशिकाओं जैसे बहुत छोटे सिस्टम में।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर्निहित प्रतिरोध को खोजने का एक तरीका ढूंढ लिया है, जिसे वे "बेयर" (bare) श्यानता (viscosity) कहते हैं, और यह देखने के लिए कि तरल कहाँ एक ठोस दीवार से मिलता है। एक तरल के खुले स्थान में, अणुओं के यादृच्छिक उतार-चढ़ाव लंबी दूरी तक एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे एक फीडबैक लूप बनता है जो तरल को उसके वास्तविक स्वरूप से अधिक चिपचिपा दिखाता है। यह प्रभाव तब और मजबूत हो जाता है जब कंटेनर बड़ा होता जाता है, जिससे एक बड़े टैंक के बीच में वास्तविक मान को मापना असंभव हो जाता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि एक ठोस सीमा के पास, यह लंबी दूरी की परस्पर क्रिया टूट जाती है। जब तरल के अणु एक दीवार से टकराते हैं, तो वे बिखर जाते हैं, और जो संवेग (momentum) आमतौर पर तरल के माध्यम से दूर तक यात्रा करता है, वह ठोस सतह द्वारा अवशोषित या पुनर्निर्देशित कर दिया जाता है। यह बिखराव लंबी दूरी के उतार-चढ़ाव को दबा देता है, जिससे उस शोर को शांत कर दिया जाता है जो आमतौर पर तरल के वास्तविक स्वरूप को छिपा देता है। अपनी ध्यान केंद्रित करने के लिए शोधकर्ताओं ने दीवार के ठीक बगल में तरल की पतली परत पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ उन्होंने पाया कि तरल बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसे कि वह उन लंबी दूरी के उतार-चढ़ाव के प्रभाव से मुक्त हो, जिससे अंतर्निहित प्रतिरोध सीधे प्रकट होता है।
इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके दो समानांतर दीवारों के बीच सीमित लाखों कणों से बने एक आभासी तरल का निर्माण किया। उन्होंने दीवारों को गति दी, जिससे तरल एक स्थिर धारा के साथ खिंचने लगा, और फिर उन्होंने दीवार से विभिन्न दूरियों पर तरल की प्रतिक्रिया को मापा। चैनल के बीच में, चैनल के चौड़ा होने के साथ तरल का प्रतिरोध बढ़ता गया, जो लंबी दूरी के उतार-चढ़ाव के अपेक्षित प्रभाव की पुष्टि करता है। हालांकि, जैसे ही उन्होंने अपने माप को दीवारों के करीब ले जाया, यह अतिरिक्त प्रतिरोध गायब हो गया। दीवार के ठीक बगल में स्थित तरल ने एक स्थिर, अपरिवर्तित प्रतिरोध दिखाया जो उस अंतर्निहित मान से मेल खाता था जिसे शोधकर्ताओं ने सिमुलेशन में प्रोग्राम किया था। इसने पुष्टि की कि दीवार एक फिल्टर के रूप में कार्य करती है, जो अराजक आणविक नृत्य के प्रभावों को हटा देती है और केवल तरल के मौलिक गुण को शेष छोड़ देती है।
इस तंत्र को समझने के बाद, टीम ने वास्तविक आणविक सिमुलेशन में इस अंतर्निहित मान को खोजने के लिए एक व्यावहारिक तरीका विकसित किया। कंटेनर के बीच में तरल को मापने के बजाय, उन्होंने दीवार के पास प्रवाह प्रोफाइल को मापा और उसकी सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के साथ तुलना की। उन्होंने पाया कि दीवार वाले क्षेत्र के डेटा को अपने मॉडलों के साथ फिट करके, वे उच्च सटीकता के साथ अंतर्निहित श्यानता निकाल सकते हैं। उन्होंने विभिन्न प्रकार की आणविक अंतःक्रियाओं वाले तरल पदार्थों पर इस पद्धति का परीक्षण किया और पाया कि निकाला गया मान कणों के विशिष्ट विवरणों के बावजूद सुसंगत बना रहा। यह सिद्ध करने के लिए कि यह मान सामग्री का एक वास्तविक गुण था न कि केवल दीवार का एक प्रभाव, उन्होंने इसका उपयोग यह भविष्यवाणी करने के लिए किया कि तरल दूसरे सेटअप में कैसे व्यवहार करेगा: एक ऐसा प्रवाह जो स्थिर दीवारों वाले चैनल के माध्यम से तरल को धकेलने वाले बल द्वारा संचालित होता है। दीवार-मापे गए मान पर आधारित भविष्यवाणियां सिमुलेशन परिणामों से पूरी तरह मेल खाती थीं, जबकि बल्क (bulk), उतार-चढ़ाव वाले मान पर आधारित भविष्यवाणियां विफल रहीं। इसने प्रदर्शित किया कि उनके द्वारा पाया गया अंतर्निहित मान तरल का एक विश्वसनीय, मौलिक स्थिरांक था।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि तरल को देखने के लिए उपयोग किए जाने वाले "पिक्सेल" का आकार माप को कैसे प्रभावित करता है। अपने मॉडलों में, शोधकर्ता अवलोकन की वह रिज़ॉल्यूशन बदल सकते थे जिस पर वे तरल को देखते हैं, जो एक डिजिटल छवि को ज़ूम इन या ज़ूम आउट करने के समान है। उन्होंने पाया कि उनके द्वारा मापी गई अंतर्निहित श्यानता इस रिज़ॉल्यूशन के आधार पर थोड़ा बदल जाती है, जो गणितीय रूप से इस तरह से व्यवहार करती है जैसे क्वांटम भौतिकी में विभिन्न पैमानों पर देखे जाने पर भौतिक नियम बदलते हैं। हालांकि, उन्होंने पाया कि यदि वे रिज़ॉल्यूशन को तरल के अणुओं के वास्तविक आकार के अनुरूप सेट करते हैं, तो मान स्थिर हो जाता है। यह सुझाव देता है कि अंतर्निहित श्यानता एक अच्छी तरह से परिभाषित संपत्ति है जो परमाणुओं के पैमाने पर मौजूद होती है, न कि केवल एक अमूर्त अवधारणा जो बड़े पैमाने पर ही समझ में आती है।
यह कार्य तरल पदार्थों के मौलिक गुणों को समझने और मापने का एक नया तरीका प्रदान करता है, जो व्यक्तिगत अणुओं की अराजक दुनिया और हमारी आँखों से दिखने वाले सुचारू प्रवाह के बीच के अंतर को पाटता है। यह दिखाते हुए कि ठोस सीमाएं थर्मल फ्लक्चुएशन के शोर को शांत कर सकती हैं, शोधकर्ताओं ने तरल प्रतिरोध के वास्तविक स्वरूप को निर्धारित करने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है। यह दृष्टिकोण न केवल परमाणु स्तर तक फ्लक्चुएटिंग हाइड्रोडायनामिक्स के उपयोग को मान्य करता है, बल्कि उन वैज्ञानिकों के लिए एक ठोस उपकरण भी प्रदान करता है जो द्वि-आयामी (two-dimensional) तरल पदार्थों के साथ काम कर रहे हैं, जैसे कि पतली साबुन की झिल्लियों में पाए जाने वाले तरल या अल्ट्रा-क्लीन ग्राफीन में इलेक्ट्रॉन प्रवाह। निष्कर्ष बताते हैं कि तरल की गहरी प्रकृति को समझने के लिए, आपको पूरी प्रणाली को देखने की आवश्यकता नहीं है, बल्कि उस शांत किनारे को देखना है जहाँ तरल दुनिया से मिलता है।
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