Emergent odd viscoelasticity in chiral soft glassy materials

कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ पदार्थ केवल स्थिर नहीं रहते या पानी की तरह बहते नहीं हैं, बल्कि वे अपने अतीत को याद रखते हैं और एक अनोखे मोड़ के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। यह रियोलॉजी (rheology) का क्षेत्र है, जो इस बात का विज्ञान है कि चीजें कैसे बहती हैं और विकृत होती हैं। इसे पदार्थ के "व्यक्तित्व" के अध्ययन के रूप में सोचें: क्या यह एक सख्त ठोस है जो वापस अपनी स्थिति में आता है, एक बहने वाला तरल है जो फिसलता है, या इन दोनों के बीच का कुछ है, जैसे टूथपेस्ट या सिली पुट्टी (silly putty)? वैज्ञानिकों लंबे समय से जानते हैं कि कई जटिल पदार्थ, जैविक ऊतकों से लेकर औद्योगिक पेंट तक, "ग्लासी" (glassy) होते हैं। इसका मतलब यह नहीं है कि वे खिड़कियों से बने हैं, बल्कि इसका अर्थ यह है कि उनके आंतरिक हिस्से एक भीड़ भरे डांस फ्लोर की तरह आपस में फंसे हुए हैं, जो इतनी धीमी गति से चलते हैं कि वे जमे हुए प्रतीत होते हैं, फिर भी यदि उन्हें पर्याप्त जोर से धकेला जाए तो वे अंततः बह सकते हैं।

हाल ही में, शोधकर्ताओं ने "सक्रिय" (active) पदार्थों के बारे में कुछ अजीब खोजा है—ऐसी चीजें जो अपनी ऊर्जा स्वयं उत्पन्न करती हैं, जैसे छोटे रोबोट या जीवित कोशिकाएं। ये पदार्थ "कायरल" (chiral) हो सकते हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें बाएं या दाएं हाथ की तरह एक विशिष्ट दिशात्मकता होती है, और वे अक्सर अपने आप घूमते या चक्कर काटते हैं। जब इन घूमते हुए, जाम हुए पदार्थों को धकेला जाता है, तो वे केवल प्रतिरोध ही नहीं करते; वे एक तरफा, "अजीब" तरीके से पीछे की ओर धक्का देते हैं जो सामान्य समरूपता (symmetry) के नियमों को तोड़ देता है। जबकि वैज्ञानिकों ने इन पदार्थों के सरल तरल या सरल ठोस के रूप में व्यवहार का अध्ययन किया है, एक बड़ी पहेली बनी हुई थी: क्या होता है जब वे उस कठिन मध्य मार्ग में होते हैं, जहाँ वे एक ग्लासी, घूमने वाले, स्मृति रखने वाले तरल की तरह कार्य करते हैं? इस बात को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह समझा सकता है कि जीवित ऊतक कैसे चलते हैं, कैसे ठीक होते हैं, या यह भी कि हम कैसे नए, स्मार्ट पदार्थ बना सकते हैं जो आदेश पर मुड़ते और घूमते हैं।

घूमता हुआ जाम: मुड़े हुए पदार्थों के लिए एक नया मॉडल

इस शोध पत्र में, देबरघ्या बनर्जी और पीटर सोलिच एक नए तरीके से इन रहस्यमय पदार्थों के बारे में सोचने का प्रस्ताव देते हैं। वे एक "कायरल सॉफ्ट ग्लासी रियोलॉजी" (SGR) मॉडल का निर्माण करते हैं। इसे देखने के लिए, एक गाढ़े, चिपचिपे जैम (ग्लासी मैट्रिक्स) के एक विशाल कटोरे की कल्पना करें। अब, इसमें हजारों छोटे, मोटरयुक्त गियर (inclusions) छिड़कें जो लगातार वृत्ताकार घूम रहे हैं। वास्तविक दुनिया में, ये छोटे बैक्टीरिया या कृत्रिम कण हो सकते हैं जो घूमने के लिए ईंधन जलाते हैं। लेखक पूछते हैं: यदि आप इस घूमते हुए जैम को हिलाते (stir) हैं, तो यह कैसा प्रतिघात करता है?

टीम इस प्रणाली के लिए एक गणितीय कहानी बनाती है। वे प्रत्येक छोटे गियर और उसके आसपास के जैम को एक एकल इकाई के रूप में मानते हैं। इन इकाइयों में एक "यील्ड एनर्जी" (yield energy) होती है, जो एक ऐसा तनाव स्तर है जिसे वे झेल सकते हैं इससे पहले कि वे टूट जाएं, शिथिल हों और पुनर्गठित हों। गियर एक विशिष्ट आवृत्ति पर घूमते हैं, जिसे लेखक $\Omega$ कहते हैं। मॉडल यह ट्रैक करता है कि बाहरी बल द्वारा हिलाए (shear) जाने पर जैम और गियर्स में तनाव कैसे बढ़ता है।

आश्चर्यजनक मोड़: धीमी गति, मजबूत धक्का

सबसे रोमांचक खोज तब आती है जब शोधकर्ता देखते हैं कि एक निरंतर, स्थिर हलचल के तहत क्या होता है। वे पाते हैं कि पदार्थ एक "ऑड विस्कोसिटी" (odd viscosity) विकसित करता है। सामान्य तरल पदार्थों में, श्यानता (viscosity) केवल इस बात का माप है कि तरल कितना गाढ़ा या चिपचिपा है। लेकिन "ऑड विस्कोसिटी" अजीब है: यह एक ऐसा बल पैदा करती है जो प्रवाह की दिशा के लंबवत (perpendicular) होता है, ठीक वैसे ही जैसे एक घूमता हुआ लट्टू आगे बढ़ने के बजाय बगल में डगमगा सकता है।

यहाँ विरोधाभासी हिस्सा है: लेखक पाते हैं कि जितनी धीमी गियर्स की गति होगी (जैसे-जैसे आवृत्ति $\Omega$ घटती है), यह "ऑड विस्कोसिटी" उतनी ही मजबूत होती जाएगी। यह जादू जैसा लगता है, लेकिन गणित इसे समझाता है। ग्लासी जैम में विश्राम (relaxation) के समय की एक विस्तृत श्रृंखला होती है—कुछ हिस्से जल्दी शिथिल होते हैं, दूसरों को बहुत समय लगता है। जब गियर धीरे घूमते हैं, तो वे जैम के "धीमे" हिस्सों को लंबे समय तक तनावपूर्ण रहने देते हैं, जिससे एक विशाल पार्श्व (sideways) धक्का बनता है। जैसे-जैसे स्पिन दर गिरती है, यह प्रभाव बढ़ता है, जो एक विशिष्ट पावर लॉ (power law) का पालन करता है जहाँ विस्कोसिटी $\Omega^{X-2}$ के रूप में स्केल करती है (जहाँ $X$ एक पैरामीटर है जो बताता है कि जैम कितना भीड़भाड़ वाला है)। यह एक गैर-तुच्छ परिणाम है: आमतौर पर, आप उम्मीद करेंगे कि कम गतिविधि का अर्थ कम प्रभाव होगा, लेकिन यहाँ, स्पिन को धीमा करने से वास्तव में यह अजीब पार्श्व बल बढ़ जाता है।

अनुनाद (Resonance): जब हलचल स्पिन से मेल खाती है

कहनी और भी दिलचस्प हो जाती है जब शोधकर्ता पदार्थ का एक दोलनकारी (oscillating) परीक्षण करते हैं, जैसे कि एक चम्मच को अलग-अलग गति से आगे-पीछे हिलाना। वे एक "अनुनाद" (resonance) प्रभाव की खोज करते हैं। कल्पना कीजिए कि गियर्स $\Omega$ की दर पर घूम रहे हैं। यदि आप चम्मच को उसकी गति के ठीक दोगुने वेग ($\omega = 2\Omega$) पर आगे-पीछे हिलाते हैं, तो कुछ विशेष होता है।

लेखक इसे एक जीवंत चित्र के माध्यम से समझाते हैं: हर बार जब चम्मच अपने हिलने के आधे चक्र (half-cycle) को पूरा करता है, तो गियर ठीक 90 डिग्री घूम चुके होते हैं। इसका मतलब है कि गियर जिस दिशा में धक्का दे रहा है, वह चम्मच के नए धक्का देने की दिशा के साथ पूरी तरह से संरेखित (align) हो जाता है। यह एक बच्चे के झूले की तरह है; यदि आप झूले के आर्क में बिल्कुल सही क्षण पर धक्का देते हैं, तो झूला ऊँचा और ऊँचा जाता है। पदार्थ में, यह सिंक्रोनाइज़ेशन विस्कोसिटी स्पेक्ट्रम में एक विशाल उछाल, एक "अनुनाद जैसी चोटी" (resonance-like peak) का कारण बनता है। यह चोटी उनके गणनाओं में $\omega = 2\Omega$ की आवृत्ति पर स्पष्ट रूप से दिखाई देती है।

मॉडल क्या भविष्यवाणी करता है और क्या नहीं करता

लेखक सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि उनके निष्कर्ष एक सैद्धांतिक मॉडल और सिमुलेशन से आए हैं, न कि प्रयोगशाला में किए गए किसी भौतिक प्रयोग से। वे स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करते हैं कि यह व्यवहार केवल ज्ञात तरल या ठोस भौतिकी का एक साधारण विस्तार है; "ऑड" शब्द ज्ञात भौतिकी के संयोजन की एक अनूठी विशेषता है जो कायरैलिटी (घूमना) और ग्लासी डायनेमिक्स (जाम होना) से उत्पन्न होती है।

वे यह भी नोट करते हैं कि उनका मॉडल मानता है कि घूमते हुए गियर बेतरतीब ढंग से वितरित हैं, जैसे कि एक अव्यवस्थित भीड़, और विरूपण (deformations) बहुत कम हैं। यदि स्पिन एक पूर्ण पैटर्न में व्यवस्थित होते, या यदि पदार्थ को बहुत अधिक खींचा जाता, तो नियम बदल सकते थे। इसके अलावा, वे बताते हैं कि बहुत उच्च आवृत्तियों पर (स्पिन दर से बहुत तेज़), पदार्थ एक मानक ग्लास की तरह व्यवहार करता है, और अजीब "ऑड" प्रभाव फीके पड़ जाते हैं।

यह क्यों मायने रखता है

हालाँकि यह एक सैद्धांतिक शोध पत्र है, यह वास्तविक दुनिया की प्रणालियों को समझने के लिए एक रोडमैप प्रदान करता है। लेखक सुझाव देते हैं कि यह मॉडल जैविक ऊतकों के व्यवहार को समझाने में मदद कर सकता है जहाँ कोशिकाएं घूमती हैं, या "स्टारफिश भ्रूणों" (starfish embryos) को, जिनमें "ऑड इलास्टिसिटी" देखी गई है। यह दिखाकर कि घूमते हुए हिस्सों और जाम वातावरण का एक सरल संयोजन इन जटिल, मुड़ने वाले बलों को कैसे बनाता है, यह पत्र सक्रिय पदार्थ (active matter) को देखने के लिए वैज्ञानिकों को एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि प्रकृति में दिखने वाले "ऑड" यांत्रिक गुण केवल संयोग नहीं हैं, बल्कि इस बात का स्वाभाविक परिणाम हैं कि घूमते हुए, जाम हुए सिस्टम दुनिया के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। यह पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने सभी सक्रिय पदार्थों के रहस्य को सुलझा लिया है, बल्कि यह बताता है कि कैसे कायरैलिटी और ग्लासीनेस मिलकर कुछ वास्तव में अद्वितीय बनाते हैं।