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Shear and bulk viscosities of water up to 1.6 GPa and anomaly in the structural relaxation time

संयुक्त प्रकाश प्रकीर्णन तकनीकों और सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने खोजा कि उच्च दबाव के तहत पानी का शियर विस्कोसिटी (shear viscosity), इसके बल्क विस्कोसिटी (bulk viscosity) की तुलना में अधिक तेजी से बढ़ता है, जबकि इसकी संरचनात्मक विश्रांति समय (structural relaxation time) हाइड्रोजन बॉन्ड संतुलन को तेज करने वाले एक संरचनात्मक विसंगति के कारण 0.5 GPa के पास न्यूनतम स्तर पर पहुँच जाता है।

मूल लेखक: Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

प्रकाशित 2026-03-19

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

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

पानी को केवल उस चीज़ के रूप में न देखें जिसे आप पीते हैं या जिसमें आप तैरते हैं, बल्कि इसे एक शर्मीले, जटिल चरित्र के रूप में कल्पना करें जो इस बात पर अपना व्यक्तित्व बदल लेता है कि आप इसे कितना दबाते हैं।

यह शोध पत्र उन वैज्ञानिकों की एक टीम के बारे में है जिन्होंने पानी के साथ "दबाने" का खेल खेलने का निर्णय लिया, लेकिन केवल थोड़ा सा नहीं। उन्होंने इसे एक छोटे, हाई-टेक प्रेशर चैंबर (डायमंड एनविल सेल) में ठूँस दिया और इसे उस बल से दबाया जो वायुमंडल के दबाव से 16,000 गुना अधिक शक्तिशाली है। यह उस तरह का दबाव है जो पृथ्वी की पपड़ी के भीतर या बृहस्पति के बर्फीले चंद्रमाओं के अंदर पाया जाता है।

यहाँ उनकी खोज की कहानी सरल भाषा में दी गई है:

1. "चिपचिपाहट" के दो प्रकार

जब हम पानी के "गाढ़ा" या "चिपचिपा" होने की बात करते हैं, तो हमारा मतलब आमतौर पर शियर विस्कोसिटी (Shear Viscosity) से होता है। इसे ऐसे समझें जैसे आप चम्मच से शहद मिलाने की कोशिश करते समय महसूस करते हैं। यह इस बारे में है कि तरल की परतों को एक-दूसरे के ऊपर से फिसलने में कितनी कठिनाई होती है।

लेकिन पानी में एक गुप्त दूसरा प्रकार की चिपचिपाहट भी है जिसे बल्क विस्कोसिटी (Bulk Viscosity) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि आप एक स्पंज को दबा रहे हैं। यदि स्पंज बहुत अधिक "स्पंजी" है, तो वह दबने का विरोध करता है। बल्क विस्कोसिटी यह बताती है कि पानी दबने या फैलने का कितना विरोध करता है।

खोज:
आमतौर पर, जब आप किसी तरल को दबाते हैं, तो चिपचिपाहट के दोनों प्रकार बढ़ जाते हैं। लेकिन वैज्ञानिकों ने पानी के साथ कुछ अजीब पाया:

जैसे-जैसे उन्होंने ज़ोर से दबाया, "हिलाने वाली चिपचिपाहट" (Shear) तेज़ी से बढ़ी।
"दबाने वाली चिपचिपाहट" (Bulk) बढ़ी, लेकिन धीमी गति से।
परिणाम: इनके बीच का अनुपात आधा हो गया। पानी फिसलने का विरोध करने वाले एक ठोस की तरह बहुत अधिक हो गया, लेकिन दबने का विरोध करने वाले स्पंज की तरह कम हो गया।

2. "रिलैक्सेशन" (विश्रांति) का रहस्य

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों होता है, वैज्ञानिकों ने स्ट्रक्चरल रिलैक्सेशन टाइम (Structural Relaxation Time) नामक चीज़ का अध्ययन किया।

उपमा:
एक भीड़ भरे डांस फ्लोर की कल्पना करें जहाँ हर कोई एक विशिष्ट पैटर्न (हाइड्रोजन बॉन्ड) में एक-दूसरे का हाथ पकड़े हुए है। यदि संगीत रुक जाता है, तो सभी को हाथ छोड़ना पड़ता है और एक नई जगह ढूँढनी पड़ती है। उन्हें एक नई, आरामदायक व्यवस्था में बसने में जो समय लगता है, वही "रिलैक्सेशन टाइम" है।

सामान्य तरल पदार्थों में: यदि आप डांस फ्लोर को दबाते हैं (दबाव बढ़ाते हैं), तो डांसर और घने हो जाते हैं। हिलना कठिन हो जाता है, इसलिए उन्हें नई जगह खोजने में अधिक समय लगता है। रिलैक्सेशन टाइम बढ़ जाता है।
पानी में: वैज्ञानिकों ने पाया कि शुरुआत में, डांस फ्लोर को दबाने से डांसर वास्तव में तेज़ी से घूमने लगे। उन्होंने खुद को पुनर्गठित करने का एक नया, तेज़ तरीका खोजा!
न्यूनतम बिंदु (The Minimum): यह गति तब तक बढ़ी जब तक कि दबाव लगभग 0.5 GPa (सामान्य दबाव से लगभग 5,000 गुना) तक नहीं पहुँच गया। इस सटीक बिंदु पर, पानी खुद को अपने अब तक के सबसे तेज़ रूप में पुनर्गठित कर रहा था (लगभग 1 पिकोसेकंड, जो एक सेकंड का एक ट्रिलियनवाँ हिस्सा है)। इसके बाद, यह एक सामान्य तरल की तरह फिर से धीमा होने लगा।

3. यह क्यों होता है? (दो चेहरे वाला पानी)

शोध पत्र सुझाव देता है कि पानी एक ऐसे व्यक्ति की तरह है जिसके पास पहनने के लिए दो अलग-अलग कपड़े हैं:

पोशाक A (कम घनत्व): एक ढीला, खुला, टेट्राहेड्रल ढांचा (जैसे पिरामिड का आकार) जो मजबूत हाइड्रोजन बॉन्ड द्वारा जुड़ा हुआ है। सामान्य दबाव पर पानी ऐसा ही दिखता है।
पोशाक B (उच्च घनत्व): एक तंग, अधिक अराजक, दबी हुई संरचना।

कम दबाव पर, पानी पोशाक A को पसंद करता है। बहुत उच्च दबाव पर, इसे पोशाक B पहनने के लिए मजबूर किया जाता है।
जादुई क्षण: उस विशिष्ट दबाव 0.5 GPa पर, पानी एक ऐसी "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल स्थिति) में होता है जहाँ वह अविश्वसनीय रूप से आसानी से पोशाक A से पोशाक B में स्विच कर सकता है। यह एक ऐसे डांसर की तरह है जिसने तुरंत कपड़े बदलने का सही रिदम पा लिया है। यह तेज़ स्विचिंग पानी को पहले की तुलना में कहीं अधिक तेज़ी से "रिलैक्स" होने में मदद करती है।

4. हमें इसकी परवाह क्यों करनी चाहिए?

आप सोच सकते हैं, "अत्यधिक दबाव में पानी की चिंता कौन करेगा?" लेकिन यह इन चीज़ों के लिए महत्वपूर्ण है:

पृथ्वी पर जीवन: चट्टानों के नीचे मीलों गहराई में सूक्ष्मजीव जीवित रहते हैं। वे उच्च दबाव वाले पानी में रहते हैं। यदि पानी बहुत गाढ़ा हो जाता है या अजीब व्यवहार करता है, तो यह इन नन्हे जीवों की गतिशीलता और उत्तरजीविता को बदल सकता है।
अंतरिक्ष में जीवन: गैनीमेड (बृहस्पति का एक चंद्रमा) जैसे चंद्रमाओं के पास बर्फ की मीलों मोटी परत के नीचे तरल पानी के महासागर हैं। यह समझने के लिए कि क्या वे महासागर जीवन का समर्थन कर सकते हैं या वे गर्मी को कैसे प्रसारित (convection) करते हैं, हमें पता होना चाहिए कि उस दबाव में उनका पानी कितना "गाढ़ा" है।
तेल की रिकवरी: जब कंपनियाँ ज़मीन के नीचे से तेल निकालने के लिए पानी पंप करती हैं, तो उन्हें यह जानने की ज़रूरत होती है कि उस दबाव में पानी कैसा व्यवहार करेगा ताकि वे इसे सुरक्षित और कुशलता से कर सकें।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र पानी के छिपे हुए व्यक्तित्व की एक जासूसी कहानी है। इसे पहले से कहीं अधिक ज़ोर से दबाकर, वैज्ञानिकों ने पाया कि पानी दबाव में केवल "गाढ़ा" ही नहीं होता। इसके बजाय, यह एक ऐसी "स्वीट स्पॉट" पर पहुँच जाता है जहाँ इसकी आंतरिक संरचना आश्चर्यजनक गति से पुनर्गठित होती है, जो एक मौलिक विसंगति को उजागर करती है जो पानी को ब्रह्मांड में वास्तव में अद्वितीय बनाती है।

उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से इसकी पुष्टि की, जिससे पता चला कि हमारे सर्वश्रेष्ठ डिजिटल मॉडल भी इस अजीब "गति-वृद्धि" (speed-up) की भविष्यवाणी कर सकते हैं, जिससे हमें विश्वास मिलता है कि हम अंततः हमारे सबसे सामान्य तरल के गहरे रहस्यों को समझ रहे हैं।

यहाँ शोध पत्र "Shear and bulk viscosities of water up to 1.6 GPa and anomaly in the structural relaxation time" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

जल (water) अद्वितीय विसंगत गुण प्रदर्शित करता है (जैसे घनत्व का अधिकतम होना, ऋणात्मक तापीय प्रसार), जो इसके खुले, टेट्राहेड्रल हाइड्रोजन-बॉन्ड नेटवर्क द्वारा संचालित होते हैं। हालांकि यह ज्ञात है कि परिवेशी तापमान पर दबाव के साथ जल की श्यानता (viscosity) पहले घटती है और फिर बढ़ती है, लेकिन उच्च दबाव (गिगापास्कल रेंज) पर इसका व्यवहार अभी भी अपर्याप्त रूप से प्रलेखित है।

ज्ञान अंतराल (Knowledge Gap): 1 GPa से ऊपर जल की शियर श्यानता (shear viscosity) पर मौजूदा डेटा दुर्लभ है और विभिन्न प्रायोगिक विधियों (जैसे रोलिंग बॉल बनाम ऑप्टिकल ट्वीज़र्स) के बीच महत्वपूर्ण विसंगतियां दिखाता है।
अनसुलझे प्रश्न:
- उच्च दबाव पर शियर ( $\eta$ ) और बल्क ( $\eta_b$ ) श्यानता स्वतंत्र रूप से कैसे विकसित होती है?
- क्या संरचनात्मक विश्रांति समय ( $\tau$ ) में विसंगत कमी उच्च दबाव पर बनी रहती है, या जल अंततः एक "साधारण" तरल की तरह व्यवहार करने लगता है?
- भूविज्ञान (पृथ्वी की पपड़ी, उपसतह जीवन) और ग्रह विज्ञान (गैनीमेड जैसे बर्फीले चंद्रमा) के लिए इसके क्या निहितार्थ हैं?

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने लगभग 295 K पर एक डायमंड एनविल सेल (DAC) के भीतर डिफरेंशियल डायनेमिक माइक्रोस्कोपी (DDM) और ब्रिलुइन लाइट स्कैटरिंग (BLS) को संयोजित करते हुए एक बहु-तकनीकी दृष्टिकोण का उपयोग किया।

DDM के माध्यम से शियर श्यानता ( $\eta$ ):
- सिद्धांत: जल में निलंबित सब-माइक्रोमीटर पॉलिस्टायरीन गोलों की ब्राउनियन गति को मापा गया।
- नवाचार: उच्च-दबाव DAC वातावरण के लिए DDM को अनुकूलित किया गया। ऑप्टिकल ट्वीज़र्स (एकल ट्रैप्ड कण) या रोलिंग बॉल्स का उपयोग करने वाले पिछले उच्च-दबाव अध्ययनों के विपरीत, यह विधि कई मुक्त-तैरते गोलों की सामूहिक प्रसार (collective diffusion) को ट्रैक करती है।
- कैलिब्रेशन: पॉलिस्टायरीन गोलों की संपीड़्यता और बदलते नमूना कक्ष की ऊंचाई (गैस्केट स्क्वीज़) को संबोधित करने के लिए साहित्य डेटा के आधार पर एक दबाव-निर्भर हाइड्रोडायनामिक त्रिज्या सुधार व्युत्पन्न किया गया।
ब्रिलुइन स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से बल्क श्यानता ( $\eta_b$ ):
- सिद्धांत: घनत्व के उतार-चढ़ाव (ध्वनि तरंगों) के कारण होने वाले प्रकाश के इनइलास्टिक स्कैटरिंग को मापा गया।
- व्युत्पत्ति: ब्रिलुइन पीक की लाइनविड्थ ध्वनि क्षीणन गुणांक ( $\alpha$ ) प्रदान करती है। संबंध $\alpha/f^2 \propto (4/3\eta + \eta_b)$ का उपयोग करते हुए, और स्वतंत्र रूप से मापी गई शियर श्यानता ( $\eta$ ) और ध्वनि वेग ( $w$ ) को जोड़कर, लेखकों ने बल्क श्यानता ( $\eta_b$ ) को अलग किया।
विस्को-इलास्टिक मॉडलिंग (Visco-Elastic Modeling):
- संरचनात्मक विश्रांति समय ( $\tau$ ) और लोचदार मापांक (elastic moduli: $K_0, K_\infty, G_\infty$ ) निकालने के लिए प्रयोगात्मक डेटा ( $\eta, \eta_b,$ और ध्वनि वेग) का विश्लेषण एक विस्को-इलास्टिक मॉडल का उपयोग करके किया गया।
आणविक गतिशीलता (MD) सिमुलेशन:
- प्रयोगात्मक रुझानों को मान्य करने और देखे गए विसंगतियों के सूक्ष्म मूलों का पता लगाने के लिए TIP4P/2005 जल मॉडल का उपयोग करके सिमुलेशन किए गए।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

समान माप: कमरे के तापमान पर 1.6 GPa तक जल की शियर और बल्क श्यानता का पहला साथ मिलकर, उच्च-परिशुद्धता माप।
विसंगतियों का समाधान: यह अध्ययन परस्पर विरोधी साहित्य डेटा को स्पष्ट करता है, ऑप्टिकल ट्वीज़र और रोलिंग बॉल विधियों के परिणामों का समर्थन करता है और पिछले DDM प्रयासों में व्यवस्थित त्रुटियों (कणों के अवसादन के कारण) की पहचान करता है।
विश्रांति समय न्यूनतम की खोज: उच्च दबाव पर संरचनात्मक विश्रांति समय ( $\tau$ ) में एक विशिष्ट न्यूनतम की पहचान, जो पानी के इस क्षेत्र में पहले कभी रिपोर्ट नहीं की गई थी।
संरचनात्मक विसंगति लिंक: यह प्रस्तावित करना कि $\tau$ में न्यूनतम बिंदु एक संरचनात्मक विसंगति के अनुरूप है जहाँ स्थानीय निम्न-घनत्व (टेट्राहेड्रल) और उच्च-घनत्व (अव्यवस्थित) जल संरचनाओं के बीच रूपांतरण दर अधिकतम होती है।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

A. शियर श्यानता ( $\eta$ )

रुझान: $\eta$ परिवेशी दबाव के पास एक उथला न्यूनतम (shallow minimum) दिखाता है (कूलिंग रुझानों के अनुरूप) और फिर दबाव के साथ निरंतर और तेजी से बढ़ता है।
परिमाण: 1.6 GPa पर, $\eta$ लगभग 4 mPa·s तक पहुँच जाता है (लगभग परिवेशी मान का 4 गुना)।
तुलना: डेटा ऑप्टिकल ट्वीज़र माप के साथ अच्छी तरह मेल खाता है, लेकिन पिछले DDM डेटा (जो बहुत कम थे) और IAPWS फॉर्मूलेशन (जो 1 GPa से ऊपर श्यानता को कम आंकता है) से काफी भिन्न है।

B. बल्क श्यानता ( $\eta_b$ ) और अनुपात

रुझान: $\eta_b$ भी दबाव के साथ बढ़ता है, लेकिन $\eta$ की तुलना में धीमी दर से।
अनुपात ( $\eta_b/\eta$ ): यह अनुपात काफी कम हो जाता है, जो 0 से 1.6 GPa के बीच एक कारक दो तक गिर जाता है।
- 0 GPa पर: $\eta_b/\eta \approx 2.7$ ।
- 1.6 GPa पर: $\eta_b/\eta \approx 1.3$ ।
महत्व: यह उच्च संपीड़न के तहत शियर और बल्क विश्रांति तंत्रों के डीकपलिंग (decoupling) को दर्शाता है।

C. संरचनात्मक विश्रांति समय ( $\tau$ )

विसंगति: अधिकांश तरल पदार्थों के विपरीत जहाँ $\tau$ दबाव के साथ निरंतर बढ़ता है, जल का $\tau$ प्रारंभ में घटता है।
न्यूनतम: $\tau$ 0.5 GPa पर लगभग 1 पिकोसेकंड (ps) के न्यूनतम स्तर पर पहुँचता है।
पुनर्प्राप्ति: 0.5 GPa के ऊपर, $\tau$ बढ़ना शुरू हो जाता है, जो "सामान्य" तरल व्यवहार की ओर वापसी का संकेत देता है जहाँ दबाव आणविक गति को बाधित करता है।
व्याख्या: न्यूनतम बिंदु हाइड्रोजन बॉन्ड के सबसे तेज़ साम्य (equilibration) को दर्शाता है। इसे एक संरचनात्मक विसंगति के रूप में व्याख्यायित किया गया है जहाँ स्थानीय संरचनात्मक रूपांकनों (टेट्राहेड्रल बनाम कोलैप्स्ड) के बीच ऊर्जा अवरोध न्यूनतम होता है।

D. लोचदार मापांक (Elastic Moduli)

अनंत-आवृत्ति बल्क ( $K_\infty$ ) और शियर ( $G_\infty$ ) मापांक दबाव के साथ बढ़ते हैं।
तरल जल में $K_\infty$ और $G_\infty$ हेक्सागोनल बर्फ ( $I_h$ ) के समान दबाव रुझानों का पालन करते हैं, लेकिन क्रमशः ~20% और ~50% कम हैं, जो तरल अवस्था में कम विकसित टेट्राहेड्रल नेटवर्क को दर्शाते हैं।

5. महत्व और निहितार्थ (Significance and Implications)

मौलिक भौतिकी: परिणाम "कैस्केड ऑफ एनोमलीज़" (विसंगतियों की श्रृंखला) परिकल्पना का समर्थन करते हैं। $\tau$ (एक गतिशील गुण) में न्यूनतम, शियर श्यानता या स्व-विसरण (self-diffusion) के न्यूनतम से उच्च दबाव पर होता है, जो संरचनात्मक, गतिशील और ऊष्मप्रवैगिकी विसंगतियों के एक नेस्टेड पदानुक्रम का सुझाव देता है। यह न्यूनतम संरचनात्मक विसंगति रेखा (हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क के अधिकतम अव्यवस्थित होने का बिंदु) के प्रॉक्सी के रूप में कार्य करता है।
भूविज्ञान और ग्रह विज्ञान:
- पृथ्वी: ये निष्कर्ष गहरे क्रस्ट (25 किमी गहराई तक, ~0.7 GPa) में तरल प्रवाह और उपसतह सूक्ष्मजीव जीवन की रहने की क्षमता के मॉडलिंग के लिए महत्वपूर्ण हैं, जहाँ श्यानता कोशिका की गतिशीलता और पोषक तत्वों के परिवहन को प्रभावित करती है।
- बर्फीले चंद्रमा: गैनीमेड जैसे चंद्रमाओं के लिए, जहाँ ~1.6 GPa तक के दबाव में उपसतह महासागर मौजूद हैं, सटीक श्यानता डेटा आवश्यक है। यह अध्ययन बताता है कि निश्चित श्यानता मानों का उपयोग करने वाले संवहन (convection) मॉडल गलत हो सकते हैं; दबाव की निर्भरता गैर-रेखीय और महत्वपूर्ण है।
कार्यप्रणाली प्रभाव: उच्च-दबाव DAC में DDM का सफल अनुकूलन अन्य जटिल तरल पदार्थों और चरम स्थितियों में श्यानता मापने के लिए एक मजबूत, विश्वसनीय उपकरण प्रदान करता है, जो पिछली तकनीकों की सीमाओं को दूर करता है।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र अत्यधिक दबाव के तहत जल के श्यान व्यवहार का एक व्यापक मानचित्र प्रदान करता है, जो शियर और बल्क विश्रांति के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया को प्रकट करता है जो 0.5 GPa पर "तरलता" (न्यूनतम $\tau$ ) में चरम पर पहुँचती है, इससे पहले कि जल उच्च दबाव पर एक साधारण तरल व्यवहार की ओर संक्रमण करता है।