Polymer extension at stagnation points governs flow thickening of polymer solutions in ordered porous media
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करके कि व्यवस्थित सरंध्र माध्यमों (ordered porous media) में, यह घटना मात्रात्मक रूप से ठहराव बिंदुओं (stagnation points) पर बहुलक विस्तार (polymer extension) द्वारा नियंत्रित होती है, जो कि अव्यवस्थित माध्यमों में प्रभावी अस्थिर प्रवाह उतार-चढ़ाव से भिन्न एक तंत्र है, पॉलीमर समाधानों में प्रवाह मोटा होने (flow thickening) के लंबे समय से चले आ रहे रहस्य को हल करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप लोगों की एक भीड़ (एक तरल पदार्थ) को एक भूलभुलैया के माध्यम से धकेलने की कोशिश कर रहे हैं। यदि लोग सामान्य रूप से चल रहे हैं, तो आप जितना ज़ोर से धकेलेंगे, वे उतनी ही तेज़ी से आगे बढ़ेंगे। लेकिन क्या होगा यदि लोग लंबे, खिंचने वाले रबर बैंड पकड़े हुए हों?
यह बिल्कुल वैसा ही होता है जैसा तब होता है जब आप एक पॉलिमर समाधान (जैसे कि लंबी, धागे जैसी अणुओं वाला एक गाढ़ा तरल) को एक छिद्रपूर्ण सामग्री (जैसे कि स्पंज या छोटे छेदों वाली चट्टान) के माध्यम से धकेलते हैं। 50 से अधिक वर्षों से, वैज्ञानिक एक अजीब घटना से हैरान थे: एक बार जब आप पर्याप्त ज़ोर से धकेलते हैं, तो तरल अचानक गाढ़ा हो जाता है और उम्मीद से कहीं अधिक प्रतिरोध करता है। यह ऐसा है जैसे भीड़ अचानक एक-दूसरे का हाथ पकड़ ले और एक विशाल, अचल दीवार बन जाए, जबकि एक सेकंड पहले वे बस चल रहे थे।
यह शोध पत्र अंततः समझाता है कि ऐसा क्यों होता है, विशेष रूप से व्यवस्थित (ordered) भूलभुलैया में (जहाँ छेद एक पूर्ण, दोहराव वाले पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं)।
डेड एंड्स (Dead Ends) पर "ट्रैफ़िक जाम"
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह गाढ़ापन तरल के दीवारों से रगड़ने (घर्षण) या तरल के अराजक और विक्षुब्ध (turbulent) होने के कारण नहीं है। इसके बजाय, यह सब स्टैग्नेशन पॉइंट्स (stagnation points) के बारे में है।
स्टैग्नेशन पॉइंट को अपनी भूलभुलैया में एक डेड-एंड स्ट्रीट (बंद गली) के रूप में सोचें। जब तरल भूलभुलैया के माध्यम से बहता है, तो वह इन डेड एंड्स से टकराता है। तरल आगे नहीं जा सकता, इसलिए उसे बगल की ओर से निकलना पड़ता है। यह दबाने या भींचने की क्रिया एक विशाल हाथों की जोड़ी की तरह काम करती है जो लंबे, धागे जैसे पॉलिमर अणुओं को पकड़कर उन्हें बाहर की ओर खींच देती है (stretch out)।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि लोगों की एक भीड़ एक गलियारे से गुजर रही है। अधिकांश समय, वे बस एक-दूसरे के पास से निकल जाते हैं। लेकिन जब वे एक डेड-एंड दीवार से टकराते हैं, तो उन्हें मुड़ना पड़ता है। यदि वे लंबे, खिंचने वाले रबर बैंड पकड़े हुए हैं, तो मुड़ने और दीवार के पास से निकलने की क्रिया उन बैंड्स को कसकर खींच देती है।
- परिणाम: एक बार जब वे रबर बैंड कसकर खिंच जाते हैं, तो उन्हें हिलाना बहुत कठिन हो जाता है। तरल प्रभावी रूप से उन डेड एंड्स पर एक तरल से एक सख्त, लचीले ठोस में बदल जाता है। यह भारी मात्रा में प्रतिरोध पैदा करता है, जिससे तरल "गाढ़ा" महसूस होता है।
व्यवस्थित बनाम अव्यवized भूलभुलैया (Ordered vs. Disordered Mazes)
यह शोध पत्र दो प्रकार की भूलभुलैया के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर स्पष्ट करता है:
- व्यवस्थित भूलभुलैया (इस शोध पत्र का मुख्य विषय): ये स्तंभों के एक पूर्ण व्यवस्थित ग्रिड या समान गोलों के ढेर की तरह हैं। इन भूलभुलैया में, "डेड एंड्स" (स्टैग्नेशन पॉइंट्स) अनुमानित होते हैं और हर बार ठीक उन्हीं जगहों पर होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन पूर्ण भूलभुलैया में, तरल के गाढ़ा होने का एकमात्र प्रमुख कारण इन डेड एंड्स पर पॉलिमर का खिंचना है। यह एक स्पष्ट, योगात्मक प्रभाव है: अधिक डेड एंड = अधिक खिंचाव = अधिक प्रतिरोध।
- अव्यवस्थित भूलभिल्लैया (Disordered Mazes): ये यादृच्छिक पत्थरों के ढेर की तरह हैं। यहाँ, तरल कई कारणों से गाढ़ा होता है। हालांकि खिंचाव अभी भी होता है, लेकिन यहाँ बहुत अधिक अराजक, हिलने-डुलने वाली गति (instabilities) भी होती है जो अतिरिक्त घर्षण जोड़ती है। शोध पत्र नोट करता है कि इन अव्यवस्थित भूलभिल्लियों में, "डेड एंड्स पर खिंचाव" अभी भी महत्वपूर्ण है, लेकिन यह इस अराजक हलचल के साथ मिलकर काम करता है।
उन्होंने इसे कैसे सिद्ध किया
वैज्ञानिकों ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने सूक्ष्म, पारदर्शी 3D भूलभिल्लैया बनाई और उच्च गति वाले कैमरों का उपयोग करके तरल के प्रवाह को देखा। उन्होंने ऊर्जा की गणना करने के लिए एक विशेष गणितीय मॉडल का भी उपयोग किया।
उन्होंने पाया कि यदि आप केवल दीवारों से रगड़ने वाले तरल के घर्षण को गिनते हैं, तो आपका गणित बहुत गलत होगा। आप भविष्यवाणी करेंगे कि तरल आसानी से बहेगा। लेकिन जब उन्होंने अपने समीकरण में "खिंचाव ऊर्जा" (उन रबर बैंड्स को कसकर खींचने की लागत) को जोड़ा, तो गणित वास्तविक दुनिया के प्रयोगों से पूरी तरह मेल खा गया।
मुख्य निष्कर्ष
लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने सोचा कि इन छिद्रपूर्ण चट्टानों में इन तरल पदार्थों के गाढ़ा होने के पीछे कोई रहस्य है या यह अराजक विक्षोभ (turbulence) के कारण है। यह शोध पत्र दिखाता है कि व्यवस्थित संरचनाओं में, रहस्य सरल है: तरल गाढ़ा हो जाता है क्योंकि प्रवाह के डेड एंड्स पर पॉलिमर खिंच जाते हैं।
यह तरल के अस्त-व्यस्त होने के बारे में नहीं है; यह तरल के खिंचने के बारे में है। ठीक वैसे ही जैसे एक रबर बैंड जो ढीला होने पर आसानी से हिलता है लेकिन खींचने पर एक कठोर बाधा बन जाता है, ये पॉलिमर समाधान इन विशिष्ट "डेड एंड्स" पर टकराते ही अचानक प्रवाह का विरोध करने लगते हैं।
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