Light-activated Janus particles in geometrically confined binary solvent
यह अध्ययन संख्यात्मक सिमुलेशन का उपयोग करके यह प्रदर्शित करता है कि एक द्वि-घटक विलायक (बाइनरी सॉल्वेंट) में स्थानिक संकुचन (स्पेशियल कन्फाइनमेंट), प्रकाश-सक्रिय जेनस कणों की प्रणोदन गति को कम करता है और उनके निर्देशित संचलन को बढ़ाता है, जबकि ओरिएंटेशनल क्वेंचिंग को रोकता है, जिसमें प्रकाश की तीव्रता स्थानीय क्षेत्रों और कण की गति में महत्वपूर्ण उतार-चढ़ाव को और अधिक प्रेरित करती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ धूल के नन्हे कण केवल बेमकसद नहीं तैरते, बल्कि वे तैर सकते हैं, दिशा मोड़ सकते हैं और यहाँ तक कि एक-दूसरे के साथ 'टैग' (पकड़ने वाला खेल) भी खेल सकते हैं। यह "सक्रिय पदार्थ" (active matter) का क्षेत्र है, जो भौतिक विज्ञान की एक शाखा है जो उन वस्तुओं का अध्ययन करती है जो स्वयं चलने के लिए अपनी ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम होती हैं। उन्हें सूक्ष्म तैराकों के रूप में सोचें, जैसे कि बैक्टीरिया या मानव निर्मित रोबोट, जो बिना किसी बाहरी धक्के के तरल पदार्थ के माध्यम से खुद को आगे बढ़ा सकते हैं। आमतौर पर, वैज्ञानिक इन तैराकों का अध्ययन तरल के एक विशाल, खुले महासागर में करते हैं जहाँ वे कहीं भी जा सकते हैं। लेकिन वास्तविक दुनिया में, ये नन्हे तैराक अक्सर भीड़भाड़ वाली, संकरी जगहों में रहते हैं—जैसे कि लैब-ऑन-ए-चिप डिवाइस के भीतर सूक्ष्म चैनल या एक जैविक कोशिका के तंग गलियारे।
जब ये स्वयं-संचालित कण चलते हैं, तो वे केवल पानी को नहीं धकेलते; वे अपना स्वयं का "मौसम" बनाते हैं। वे अपने परिवेश को गर्म करते हैं, अपने ठीक बगल के तरल की रासायनिक संरचना को बदलते हैं, और ऐसी धाराएं पैदा करते हैं जो उन्हें वापस धकेलने के लिए घूमती हैं। यह एक जटिल नृत्य है जहाँ तैराक, तरल और उनके कंटेनर की दीवारें, सभी एक-दूसरे से संवाद कर रहे होते हैं। इस नृत्य को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि हम इन सूक्ष्म रोबोटों का उपयोग शरीर के विशिष्ट स्थानों तक दवा पहुँचाने या कोशिकाओं को छाँटने जैसे कार्यों के लिए करना चाहते हैं, तो हमें यह जानना होगा कि संकीर्ण स्थानों में दब जाने पर वे वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं।
यहीं पर मिशाल प्रज़ेवा, पियोत्र नोवाकोव्स्की, ताकेआकी अराकी और अन्ना मैसियोलेक का नया शोध काम आता है। उन्होंने एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के "स्मार्ट तैराक" का अनुकरण (सिमुलेशन) करने का निर्णय लिया जिसे "जेनस कण" (Janus particle) कहा जाता है। एक नन्हे गोले की कल्पना करें जिसे आधा हिस्सा एक विशेष सामग्री से रंगा गया है जो प्रकाश को सोखना पसंद करता है, जबकि दूसरा आधा हिस्सा सादा है। जब आप उस पर लेजर चमकाते हैं, तो रंगा हुआ हिस्सा गर्म हो जाता है, जिससे उसके ठीक बगल का तरल थोड़ा उबलने लगता है और अलग-अलग परतों में विभाजित हो जाता है। यह तरल की एक सूक्ष्म जेट बनाता है जो कण को आगे धकेलता है, जैसे कि एक सूक्ष्म रॉकेट।
टीम ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह देखने के लिए किया कि जब ये प्रकाश-संचालित रॉकेट दो सपाट दीवारों के बीच दबे एक संकीर्ण चैनल के माध्यम से तैरने की कोशिश करते हैं तो क्या होता है। उन्होंने पाया कि दीवारें खेल को पूरी तरह से बदल देती हैं। एक विस्तृत, खुले स्थान में, ये कण तेजी से दौड़ सकते हैं, लेकिन जब उन्हें एक संकीर्ण चैनल में मजबूर किया जाता है, तो उनकी गति कम हो जाती है। हालाँकि, इसमें एक समझौता (trade-off) भी है: जबकि वे धीमे हो जाते हैं, वे बहुत अधिक केंद्रित हो जाते हैं। खुले में, वे डगमगा सकते हैं और आसानी से दिशा बदल सकते हैं, लेकिन संकीर्ण चैनल में, वे लंबे समय तक एक सीधी रेखा में तैरने की प्रवृत्ति रखते हैं। यह ऐसा है जैसे दीवारें एक कोच की तरह काम करती हैं, जो तैराक को रास्ते पर रहने और विचलित न होने के लिए धीरे से प्रेरित करती हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि दीवारें केवल निष्क्रिय बाधाएं नहीं हैं; उनका अपना व्यक्तित्व होता है। यदि दीवारें तरल मिश्रण के एक हिस्से के प्रति "चिपचिपी" हैं और कण का गर्म हिस्सा उसी मिश्रण के हिस्से को पसंद करता है, तो कण तरल परतों के ट्रैफिक जाम में फंस जाता है और और भी धीमा हो जाता है। लेकिन यदि दीवारें मिश्रण के विपरीत हिस्से को पसंद करती हैं, तो कण वास्तव में थोड़ा तेज़ तैर सकता है। इसके अलावा, उन्होंने पाया कि तरल की मोटाई आश्चर्यजनक तरीके से मायने रखती है। बहुत पतले, बहने वाले तरल पदार्थों में, कण का अपना 'वेक' (पीछे छूटा हुआ भंवर) जल्दी खत्म नहीं होता है। यह लंबे समय तक रहने वाला भंवर अराजकता पैदा करता है, जिससे कण की गति अनिश्चित रूप से घटती-बढ़ती रहती है, जैसे कि ऊबड़-खाबड़ सड़क पर चलती कार। गाढ़े, चिपचिपे तरल पदार्थों में, भंवर जल्दी गायब हो जाता है, जिससे कण अधिक सुचारू रूप से और स्थिरता से आगे बढ़ पाता है।
सबसे रोमांचक खोजों में से एक यह है कि ये कण केवल एक सपाट तल (plane) में बाएं और दाएं नहीं डगमगाते। एक संकीर्ण चैनल में भी, वे तीन आयामों में झुक सकते हैं और मुड़ सकते हैं, जो "ओरिएंटेशनल क्वेंचिंग" (orientational quenching) नामक सिद्धांत को चुनौती देता है जो यह सुझाव देता था कि वे एक सपाट 2D गति में बंधे रहेंगे। सिमुलेशन दिखाते हैं कि संकीर्ण स्थानों में कण की दिशा आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक बनी रहती है, जो यह सुझाव देता है कि सीमित स्थान वास्तव में इन सूक्ष्म तैराकों को उनके मिशन पर केंद्रित रहने में मदद करता है।
लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि ये परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, न कि प्रयोगशाला में किसी भौतिक प्रयोग से। उन्होंने गर्मी, तरल संरचना और गति के बीच जटिल अंतःक्रियाओं को मॉडल करने के लिए एक परिष्कृत विधि "फ्लुइड पार्टिकल डायनेमिक्स" का उपयोग किया। हालांकि वे वर्तमान सेटअप के साथ प्रयोगशाला में एक कण के तैरने के सटीक समय को नहीं माप सकते, उनके सिमुलेशन दृढ़ता से संकेत देते हैं कि इन प्रकाश-सक्रिय कणों को संकीर्ण चैनलों में दबाने से वे धीमे लेकिन बहुत अधिक विश्वसनीय और दिशात्मक बन जाते हैं। यह अंतर्दृकरण वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि वे इन सूक्ष्म तैराकों को बेहतर तरीके से कैसे नियंत्रित कर सकते हैं, जो भविष्य के उन अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त करता है जहाँ संकीर्ण स्थानों में सटीक गति आवश्यक है।
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