Overaging with stress in polymer glasses? Faster segmental dynamics despite larger yield stress!

उम्र बढ़ने वाले प्लास्टिक का चिपचिपा रहस्य

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ सामग्रियाँ केवल स्थिर नहीं रहतीं; वे समय के साथ धीरे-धीरे अपना व्यक्तित्व बदल लेती हैं। यह पॉलिमर ग्लास (polymer glasses) का आकर्षक क्षेत्र है, जो एक प्रकार का प्लास्टिक है जो आपके पसंदीदा स्मार्टफोन के केस या चश्मे के लेंस की तरह कठोर और पारदर्शी होता है। धातुओं के विपरीत, जिनमें एक व्यवस्थित क्रिस्टल संरचना होती है, ये प्लास्टिक "अमोर्फस" (amorphous) होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनके अणु उलझे हुए और बिखरे हुए होते हैं, जैसे कि अचानक जम गया स्पैगेटी का एक कटोरा। क्योंकि वे इस बिखरी हुई अवस्था में जमे हुए हैं, वे पूरी तरह से संतुष्ट नहीं हैं; वे लगातार एक अधिक आरामदायक, शिथिल स्थिति खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जिसे वैज्ञानिक फिजिकल एजिंग (physical aging) कहते हैं।

जैसे-जैसे ये प्लास्टिक पुराने होते हैं, वे आमतौर पर सख्त और मजबूत हो जाते हैं, लेकिन साथ ही भंगुर (brittle) भी हो जाते हैं। एक पुराने रबर बैंड के बारे में सोचें जो वर्षों से दराज में पड़ा रहा है: वह सख्त हो जाता है और आसानी से टूट जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यदि आप किसी प्लास्टिक को उसके उम्र बढ़ने के दौरान खींचते या दबाते हैं, तो वह बिना किसी तनाव के बैठने की तुलना में और भी तेजी से मजबूत होता दिखाई देता है। इससे एक लोकप्रिय सिद्धांत सामने आया जिसे "ओवरएजिंग" (overaging) कहा गया। विचार यह था कि तनाव एक 'टर्बोचार्जर' की तरह काम करता है, जो प्लास्टिक के अणुओं को तेजी से व्यवस्थित होने और खुद से कहीं अधिक जल्दी "पुराना" और मजबूत होने के लिए मजबूर करता है। यदि यह सच होता, तो इसका मतलब होता कि तनाव सामग्री के लिए समय को तेज कर देता है, जिससे वह कुछ ही घंटों में ऐसा व्यवहार करने लगता जैसे वह वर्षों से दराज में पड़ा हो। लेकिन क्या यह टर्बोचार्जर वास्तविक है, या यह केवल एक भ्रम है?

महान प्लास्टिक दौड़: तनाव बनाम समय

इस अध्ययन में, विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने PMMA (वह पदार्थ जिससे प्लेक्सीग्लास बनता है) नामक एक विशेष प्रकार के प्लास्टिक का उपयोग करके "ओवरएजिंग" सिद्धांत का परीक्षण करने का निर्णय लिया। वे यह देखना चाहते थे कि क्या तनाव वास्तव में प्लास्टिक को तेजी से उम्र बढ़ाने के लिए मजबूर करता है, या वास्तव में कुछ और हो रहा है। ऐसा करने के लिए, उन्होंने दो समूहों के बीच एक दौड़ आयोजित की।

दौड़ की व्यवस्था:
सबसे पहले, उन्होंने प्लास्टिक का एक बैच लिया और उसे एक शांत, तनाव-मुक्त वातावरण (जिसे "क्वीसेंट" समूह कहा गया) में उम्र बढ़ने दिया। फिर, उन्होंने दूसरे बैच को लिया और एक लंबे समय तक (72,000 सेकंड, जो लगभग 20 घंटे है) एक स्थिर, मध्यम खिंचाव (9 MPa का तनाव) लगाया। यह "तनाव के तहत उम्र बढ़ने वाला" समूह है।

ट्विस्ट (मोड़):
आमतौर पर, जब कोई चीज़ मजबूत होती है, तो ऐसा इसलिए होता है क्योंकि उसके आंतरिक हिस्से धीमे होकर एक सख्त, कठोर संरचना में बस जाते हैं। इसलिए, शोधकर्ताओं को उम्मीद थी कि तनाव वाला प्लास्टिक सबसे "पुराना" और मजबूत होगा। उन्होंने दोनों समूहों की मजबूती को तब तक खींचकर मापा जब तक कि वे टूट नहीं गए (यील्ड स्ट्रेस)। पुराने सिद्धांत के अनुसार, अनुमानित रूप से, जो प्लास्टिक उम्र बढ़ने के दौरान खींचा गया था, वह वास्तव में मजबूत हुआ। इसका यील्ड स्ट्रेस (34.1 MPa) शांत प्लास्टिक (32.2 MPa) की तुलना में अधिक था। यदि आप केवल मजबूती को देखते, तो आप कहते, "आहा! तनाव ने इसे तेजी से उम्र बढ़ाने में मदद की!"

गुप्त हथियार:
लेकिन शोधकर्ताओं के पास केवल मजबूती से कहीं अधिक गहराई से देखने के लिए एक गुप्त हथियार था। उन्होंने प्लास्टिक में मिले छोटे चमकते हुए प्रोब अणुओं (probe molecules) का उपयोग किया एक चतुर तकनीक के माध्यम से। इन प्रोब्स पर लेजर चमकाकर, वे देख सकते थे कि प्लास्टिक के अणु कितनी तेजी से हिल-डुल (wiggle) रहे हैं और घूम रहे हैं। यह "हिलने की गति" (wiggle speed) इस बात का असली पैमाना है कि अंदर से प्लास्टिक कितना "युवा" या "पुराना" महसूस करता है। यदि प्लास्टिक वास्तव में "ओवरएज्ड" (अति-वृद्ध) है, तो अणु सुस्त और धीमे होने चाहिए। यदि यह "रिजुवेनेटेड" (पुनर्जीवित/युवा) है, तो उन्हें तेजी से हिलना चाहिए।

चौंका देने वाला परिणाम:
यहाँ कहानी में एक मोड़ आता है। जब उन्होंने हिलने की गति को मापा, तो उन्होंने पाया कि परिणाम "ओवरएजिंग" सिद्धांत के बिल्कुल विपरीत था। वह प्लास्टिक जिसे खींचा गया था और जो मजबूत हुआ था, वह वास्तव में अंदर से अधिक तेजी से हिल रहा था! इसके अणु शांत और कमजोर प्लास्टिक की तुलना में अधिक तेजी से हिल रहे थे।

दो धावकों की कल्पना करें। धावक A (तनाव वाला प्लास्टिक) एक भारी, सख्त सूट पहने हुए है जो उसे बहुत तेज दौड़ लगाने के लिए मजबूर करता है (उच्च मजबूती)। धावक B (शांत प्लास्टिक) एक ढीले, लचीले कपड़ों में है और धीमी दौड़ लगाता है। पुराने सिद्धांत ने कहा, "धावक A को एक पुराना, अनुभवी दिग्गज होना चाहिए जिसने उस सूट को पहनने के लिए वर्षों तक प्रशिक्षण लिया है।" लेकिन शोधकर्ताओं ने धावक A की हृदय गति देखी और पाया कि वह वास्तव में एक किशोर की ऊर्जा के साथ दौड़ रहा था! तनाव वाला प्लास्टिक अधिक गतिशील और "युवा" था, भले ही वह "मजबूत" था।

इस सिद्धांत का क्या अर्थ है

शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित करने की कोशिश की कि वे कुछ मिस न कर रहे हों। उन्होंने प्रयोग को फिर से चलाया, तनाव को जल्दी रोक दिया, और यहाँ तक कि प्लास्टिक को ठंडे तापमान पर भी उम्र बढ़ने की कोशिश की। हर बार, परिणाम वही रहा: तनाव वाले प्लास्टिक का यील्ड स्ट्रेस अधिक था लेकिन उसकी आंतरिक लय तेज थी।

उन्होंने यह भी जांचा कि क्या प्लास्टिक के अणु केवल एक सीधी पंक्ति (जैसे सैनिक) में व्यवस्थित हो रहे थे ताकि मजबूती को समझाया जा सके। उन्होंने इस "संरेखण" (alignment) को मापा और पाया कि इसमें बहुत कम बदलाव आया था। इसलिए, अतिरिक्त मजबूती केवल इसलिए नहीं थी क्योंकि अणु सावधान मुद्रा में खड़े थे; कुछ अधिक जटिल हो रहा था।

निष्कर्ष:
यह शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि "ओवरएजिंग" का विचार—जहाँ तनाव एक टर्बोचार्जर के रूप में कार्य करता है जिससे प्लास्टिक तेजी से बूढ़ा होता है और धीमा हो जाता है—यहाँ खोजे गए विशिष्ट प्रयोगात्मक परिस्थितियों के तहत संभवतः नहीं हो रहा है। इसके बजाय, प्लास्टिक की मजबूती और उसके अणुओं की गति के बीच का संबंध हमारी सोच से कहीं अधिक जटिल है। ऐसा लगता है कि आपके पास एक ऐसी सामग्री हो सकती है जो बहुत मजबूत हो (उच्च यील्ड स्ट्रेस) लेकिन फिर भी अंदर से तेजी से हिलने वाले, "युवा" अणुओं वाली हो।

लेखक सुझाव देते हैं कि पुराने मॉडल, जिन्होंने यह माना था कि मजबूती केवल इस बात का प्रतिबिंब है कि सामग्री कितनी "पुरानी" या धीमी है, उन्हें फिर से लिखने की आवश्यकता है। यह वैसा ही है जैसे यह महसूस करना कि एक व्यक्ति अविश्वसनीय रूप से मजबूत और मांसल हो सकता है बिना बूढ़ा हुए; ताकत और उम्र हमेशा एक साथ जुड़े नहीं होते हैं। जबकि बहुत तेजी से ठंडे किए गए प्लास्टिक के कंप्यूटर सिमुलेशन ने "ओवरएजिंग" दिखाया है, यह अध्ययन बताता है कि वास्तविक दुनिया में, जहाँ प्लास्टिक धीरे-धीरे ठंडा होता है, तनाव इसे तेजी से उम्र बढ़ाने के लिए मजबूर नहीं करता है। इसके बजाय, यह इसे इस तरह से मजबूत बनाता है जो अंदर से आश्चर्यजनक रूप से जीवंत और गतिशील बना रहता है।