Segmental Dynamics in the Strain-hardening Regime for Poly(methyl methacrylate) Glasses with and without Melt-stretching
एक फोटोब्लीचिंग तकनीक का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि मेल्ट-स्ट्रेच्ड पॉली(मिथाइल मेथैक्रिलेट) ग्लास अपने गैर-स्ट्रेच्ड समकक्षों की तुलना में अधिक प्रमुख स्ट्रेन-हार्डनिंग और लगभग 15% तेज़ सेगमेंटल डायनेमिक्स प्रदर्शित करते हैं, जबकि दोनों प्रणालियाँ डीप स्ट्रेन-हार्डनिंग रिजीम में सेगमेंटल मोशन का महत्वपूर्ण त्वरण दिखाती हैं जो पूर्व सिमुलेशन के अनुरूप है।
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कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ पदार्थ एक भीड़ भरे डांस फ्लोर की तरह हैं। एक शांत अवस्था में, नर्तक (अणु) कसकर पैक होते हैं, धीरे चलते हैं और अपने स्थानों से चिपके रहते हैं। वैज्ञानिक इसे "ग्लास" (कांच जैसी अवस्था) कहते हैं। लेकिन क्या होता है जब आप इस भीड़ भरे फ्लोर को धक्का देते हैं? यदि आप बहुत ज़ोर से या बहुत तेज़ी से धक्का देते हैं, तो नर्तक लड़खड़ा सकते हैं और फर्श टूट सकता है। हालाँकि, कुछ पदार्थों के पास एक गुप्त महाशक्ति होती है: जब वे खिंचने लगते हैं और तनाव महसूस करते हैं, तो वे अचानक और भी मज़बूत हो जाते हैं, टूटने से इनकार कर देते हैं। इस घटना को "स्ट्रेन-हार्डनिंग" (विकृति-कठोरता) कहा जाता है। यही वह कारण है जिससे प्लास्टिक का एक टुकड़ा बिना टूटे एक लंबे, पतले धागे में खींचा जा सकता है।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों होता है, वैज्ञानिक देखते हैं कि व्यक्तिगत नर्तक कितनी तेज़ी से हिल-डुल सकते हैं और अपनी जगह बदल सकते हैं, जिसे "सेगमेंटल डायनेमिक्स" (खंडीय गतिशीलता) के रूप में जाना जाता है। लंबे समय तक, विज्ञान समुदाय में इस बात पर एक बड़ी बहस थी कि जब सामग्री को उसके "सुपर-टफ" (अति-मज़बूत) ज़ोन में खींचा जा रहा होता है, तो इन हलचलों (विगल्स) के साथ क्या होता है। कुछ सिद्धांतों ने सुझाव दिया कि नर्तक धीमे और अधिक कठोर हो जाएंगे, जैसे डर के मारे लोग जम जाते हैं। अन्य सिद्धांत, जो कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित थे, ने अनुमान लगाया कि वे वास्तव में तेज़ हो सकते हैं, यानी तनाव को संभालने के लिए वे और तेज़ी से नाच सकते हैं। उत्तर जानना इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह इंजीनियरों को बेहतर प्लास्टिक डिज़ाइन करने में मदद करता है जो गिरने या खिंचने पर टूटते नहीं हैं।
इस अध्ययन में, यूनिवर्सिटी ऑफ विस्कॉन्सिन-मैडिसन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने "फोटोब्लीचिंग" नामक एक विशेष ट्रिक का उपयोग करके वास्तविक समय में नर्तकों को देखकर इस बहस को सुलझाने का निर्णय लिया। फोटोब्लीचिंग एक विशेष तरीका है जिसमें फ्लोरोसेंट नर्तकों के एक विशिष्ट समूह पर एक तेज़ रोशनी डाली जाती है ताकि वे अस्थायी रूप से अदृश्य हो जाएं, और फिर यह समय लिया जाता है कि उन्हें वापस चालू होने और भीड़ के साथ घुलने-मिलने में कितना समय लगता है। उन्होंने पॉली(मिथाइल मेथैक्रिलेट), या PMMA नामक एक सामान्य प्लास्टिक का परीक्षण किया, जिसका उपयोग प्लेक्सीग्लास जैसी चीज़ों में किया जाता है। उन्होंने दो समूहों की तुलना की: एक समूह PMMA का जिसे बस तेज़ी से ठंडा (क्वेंच्ड) किया गया था, और दूसरा समूह जिसे पहले गर्म अवस्था में खींचा गया था और फिर ठंडा (मेल्ट-स्ट्रेच्ड) किया गया था। मेल्ट-स्ट्रेच्ड समूह विशेष है क्योंकि यह ज्ञात है कि यह बहुत अधिक मज़बूत है और इसमें अधिक शक्तिशाली "स्ट्रेन-हार्डनिंग" प्रभाव दिखता है।
शोधकर्ताओं ने प्लास्टिक के इन नमूनों को उनके टूटने के बिंदु से बहुत आगे तक खींचा, यानी "डीप स्ट्रेन-हार्डनिंग" (गहन विकृति-कठोरता) के चरण में। उन्होंने विभिन्न चरणों में प्लास्टिक के अणुओं के हिलने-डुलने की गति को मापा। उनके निष्कर्ष स्पष्ट और रोमांचक थे: अणु वास्तव में तेज़ हो गए! जब प्लास्टिक को गहराई से खींचा गया, तो मज़बूत, मेल्ट-स्ट्रेच्ड नमूनों में सेगमेंटल डायनेमिक्स नियमित नमूनों की तुलना में लगभग 15% बढ़ गया। नियमित नमूनों के लिए भी, जब वे 0.8 का वास्तविक स्ट्रेन (अर्थात सामग्री को उसकी मूल लंबाई के 180% तक खींचा गया) तक पहुँचे, तो अणु प्लास्टिक के शुरू में 'यील्ड' (लचीलापन दिखाने) होने के ठीक बाद की तुलना में लगभग 40% तेज़ी से चले।
यह परिणाम एक बड़ी बात है क्योंकि यह एक लोकप्रिय सिद्धांत का सीधा खंडन करता है जो भविष्यवाणी करता था कि इस कठिन चरण के दौरान अणु धीमे हो जाएंगे और फंस जाएंगे। इसके बजाय, डेटा कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ पूरी तरह मेल खाता है जो यह सुझाव देते थे कि अणु खिंचाव की ऊर्जा को दूर करने के लिए तेज़ी से नाचते हैं। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि "अधिक मज़बूत" मेल्ट-स्ट्रेच्ड प्लास्टिक केवल कम ही नहीं टूटा; बल्कि इसमें एक अधिक नाटकीय हार्डनिंग प्रभाव था और इसके अणु गैर-खिंचे हुए प्लास्टिक की तुलना में थोड़े तेज़ी से चले। यह साबित करके कि इस महत्वपूर्ण चरण के दौरान अणु धीमे होने के बजाय तेज़ होते हैं, लेखकों ने यह बताने के लिए एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान की है कि पॉलिमर ग्लास कैसे अपनी सीमाओं तक खिंचने के बावजूद जीवित रहते हैं।
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