Multi-step deformation experiment and development of a model for the mechanical behavior of polymeric glasses
यह शोध पत्र फोटोब्लीचिंग और यांत्रिक प्रयोगों के संयोजन के माध्यम से यह प्रदर्शित करके ग्लास पॉलीमर के पारंपरिक आणविक गतिशीलता-आधारित मॉडलों को चुनौती देता है कि आंशिक अनलोडिंग गतिशीलता को कम नहीं करती है, जिससे एक नए मॉडल का विकास होता है जहाँ रिलैक्सेशन टाइम के बजाय कुशलतापूर्वक पैक की गई सामग्री का अंश तनाव-प्रेरित परिवर्तनों द्वारा शियर मॉड्यूलस को नियंत्रित करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ सामग्रियों की याददाश्त होती है, घटनाओं की नहीं, बल्कि इस बात की कि उन्हें कैसे दबाया गया, खींचा गया और छोड़ दिया गया। यह पॉलिमरिक ग्लासेस (polymeric glasses) का आकर्षक क्षेत्र है—अपने फोन केस के सख्त, पारदर्शी प्लास्टिक या लैपटॉप के कठोर केस के बारे में सोचें। रबर के विपरीत, जो आसानी से वापस उछलता है, या तरल के विपरीत, जो स्वतंत्र रूप से बहता है, ये सामग्रियां एक अजीब से बीच के पड़ाव में फंसी हुई हैं। वे "जमी हुई" तरल पदार्थ हैं। यदि आप उन्हें धीरे से खींचते हैं, तो वे सख्त स्प्रिंग्स की तरह व्यवहार करते हैं। लेकिन यदि आप उन्हें पर्याप्त जोर से खींचते हैं, तो वे अचानक झुक जाते हैं, फैल जाते हैं और गाढ़े शहद की तरह बहने लगते हैं।
वैज्ञानिक लंबे समय से मानते आए थे कि वे जानते थे कि ऐसा क्यों होता है। प्रचलित सिद्धांत एक ट्रैफिक जाम की तरह था: जब सामग्री शिथिल (relaxed) होती है, तो उसके भीतर के सूक्ष्म अणु एक ग्रिडलॉक में फंसे होते हैं, बहुत धीरे चलते हैं। जब आप जोर से खींचते हैं, तो आप उन्हें एक धक्का देते हैं, ट्रैफिक को साफ करते हैं और उन्हें तेजी से दौड़ने (अधिक गतिशील होने) के लिए प्रेरित करते हैं। वे जितनी तेजी से चलते हैं, सामग्री का बहना उतना ही आसान होता है। यह एक सरल, सहज विचार है: तनाव अणुओं को तेजी से चलाता है, और गति में यह बदलाव उनके खिंचाव के अजीब व्यवहार को समझाता है। लेकिन क्या होगा अगर इस ट्रैफिक जाम सिद्धांत में पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा गायब है? क्या होगा अगर सामग्री केवल अपने अणुओं के चलने की गति को नहीं बदल रही है, बल्कि वास्तव में अपनी आंतरिक "कठोरता" (stiffness) को उस तरह से बदल रही है जिसकी हमने कभी उम्मीद नहीं की थी?
यही वह रहस्य है जिसे हल करने के लिए शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठान लिया। उन्होंने PMMA (वह चीज़ जिससे प्लेक्सीग्लासस बनता है) नामक प्लास्टिक के टुकड़े पर एक चतुर चार-चरणीय प्रयोग का उपयोग करके पुराने "ट्रैफिक जाम" सिद्धांत को अंतिम परीक्षा में डालने का निर्णय लिया। उन्होंने यह खेल इस प्रकार खेला:
- खिंचाव (The Stretch): उन्होंने प्लास्टिक को एक स्थिर गति से तब तक खींचा जब तक कि वह झुक गया और बहने लगा।
- विराम (The Pause): उन्होंने तनाव को छोड़ दिया, लेकिन पूरी तरह से नहीं। वे एक विशिष्ट तनाव स्तर पर रुके और उसे वहीं बनाए रखा, जिससे प्लास्टिक को कुछ समय के लिए "क्रिप" (धीरे-धीरे खिंचना) करने दिया गया।
- मरोड़ (The Twist): उन्होंने इसे फिर से उसी स्थिर गति से खींचा।
शोधकर्ता विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि क्या होता है यदि वे तनाव को केवल थोड़ा सा छोड़ देते हैं (आंशिक अनलोडिंग) बनाम यदि वे इसे पूरी तरह से छोड़ देते हैं (शून्य तनाव)।
बड़ी हैरानी
पुराने "ट्रैफिक जाम" सिद्धांत के अनुसार, यदि आप प्लास्टिक को उच्च तनाव के तहत आराम करने देते हैं (आंशिक अनलोडिंग), तो अणु अभी भी तेजी से घूमते रहने चाहिए क्योंकि तनाव उन्हें सक्रिय रख रहा है। यदि वे तेजी से घूम रहे हैं, तो सामग्री "युवा" और ताज़ा होनी चाहिए, जिसका अर्थ है कि दूसरी बार खींचने पर उसे अधिक प्रतिरोध नहीं करना चाहिए। दूसरे शब्दों में, पुराने सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी कि एक थोड़ा तनावपूर्ण, विश्राम कर रहा प्लास्टिक, दूसरी बार खींचने पर आसान होगा।
लेकिन प्रयोग ने बिल्कुल विपरीत दिखाया। जब शोधकर्ताओं ने विराम के दौरान प्लास्टिक को उच्च तनाव के तहत पकड़ा, तो दूसरी बार खींचने पर उसने जबरदस्त मुकाबला किया, जिससे एक बड़ा "स्ट्रेस ओवरशूट" (प्रतिरोध का एक बड़ा उछाल) पैदा हुआ। जब प्लास्टिक को शून्य तनाव (पूरी तरह से शिथिल) के तहत छोड़ा गया, तो उसने दूसरी बार खींचने पर बहुत कम प्रतिरोध दिखाया।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे गलत नहीं देख रहे हैं, वैज्ञानिकों ने फोटोब्लीचिंग (photobleaching) नामक एक विशेष "आणविक कैमरे" का उपयोग किया। उन्होंने प्लास्टिक को छोटे चमकते अणुओं के साथ रंगा और देखा कि वे कितनी तेजी से घूमते हैं। इसने उन्हें वास्तविक समय में अणुओं की गति मापने की अनुमति दी। कैमरे ने पुष्टि की कि पुराना सिद्धांत एक बात में सही था: उच्च तनाव के तहत अणु वास्तव में तेजी से चलते हैं और शून्य तनाव के तहत धीमे चलते हैं। "ट्रैफिक" निश्चित रूप से उच्च तनाव के तहत तेजी से चल रहा था।
कहानी में मोड़ (The Plot Twist)
यहाँ कहानी रोमांचक हो जाती है। पुराने सिद्धांत ने कहा: "तेज अणु = आसान खिंचाव।" लेकिन प्रयोग ने दिखाया: "तेज अणु = कठिन खिंचाव।" अणुओं की गति इस परिणाम को नहीं समझा सकी। "ट्रैफिक जाम" का विचार, जो दशकों से मानक स्पष्टीकरण रहा था, टूट गया।
इसलिए, शोधकर्ताओं ने एक नया मॉडल बनाया कि वास्तव में क्या हो रहा है। अणुओं के केवल तेज या धीमे चलने के बारे में सोचने के बजाय, उन्होंने प्लास्टिक की कल्पना लोगों की एक भीड़ के रूप में की जो दो अलग-अलग तरीकों से हाथ पकड़े हुए हैं:
- "कुशल" समूह (The "Efficient" Pack): लोग एक व्यवस्थित ग्रिड में मजबूती से हाथ पकड़े हुए हैं। यह समूह बहुत सख्त है और इसे अलग करना कठिन है।
- "अकुशल" समूह (The "Inefficient" Pack): लोग ढीले और अव्यवस्थित तरीके से हाथ पकड़े हुए हैं। यह समूह लचीला है और इसे खींचना आसान है।
नया मॉडल सुझाव देता है कि जब आप प्लास्टिक पर खींचते हैं, तो आप केवल अणुओं को तेजी से नहीं चला रहे होते हैं; आप वास्तव में उन सख्त, कुशल ग्रिडों को चकनाचूर कर रहे होते हैं और उन्हें अव्यवस्थित, अकुशल ग्रिडों में बदल रहे होते हैं। यही कारण है कि पहले खिंचाव के बाद सामग्री नरम हो जाती है।
लेकिन यहाँ मुख्य बात है, चार-चरणीय प्रयोग के लिए: जब आप खींचना बंद करते हैं और प्लास्टिक को उच्च तनाव के तहत पकड़ते हैं (आंशिक अनलोडिंग), तो सख्त ग्रिडों के पास खुद को पुनर्गठित करने का समय होता है। तनाव एक चुंबक की तरह कार्य करता है, जो अणुओं को वापस उन सख्त, कुशल संरचनाओं में खींचता है। इसलिए, जब आप दोबारा खींचते हैं, तो आप एक ऐसी सामग्री के खिलाफ लड़ रहे होते हैं जिसने अभी-अभी खुद को एक सुपर-स्टिफ (अत्यधिक सख्त) अवस्था में पुनर्गठित किया है, जिससे प्रतिरोध का वह बड़ा उछाल आता है।
यदि आप प्लास्टिक को शून्य तनाव के तहत आराम करने देते हैं, तो सख्त ग्रिडों के पास पुनर्गठित होने का कोई दबाव नहीं होता, इसलिए सामग्री अव्यवस्थित और लचीली बनी रहती है, जो दूसरी बार खींचने पर बहुत कम प्रतिरोध देती है।
निष्कर्ष
पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि पुराना विचार—कि विरूपण (deformation) केवल अणुओं के चलने की गति बदलने के बारे में है—अधूरा है। हालांकि तनाव के दौरान अणु वास्तव में तेजी से चलते हैं, लेकिन असली जादू (और दूसरी बार के अजीब उछाल का वास्तविक कारण) यह है कि तनाव स्वयं सामग्री की संरचना को बदल देता है, जिससे उसकी कठोरता (या शियर मॉड्यूलस) बदल जाती है।
शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए नोट करते हैं कि यह एक "टॉय मॉडल" (toy model) है—वास्तविकता का एक सरलीकृत, वैचारिक संस्करण जिसे एक बिंदु सिद्ध करने के लिए बनाया गया है। यह दुनिया के हर प्लास्टिक का अंतिम, पूर्ण विवरण नहीं है, लेकिन यह सफलतापूर्वक उस भ्रमित करने वाले चार-चरणीय प्रयोग को समझाता जिसे पुराने सिद्धांतों ने हल नहीं कर पाया था। यह सुझाव देता है कि ग्लास जैसी प्लास्टिक के व्यवहार को वास्तव में समझने के लिए, हमें केवल इस बात को देखना बंद करना होगा कि अणु कितनी तेजी से दौड़ते हैं और यह देखना शुरू करना होगा कि वे अपने फर्नीचर को कैसे व्यवस्थित करते हैं।
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