Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ आप ऐसी नन्ही, स्पंज जैसी संरचनाएँ बना सकते हैं जो कभी ढहती नहीं हैं, और जिनमें दो अलग-अलग तरल पदार्थ भरे होते हैं जो आपस में मिलने से इनकार कर देते हैं—जैसे तेल और पानी—लेकिन उन्हें कणों की एक सूक्ष्म सेना द्वारा थामे रखा जाता है। यह कोलाइडल विज्ञान (colloidal science) का क्षेत्र है, जो भौतिक विज्ञान की एक शाखा है जो इस बात का अध्ययन करती है कि सूक्ष्म कण तरल पदार्थों में कैसे व्यवहार करते हैं। इस दुनिया में, वैज्ञानिक बाइकॉन्टिन्यूअस सामग्रियों (bicontinuous materials) को बनाने के लिए जुनूनी हैं। इन्हें केवल छेदों वाले स्पंज के रूप में न सोचें, बल्कि एक जटिल, आपस में गुंथे हुए भूलभुलैया के रूप में सोचें जहाँ दो अलग-अलग तरल पदार्थ निरंतर चैनलों में एक-दूसरे के बगल में बहते हैं, जैसे कि एक डबल-हेलिक्स हाईवे सिस्टम। ये संरचनाएँ चीजों को इधर-उधर ले जाने में अविश्वसनीय रूप से कुशल होती हैं, जो उन्हें प्रदूषण को साफ करने, बैटरी में ऊर्जा संग्रहीत करने या यहाँ तक कि नए शरीर के ऊतकों को उगाने में मदद करने जैसी चीजों के लिए एकदम सही बनाती हैं।

इन भूलभुलैयाओं को बनाने के लिए, वैज्ञानिक STrIPS (सॉल्वेंट-ट्रांसफर-इंड्यूस्ड फेज सेपरेशन) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग करते हैं। कल्पना कीजिए कि आपके पास तेल, पानी और एक विशेष विलायक (solvent) का मिश्रण है जो दोनों से प्यार करता है। यदि आप उस विलायक को धीरे-धीरे हटाते हैं, तो तेल और पानी को अलग होने के लिए मजबूर किया जाता है। लेकिन बड़े धब्बों के रूप में बनने के बजाय, वे एक अराजक, सुंदर नृत्य में फंस जाते हैं, जिससे एक स्थायी, आपस में गुंथा हुआ नेटवर्क बन जाता है। इस नेटवर्क को ढहने से बचाने के लिए, वैज्ञानिक नैनोकणों को मिलाते हैं—नन्हे कण जो एक सुरक्षात्मक कवच की तरह काम करते हैं, जो तेल और पानी के बीच की सीमा पर खुद को जमा लेते हैं ताकि आकार को बनाए रखा जा सके।

लेकिन यहाँ एक पेंच है: जब आप इन संरचनाओं को किसी ठोस सतह (जैसे कांच की स्लाइड) पर एक पतली फिल्म के रूप में बनाने की कोशिश करते हैं, तो वह सतह खुद एक दबंग रेफरी की तरह व्यवहार करने लगती है। वह केवल वहाँ बैठी नहीं रहती; वह तेल और पानी के व्यवहार को उसके ठीक बगल में कैसे प्रभावित करती है। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं, वह यह है: सतह तेल के प्रति कितनी परवाह करती है या पानी के प्रति, और यह भूलभुलैया के अंतिम आकार को कैसे बदल देती है? इस बात को समझना इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि आप इन फिल्मों का वास्तविक दुनिया के गैजेट्स के लिए उपयोग करना चाहते हैं, तो आपको यह जानना आवश्यक है कि वे कैसे चिपकती हैं और जमीन को छूने वाली जगह पर वे कैसी दिखती हैं।

इस अध्ययन में, जेसी स्टीनहॉफ और मार्टिन हासे ने इन सूक्ष्म भूलभुलैया के साथ एक जासूस की भूमिका निभाने का निर्णय लिया। वे देखना चाहते थे कि क्या होता है जब वे कांच की स्लाइडों पर ये "बिजेल" (bijel - bicontinuous interfacially jammed emulsion gel) फिल्में बनाते हैं, जिन्हें या तो अत्यधिक जल-प्रेमी (water-loving) या जल-विरोधी (water-hating) बनाया गया है।

सबसे पहले, उन्हें अपने स्वयं के "दबंग रेफरी" बनाने थे। उन्होंने साधारण कांच की स्लाइड ली और उन्हें n-OTMS नामक एक रसायन से उपचारित किया। इस रसायन को नन्ही, चिकनी पूंछों से बने कवच के रूप में समझें। कांच को इस रसायन के घोल में अलग-अलग समय के लिए डुबोकर, वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि कांच कितना "चिकना" (hydrophobic) हो जाता है। एक छोटी डुबकी कांच को ज्यादातर जल-प्रेमी छोड़ देती थी, जबकि एक लंबी डुबकी इसे तेजी से जल-विरोधी बनाती थी। उन्होंने अपने काम की जाँच करने के लिए कांच पर पानी की छोटी बूंदें डालीं; अनुपचारित कांच पर, पानी फैलकर सपाट हो गया, लेकिन उपचारित कांच पर, पानी की बूंदें सिमट गईं, जिससे सिद्ध हुआ कि सतह बदल गई थी।

इसके बाद, उन्होंने अपनी बि जेल (bijel) फिल्में बनाईं। उन्होंने इन विशेष रूप से तैयार की गई कांच की स्लाइडों को एक पूर्ववर्ती मिश्रण (precursor mixture) में डुबोया जिसमें तेल, पानी और सिलिका नैनोकण (लगभग 22 नैनोमीटर चौड़े) शामिल थे। जैसे ही विलायक वाष्पित हुआ, तेल और पानी अलग हो गए, और नैनोकणों ने इंटरफेस पर खुद को जमा लिया ताकि संरचना जम जाए। यह देखने के लिए कि क्या हो रहा है, उन्होंने एक अत्यंत शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया जिसे कन्फोकल माइक्रोस्कोप (confocal microscope) कहा जाता है। यह केवल एक साधारण कैमरा नहीं था; यह फिल्म के अंदर की 3D तस्वीरें ले सकता था, जो परत दर परत फिल्म के माध्यम से देख सकता था कि तेल (मैजेंटा रंग), पानी (काला), और नैनोकोग्राफिक्स (हरा) कहाँ हैं।

उन्होंने जो पाया वह सतह के प्रभाव की एक दिलचस्प कहानी थी। जब उन्होंने सबसे अधिक जल-प्रेमी कांच (अनुपचारित प्रकार) का उपयोग किया, तो फिल्म ने कांच के विरुद्ध पानी की एक पूरी तरह से चिकनी, सपाट परत बनाई। यह किनारे से चिपके हुए पानी की एक शांत, लैमिनार नदी की तरह था। हालाँकि, जैसे-जैसे उन्होंने कांच को अधिक जल-विरोधी बनाया, कहानी बदल गई। चिकनी पानी की परत गायब हो गई। इसके बजाय, सतह एक पैचवर्क क्विल्ट (patchwork quilt) बन गई। पानी से समृद्ध क्षेत्र छोटे द्वीपों में सिमट गए, और तेल-समृद्ध क्षेत्रों ने कब्जा करना शुरू कर दिया, जिससे एक ऊबड़-खाबड़, मिश्रित सतह परत बन गई।

शोधकर्ताओं ने "कवच" (नैनोकणों) के बारे में भी कुछ देखा। जब उन्होंने मिश्रण में अधिक नैनोकणों का उपयोग किया, तो पूरी संरचना, जिसमें सतह की परत भी शामिल थी, पतली हो गई। ऐसा लगता है जैसे नैनोकण इतने कसकर पैक हो गए कि उन्होंने परतों को दबा दिया। इसका मतलब था कि सतह के प्रभावों को स्पष्ट रूप से देखने के लिए, उन्हें कम नैनोकणों का उपयोग करने की आवश्यकता थी, अन्यथा परतें इतनी पतली थीं कि उन्हें देखना मुश्किल था।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके अवलोकन केवल एक इत्तेफाक नहीं थे, उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया। उन्होंने एक आभासी दुनिया बनाई जहाँ वे सतह की "चिकनाहट" को बदल सकते थे और तरल पदार्थों को अलग होते हुए देख सकते थे। कंप्यूटर माइक्रोस्कोप के साथ सहमत था: बहुत जल-प्रेमी सतह पर, आपको पानी की एक चिकनी परत मिलती है; बहुत जल-विरोधी सतह पर, आपको तेल की एक चिकनी परत मिलती है। लेकिन वास्तविक प्रयोग में एक मोड़ आया। जबकि कंप्यूटर ने कहा था कि एक अत्यधिक जल-विरोधी सतह एक आदर्श, चिकनी तेल की परत बनाएगी, वास्तविक फिल्मों ने ऐसा नहीं किया। एक पूर्ण शीट के बजाय, तेल ने एक पैची, असमान परत बनाई। लेखकों का सुझाव है कि ऐसा इसलिए है क्योंकि यदि तेल की परत बहुत अधिक पूर्ण और निरंतर हो जाती, तो पूरी फिल्म कांच से छिलकर आसपास के तेल स्नान में तैरती चली जाती!

तो, निष्कर्ष क्या है? यह शोध पत्र सुझाव देता है कि जिस सतह पर आप इन फिल्मों का निर्माण करते हैं वह एक शक्तिशाली निर्देशक है। यह केवल फिल्म को थामता नहीं है; यह सक्रिय रूप से भूलभुलैया की पहली परत को आकार देता है। यदि आप जल-समृद्ध शुरुआत चाहते हैं, तो जल-प्रेमी सतह का उपयोग करें। यदि आप तेल-समृद्ध शुरुआत चाहते हैं, तो जल-विरोधी सतह का उपयोग करें। लेकिन यह एक नाजुक संतुलन है: सतह को बहुत चरम बना दें, और फिल्म अपनी पकड़ खो सकती है। यह अंतर्दृष्टि वैज्ञानिकों को इन सामग्रियों (जैसे फिल्टर या मेडिकल स्कैफोल्ड्स) को बेहतर ढंग से डिजाइन करने में मदद करती है, यह सुनिश्चित करती है कि वे बिल्कुल नीचे से सही तरीके से चिपकें और उनकी सही संरचना हो।