Rejuvenation versus overaging: The effect of cyclic loading/unloading on the segmental dynamics of PMMA glasses

कांच केवल खिड़कियों में पारदर्शी सामग्री या पीने के पात्रों तक ही सीमित नहीं है; पदार्थ विज्ञान (materials science) की दुनिया में, यह शब्द कई प्लास्टिक सहित पदार्थों के एक विशाल परिवार का वर्णन करता है, जिन्हें इतनी तेज़ी से ठंडा किया गया कि उन्हें एक व्यवस्थित, क्रिस्टलीय संरचना में खुद को व्यवस्थित करने का मौका ही नहीं मिला। इसके बजाय, उनके अणु एक अव्यवस्थित, उलझी हुई अवस्था में जमे रहते हैं, ठीक वैसे ही जैसे लोगों की एक भीड़ अचानक चलते-चलते रुक गई हो। क्योंकि वे इस अव्यवस्था में फंसे हुए हैं, ये सामग्रियां कभी भी वास्तव में विश्राम की स्थिति में नहीं होतीं। यहाँ तक कि शेल्फ पर स्थिर रखे होने पर भी, वे समय के साथ धीरे-धीरे खुद को पुनर्गठित करना जारी रखती हैं, जिसे 'फिजिकल एजिंग' (भौतिक वृद्धावस्था) कहा जाता है। यह धीमी विकास प्रक्रिया सामग्री के व्यवहार को बदल देती है, जिससे वर्षों बीतने के साथ यह अक्सर अधिक सख्त और भंगुर (brittle) हो जाती है, जो कार के बंपर से लेकर चिकित्सा उपकरणों तक में अप्रत्याशित विफलताओं का कारण बन सकती है। वैज्ञानिकों लंबे समय से यह जानना चाहते थे कि क्या यांत्रिक तनाव (mechanical stress), जैसे कि झुकना या खींचना, इस एजिंग प्रक्रिया को तेज कर सकता है, जिससे सामग्री "ओवरएज्ड" (अत्यधिक वृद्ध) अवस्था में पहुँच जाए और बिना तनाव के रहने वाली सामग्री की तुलना में अधिक नाजुक हो जाए।

इसकी जांच करने के लिए, विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने पीएमएमए (PMMA) नामक प्लास्टिक के एक विशिष्ट प्रकार की ओर ध्यान केंद्रित किया, जिसे आमतौर पर एक्रिलिक के रूप में जाना जाता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या इस सामग्री को बार-बार खींचने और छोड़ने से, जिसे चक्रीय लोडिंग और अनलोडिंग (cyclic loading and unloading) कहा जाता है, यह सामान्य से अधिक तेजी से एजिंग करती है। यदि प्लास्टिक 'ओवरएज' हो जाता, तो यह धीमा हो जाता और अधिक भंगुर हो जाता, जिससे यह तनाव के कारण अपने ही एक "बदतर" संस्करण में बदल जाता। टीम ने इस प्लास्टिक की पतली परतें तैयार कीं और उन्हें हजारों चक्रों तक खींचा, उन्हें उनकी लंबाई के केवल एक बहुत छोटे हिस्से—0.003 और 0.007 के बीच—तक खींचा, जो उस बिंदु से बहुत कम है जहाँ प्लास्टिक स्थायी रूप से विकृत या टूट जाएगा। उन्होंने ये प्रयोग उस तापमान के ठीक नीचे किए जहाँ प्लास्टिक एक कठोर ठोस से नरम, रबर जैसी अवस्था में बदल जाता है, जो वह सीमा है जहाँ सामग्री परिवर्तन के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होती है।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि सामग्री के भीतर क्या हो रहा है, दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग किया। एक विधि ने प्लास्टिक की यांत्रिक प्रतिक्रिया (mechanical response) को मापा, यह देखा कि बार-बार होने वाले तनाव के तहत यह कितना खिंचता और शिथिल होता है। दूसरी विधि कहीं अधिक संवेदनशील थी, जिसमें प्लास्टिक के भीतर अंतर्निहित सूक्ष्म फ्लोरोसेंट अणुओं को जासूसों के रूप में उपयोग किया गया। इन अणुओं के घूमने को देखकर, वैज्ञानिक प्लास्टिक की आंतरिक आणविक गतिविधियों, जिन्हें 'सेगमेंटल डायनेमिक्स' (segmental dynamics) कहा जाता है, की गति को ट्रैक कर सके। यह आणविक गति सामग्री की धड़कन है; यदि अणु तेजी से चलते हैं, तो सामग्री प्रभावी रूप से "युवा" और अधिक लचीली होती है, और यदि वे धीरे चलते हैं, तो सामग्री "पुरानी" और अधिक भंगुर होती है।

परिणाम आश्चर्यजनक और स्पष्ट थे। प्लास्टिक के तेजी से एज होने के प्रमाण खोजने के बजाय, शोधकर्ताओं ने देखा कि इसके विपरीत हुआ। जैसे ही हजारों खिंचाव के चक्र समाप्त हुए, प्लास्टिक के भीतर आणविक गतिविधियाँ वास्तव में उस नमूने की तुलना में अधिक तेज़ थीं जिसने बस बिना किसी व्यवधान के समय बिताया था। क्षेत्र की भाषा में, प्लास्टिक को "पुनर्जीवित" (rejuvenated) किया गया था, या थोड़ा युवा अवस्था में रीसेट किया गया था। जैसे-जैसे समय बीता, सामग्री धीरे-धीरे अपने सामान्य एजिंग पथ पर वापस लौट आई, लेकिन यह कभी भी अत्यधिक वृद्ध होने की स्थिति में नहीं पहुँची। प्लास्टिक ने अपनी मूल आयु को याद रखा और उसकी ओर वापस लौटा, न कि उसे मिटा दिया या किसी गहरी, अधिक एज्ड अवस्था में धकेल दिया।

इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि दोनों माप विधियों ने प्रभाव की तीव्रता के बारे में थोड़ी अलग कहानियाँ सुनाईं। यांत्रिक मापों ने, जो सामग्री के थोक खिंचाव (bulk stretching) को ट्रैक करते हैं, बहुत छोटे बदलाव दिखाए जो सामान्य, रैखिक व्यवहार के अनुरूप थे। हालाँकि, आणविक जासूसी तकनीक ने आंतरिक गति में एक स्पष्ट और महत्वपूर्ण तेजी का पता लगाया। यह सुझाव देता है कि जबकि प्लास्टिक बाहर से काफी हद तक अपरिवर्तित लग रहा था, इसकी आंतरिक संरचना को सूक्ष्म रूप से बदला गया था जिसे मानक यांत्रिक परीक्षण मिस कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि आणविक गति की यह तेजी उन सभी तापमानों और खिंचाव की मात्राओं में देखी गई जो उन्होंने परीक्षण किए थे, और उन्हें उस भयानक 'ओवरएजिंग' प्रभाव का कोई संकेत नहीं मिला जहाँ सामग्री खतरनाक रूप से भंगुर हो जाती है।

इस अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि यह प्रभाव कितने समय तक रहता है। जब उन्होंने प्लास्टिक को खींचना बंद किया, तो आंतरिक आणविक गति फिर से धीमी होने लगी, और धीरे-धीरे एक सामान्य, एजिंग नमूने की गति की ओर लौटने लगी। यह रिकवरी स्वयं नमूने की आयु के पैमाने पर हुई, जो यह दर्शाता है कि सामग्री ने अपने इतिहास को याद रखा। इसने अपने अतीत को नहीं भुलाया और एक बिल्कुल नए, बिना एज किए गए प्लास्टिक के रूप में शुरुआत नहीं की, और न ही इसने अपने अतीत को भूलकर एक प्राचीन, ओवर-एज्ड वस्तु बन जाने का निर्णय लिया। इसने बस एक युवा अवस्था की ओर एक संक्षिप्त मोड़ लिया और फिर अपने मूल पथ पर वापस स्थिर हो गई।

ये निष्कर्ष इस विचार को चुनौती देते हैं कि यांत्रिक तनाव हमेशा पॉलीमर ग्लास को अधिक भंगुर, ओवरएज्ड अवस्था की ओर धकेलता है। हालांकि कंप्यूटर सिमुलेशन ने कभी-कभी सुझाव दिया है कि तीव्र विरूपण (deformation) एजिंग को तेज कर सकता है, इस वास्तविक दुनिया के प्रयोग ने, जो धीरे-धीरे ठंडे किए गए प्लास्टिक के साथ किया गया था, ऐसा कोई प्रभाव नहीं दिखाया। प्लास्टिक अधिक नाजुक नहीं हुआ; यदि कुछ हुआ, तो यह थोड़ा अधिक गतिशील हो गया। यह अंतर इंजीनियरों के लिए महत्वपूर्ण है जो दशकों तक तनाव झेलने के लिए डिज़ाइन किए गए उत्पादों का निर्माण करते हैं। यह सुझाव देता है कि उन सामग्रियों के लिए जैसे कि PMमा (PMMA) जिसका उपयोग उनके नरम होने के बिंदु के ठीक नीचे किया जाता है, यह डर कि यांत्रिक तनाव ओवरएजिंग के कारण अचानक, त्वरित पतन का कारण बनेगा, निराधार हो सकता है। इसके बजाय, सामग्री लचीली दिखाई देती है, जो अपनी मौलिक स्थिरता खोए बिना या भंगुरता की ओर अपनी यात्रा को तेज किए बिना, बार-बार पड़ने वाले तनाव को सहने में सक्षम है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि इन सामग्रियों की आंतरिक दुनिया जटिल है, और कभी-कभी, यह देखने के लिए कि कोई सामग्री केवल तनाव से बच नहीं रही है, बल्कि क्षण भर के लिए उसमें फल-फूल रही है, सबसे संवेदनशील उपकरणों की आवश्यकता होती है।