Reversing strain deformations probe mechanisms for enhanced segmental mobility of polymer glasses

हमारे द्वारा सामना किए जाने वाले अधिकांश ठोस पदार्थ, फोन के प्लास्टिक केसिंग से लेकर कार की खिड़की तक, पूर्णतः कठोर क्रिस्टल नहीं होते हैं। इसके बजाय, वे अक्सर पॉलीमर ग्लास होते हैं: अणुओं की लंबी, उलझी हुई श्रृंखलाएं जिन्हें इतनी तेज़ी से ठंडा किया गया है कि वे खुद को एक व्यवस्थित ठोस के रूप में व्यवस्थित नहीं कर सकीं। वे एक अव्यवस्थित अवस्था में जम गए हैं, बिल्कुल एक ऐसे तरल की तरह जिसने बहने की अपनी क्षमता खो दी हो। समय के साथ, ये सामग्रियां धीरे-धीरे एक अधिक स्थिर, निम्न-ऊर्जा अवस्था में बस जाती हैं, जिसे भौतिक उम्र बढ़ने (physical aging) की प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है। यह उम्र बढ़ना सामग्री को सख्त और भंगुर बना देता है, जिससे इसे मोड़ने या तोड़ने के लिए आवश्यक बल बढ़ जाता है। हालांकि, यदि आप सामग्री को विकृत करने के लिए पर्याप्त जोर लगाते हैं, तो आप इस घड़ी को रीसेट कर सकते हैं। सामग्री को खींचने और फिर छोड़ने की क्रिया इसे ऐसा बना सकती है जैसे कि वह अधिक युवा और नरम हो गई हो, एक ऐसी घटना जिसे वैज्ञानिक 'मैकेनिकल रिजुवेनेशन' (यांत्रिक पुनर्जीवन) कहते हैं। यह समझना कि वास्तव में यह रीसेट कब और कैसे होता है, यह अनुमान लगाने के लिए महत्वपूर्ण है कि तनाव के तहत प्लास्टिक के घटक कितने समय तक टिकेंगे, फिर भी सामग्री अपनी उम्र को कब "भूल" जाती है, इसका सटीक क्षण गहन बहस का विषय बना हुआ है।

हाल ही में एक अध्ययन में, विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया को वास्तविक समय में होते हुए देखने का प्रयास किया, जिसमें उन्होंने एक सामान्य प्लास्टिक जिसे पॉली(मिथाइल मेथैक्रिलेट) या PMMA कहा जाता है, पर ध्यान केंद्रित किया। वे जानना चाहते थे कि क्या सामग्री खिंचाव के क्षण ही युवा हो जाती है, या केवल तब जब इसे एक विशिष्ट टूटने के बिंदु तक खींचा जाता है। इस उत्तर को खोजने के लिए, उन्होंने एक सूक्ष्म प्रयोग किया जहाँ उन्होंने प्लास्टिक की एक पतली फिल्म को एक स्थिर दर पर खींचा, फिर तुरंत इसे वापस इसकी मूल लंबाई तक खींचा, जिससे तनाव को प्रभावी रूप से मिटा दिया गया लेकिन सामग्री की आंतरिक संरचना बदल गई। एक विशेष ऑप्टिकल तकनीक का उपयोग करके जो यह ट्रैक करती है कि प्लास्टिक के भीतर सूक्ष्म फ्लोरोसेंट अणु कैसे घूमते हैं, वे माप सके कि खींचने और छोड़ने के चक्र से पहले और बाद में आणविक श्रृंखलाएं कितनी तेज़ी से चल रही थीं। इस पद्धति ने उन्हें सामग्री की आंतरिक "घड़ी" को बिना उसे और अधिक बाधित किए देखने की अनुमति दी, जिससे यह स्पष्ट दृश्य मिला कि क्या खिंचाव ने वास्तव में ग्लास को पुनर्जीवित किया था।

परिणामों ने इन सामग्रियों के उबरने के तरीके की एक सूक्ष्म तस्वीर पेश की। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री अधिक नुकसान होने तक युवा होने का इंतज़ार नहीं करती है। यहाँ तक कि जब उन्होंने प्लास्टिक को स्थायी नुकसान पहुँचाने के लिए आवश्यक स्ट्रेन के साठ प्रतिशत तक ही खींचा, तो तनाव हटने के बाद आंतरिक आणविक गति काफी बढ़ गई। इससे संकेत मिला कि पुनर्जीवन प्रक्रिया सामग्री के 'यील्ड पॉइंट' (वह सीमा जहाँ से यह स्थायी रूप से बहना शुरू करती है) तक पहुँचने से बहुत पहले ही शुरू हो जाती है। हालाँकि, यह प्रभाव एक साथ नहीं हुआ। पुनर्जीवन की डिग्री खिंचाव बढ़ने के साथ धीरे-धीरे बढ़ती गई, और केवल तभी अपने अधिकतम स्तर पर पहुँची जब सामग्री को उसके यील्ड स्ट्रेन से कम से कम पांच गुना खींचा गया। यह सुझाव देता है कि सामग्री की अपनी आंतरिक अवस्था को रीसेट करने की क्षमता एक संचयी प्रक्रिया है जो विरूपण की गंभीरता के साथ गहरी होती जाती है।

अपने निष्कर्षों को पुख्ता करने के लिए, टीम ने सीधे सामग्री की यांत्रिक शक्ति को भी मापा। उन्होंने प्लास्टिक को खींचा, उसे छोड़ा, और फिर इसे दोबारा खींचा ताकि यह देखा जा सके कि दूसरी बार इसे तोड़ने के लिए कितने बल की आवश्यकता थी। यदि सामग्री पुनर्जीवित हो गई होती, तो इसे दूसरी बार यील्ड करने के लिए कम बल की आवश्यकता होती। इन यांत्रिक परीक्षणों ने बड़े विरूपण के लिए ऑप्टिकल निष्कर्षों की पुष्टि की, जो सामग्री को तोड़ने के लिए आवश्यक बल में स्पष्ट कमी दर्शाते हैं। फिर भी, प्री-यील्ड शासन (pre-yield regime) में, जहाँ ऑप्टिकल माप में पुनर्जीवन के स्पष्ट संकेत मिले थे, यांत्रिक परीक्षणों में बहुत कम परिवर्तन दिखा। यह विसंगति बताती है कि जबकि आणविक श्रृंखलाएं वास्तव में तेज़ी से चल रही हैं और सामग्री आंतरिक रूप से "युवा" है, यह परिवर्तन अभी इतना मजबूत नहीं है कि प्लास्टिक को तोड़ने के लिए आवश्यक स्थूल बल (macroscopic force) को बदल सके। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि यह अंतर इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि सामग्री एकसमान नहीं है; प्लास्टिक के भीतर छोटे, नरम हिस्से पहले यील्ड और पुनर्जीवित होते हैं, जबकि बाकी सामग्री सख्त बनी रहती है।

अध्ययन ने अपने प्रयोगात्मक डेटा की तुलना कंप्यूटर सिमुलेशन और मौजूदा सिद्धांतों से भी की। सिमुलेशन ने, जिन्होंने जेनेरिक पॉलीमर श्रृंखलाओं के व्यवहार का मॉडल बनाया था, भविष्यवाणी की कि पुनर्जीवन कम स्ट्रेन पर ही शुरू हो जाएगा, जो शोधकर्ताओं के ऑप्टिकल अवलोकनों से मेल खाता है। हालाँकि, एक प्रमुख सैद्धांतिक मॉडल जिसे 'नॉनलीन लैंग्विन इक्वेशन' (Nonlinear Langevin Equation) कहा जाता है, जो सामग्री को एक समान इकाई के रूप में मानता है, ने भविष्यवाणी की कि पुनर्जीवन तब तक शुरू नहीं होगा जब तक कि सामग्री को बहुत अधिक खींचा न जाए। तथ्य यह है कि ऑप्टिकल माप ने जल्दी पुनर्जीवन शुरू होने को दिखाया, यह इस विचार का समर्थन करता है कि सामग्री विषम (heterogeneous) है, जिसमें स्थानीय क्षेत्र औसत से भिन्न व्यवहार करते हैं। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि सामग्री पूरी तरह से युवा नहीं होती जब तक कि इसे काफी खींचा न जाए, पुनर्जीवन के बीज जल्दी बो दिए जाते हैं, जो ग्लास के भीतर इन स्थानीय, असमान आंदोलनों द्वारा संचालित होते हैं।

अंततः, यह कार्य स्पष्ट करता है कि पॉलीमर ग्लास का यांत्रिक इतिहास एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच जैसा नहीं है। सामग्री जैसे ही विकृत होती है, वह अपना पुराना स्वरूप खोना शुरू कर देती है, लेकिन इस रीसेट का पूर्ण प्रभाव दिखने के लिए बहुत अधिक खिंचाव की आवश्यकता होती है। आणविक गति को प्लास्टिक को तोड़ने के लिए आवश्यक बाहरी बल से अलग करके, शोधकर्ताओं ने एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान किया है कि ये सामग्रियां तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि पॉलीमर ग्लास के मानक दृष्टिकोण को, जो उन्हें एक समान ब्लॉक के रूप में देखता है, उन स्थानीय, छिपे हुए परिवर्तनों को शामिल करने के लिए अपडेट करने की आवश्यकता है जो दृश्य रूप से यील्ड होने से बहुत पहले घटित होते हैं। यह गहरी समझ यह समझाने में मदद करती है कि क्यों कुछ प्लास्टिक अप्रत्याशित रूप से विफल हो सकते हैं या मुड़ने के बाद अलग व्यवहार कर सकते हैं, जो भविष्य में टिकाऊ सामग्रियों के निर्माण के लिए एक अधिक सटीक आधार प्रदान करता है।