Active Reinforcement of Jammed Emulsions by Living Microswimmers
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि गतिशील *Chlamydomonas reinhardtii* माइक्रोस्विमर्स एक फीडबैक लूप के माध्यम से जैम्ड अरंडी के तेल-इन-वॉटर इमल्शन को यांत्रिक रूप से सुदृढ़ करते हैं, जिससे उनके यील्ड स्ट्रेस (yield stress) में दोगुनी वृद्धि होती है, जहाँ बूंदों का संकुचन तैराक के प्रणोदन बलों (propulsion forces) को बढ़ाता है, जिससे गतिविधि-प्रेरित आकर्षक अंतःक्रियाओं के माध्यम से सूक्ष्म संरचना को सख्त किया जाता है।
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सॉफ्ट मैटर फिजिक्स (Soft matter physics) उन सामग्रियों की विचित्र, बीच वाली दुनिया का अन्वेषण करता है जो न तो ठोस हैं और न ही तरल, बल्कि कुछ ऐसा है जो तरल होते हुए भी संरचित है। मेयोनेज़, टूथपेस्ट या गाढ़े पेंट के बारे में सोचें: ये पदार्थ तब बहते हैं जब आप उन्हें पर्याप्त जोर से धकेलते हैं, लेकिन अकेले छोड़ने पर अपना आकार बनाए रखते हैं। यह व्यवहार अक्सर "जैमिंग" (jamming) से उत्पन्न होता है, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ सूक्ष्म कण या बूंदें एक-दूसरे के साथ इतनी कसकर पैक हो जाती हैं कि वे एक जगह लॉक हो जाती हैं, जिससे एक कठोर नेटवर्क बन जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से समझते आए हैं कि यह साधारण, निष्क्रिय सामग्रियों के साथ कैसे होता है, लेकिन इसमें जीवन को शामिल करके एक नया मोर्चा खुल रहा है। प्रश्न अब केवल यह नहीं है कि कण कैसे जाम होते हैं, बल्कि यह है कि क्या होता है जब उन कणों के बीच नन्हे, जीवित तैराक भरे हों जो अपने पड़ोसियों के खिलाफ लगातार धक्का देते और खींचते हैं। इस अंतःक्रिया को समझना एक दिन हमें ऐसे सामग्रियां डिजाइन करने की अनुमति दे सकता है जो उनके भीतर मौजूद सूक्ष्म जीवन की गतिविधि को चालू या बंद करके अपनी मजबूती या बनावट बदल सकें।
हाल ही में एक अध्ययन में, एम्सटर्डम विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने ठीक इसी परिदृश्य की जांच करने के लिए एक गाढ़ा, तैलीय मिश्रण बनाया और उसमें जीवित शैवाल (algae) भर दिए। उन्होंने अरंडी के तेल (castor oil) की बूंदों का एक पायस (emulsion) बनाया जो पानी में निलंबित थे, एक ऐसा सिस्टम जो स्वाभाविक रूप से एक कठोर, जैम किया हुआ ठोस बन जाता है जब तेल पर्याप्त स्थान घेर लेता है। इस मिश्रण में, उन्होंने Chlamydomonas reinhardtii मिलाया, जो एक एककोशिकीय शैवाल है जो दो छोटी पूंछों को फड़फड़ाकर तैरता है। टीम ने इस मिश्रण के गुणों में होने वाले परिवर्तनों के वास्तविक कारण का परीक्षण करने के लिए तीन अलग-अलग संस्करण बनाए। पहले संस्करण में केवल तेल और पानी था। दूसरे संस्करण में वही तेल और पानी था, लेकिन इसमें मृत और स्थिर शैवाल थे, जो छोटे पत्थरों की तरह स्थिर बैठे थे। तीसरे संस्करण में जीवित, तैरते हुए शैवाल थे। प्रत्येक मिश्रण को प्रवाहित करने के लिए कितने बल की आवश्यकता थी, इसे सावधानीपूर्वक मापकर, शोधकर्ताओं ने पाया कि जीवित तैराकों ने सामग्री को काफी मजबूत बना दिया, कुछ मामलों में इसके प्रवाह के प्रतिरोध को दोगुना कर दिया। मृत शैवाल, जो बिल्कुल उसी स्थान पर बैठे थे, उन्होंने लगभग कोई अंतर नहीं दिखाया। इससे यह सिद्ध हुआ कि अतिरिक्त मजबूती केवल शैवाल द्वारा स्थान घेरने से नहीं, बल्कि उस सक्रिय ऊर्जा से आई जो वे तैरते समय खर्च कर रहे थे।
इस सुदृढ़ीकरण की कुंजी वह तंग दबाव है जिसका अनुभव शैवाल को होता है। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने मिश्रण में तेल की मात्रा बढ़ाई, बूंदें एक-दूसरे के करीब आती गईं, जिससे शैवाल के तैरने के लिए अंतराल और भी छोटे होते गए। टीम ने व्यक्तिगत शैवाल की गति को ट्रैक करने के लिए एक उच्च-शक्ति वाले सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया और पाया कि जैसे-जैसे अंतराल कम हुए, शैवाल को आसपास की तेल बूंदों द्वारा बनाए गए छोटे और छोटे पिंजरों (cages) में धकेला गया। इन तंग स्थानों में, शैवालों को अपने पिंजरे की दीवारों पर आगे बढ़ने के लिए अधिक जोर से धक्का देना पड़ा। इस सीमित स्थान (confinement) ने बल को बढ़ा दिया जो उन्होंने अपने परिवेश पर लगाया। शोधकर्ताओं ने पाया कि जितना अधिक संकुचन था, शैवाल द्वारा लगाया गया बल उतना ही अधिक था, जिसने बदले में पूरे नेटवर्क को अधिक सख्त और तोड़ने में कठिन बना दिया। यह एक स्व-सुदृढ़ीकरण लूप (self-reinforcing loop) है: भीड़भाड़ वाला वातावरण तैराकों को फंसा देता है, फंसने से वे अधिक जोर से धक्का देते हैं, और वह अतिरिक्त धक्का सामग्री को अधिक मजबूती से लॉक कर देता है।
यह खोज इस विचार को चुनौती देती है कि किसी मिश्रण में जीवित चीजों को जोड़ने से हमेशा वह अधिक तरल हो जाता है। जबकि कुछ तैरने वाले बैक्टीरिया को गाढ़े तरल पदार्थों को पतला करने के लिए जाना जाता है, ये शैवाल, जो अपनी पूंछों से पानी को खींचते हैं, जैम किए हुए मिश्रण को सख्त करने का काम करते हैं। अध्ययन बताता है कि शैवाल तेल की बूंदों के बीच एक प्रकार का अदृश्य गोंद बनाते हैं, जो प्रभावी रूप से उन्हें एक साथ खींचते हैं और पूरे ढांचे को टूटने के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाते हैं। शोधकर्ता यह अनुमान लगाने में सक्षम थे कि शैवाल कितने सीमित थे, और उनके गणना के परिणाम लैब में मापे गए अतिरिक्त मजबूती के साथ मेल खाते थे। यह कार्य एक फीडबैक तंत्र की पहचान करता है जहाँ सामग्री की संरचना जीवित तैराकों के व्यवहार को नियंत्रित करती है, और तैराक, बदले में, सामग्री की मजबूती को नियंत्रित करते हैं। यह सॉफ्ट मटेरियल्स के बारे में सोचने के एक नए तरीके का द्वार खोलता है, जहाँ किसी पदार्थ के यांत्रिक गुणों को उसके भीतर मौजूद सूक्ष्म जीवन के प्रबंधन के माध्यम से प्रोग्राम या ट्यून किया जा सकता है।
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