Collective dynamics of chemo-mechanical colloidal chains with active tips

सूक्ष्म जगत में, सक्रिय पदार्थ (active matter) नामक सामग्रियों का एक वर्ग मौजूद है। रेत के ढेर या पानी की बूंद के विपरीत, जो किसी बाहरी बल द्वारा धकेले जाने तक स्थिर रहते हैं, सक्रिय पदार्थ सूक्ष्म कणों से बना होता है जो अपने आप चलते हैं। ये कण, जिन्हें अक्सर 'स्विमर' (swimmers) कहा जाता है, खुद को आगे बढ़ाने के लिए अपने परिवेश से ऊर्जा का उपभोग करते हैं। जब आप उन्हें एक साथ इकट्ठा करते हैं, तो वे केवल यादृच्छिक रूप से नहीं चलते; वे समन्वय करना शुरू कर देते हैं। वे एक विशाल, बहते हुए समूह बना सकते हैं जो एक साथ चलते हैं, घने गुच्छों और खाली स्थानों में अलग हो सकते हैं, या चाय के कप में उठने वाले तूफान की तरह अराजक, घूमते हुए प्रवाहों में बदल सकते हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस बात का अध्ययन किया है कि ये समूह कैसे बनते हैं, आमतौर पर इस बात पर ध्यान केंद्रित करते हुए कि कण आपस में कैसे टकराते हैं या जिस तरल में वे तैर रहे हैं वह उन्हें कैसे धकेलता है। हालाँकि, एक नया अध्ययन एक अलग प्रकार की अंतःक्रिया का अन्वेषण करता है, जो बिना किसी भौतिक संपर्क या तरल धाराओं के, पूरी तरह से रासायनिक संकेतों द्वारा संचालित होती है।

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान मद्रास के शोधकर्ता अरविन गोपाल सुब्रमण्यम और राजेश सिंह ने एक विशिष्ट प्रकार के सक्रिय पदार्थ की जांच की: सूक्ष्म मोतियों की श्रृंखलाएं, जहाँ श्रृंखला का केवल सबसे ऊपरी सिरा ही रासायनिक रूप से सक्रिय है। एक मोतियों की माला की कल्पना करें, लेकिन रेखा में केवल पहला मोती ही एक ऐसी रासायनिक प्रतिक्रिया करने में सक्षम है जो उसके चारों ओर एक क्षेत्र (field) बनाता है। यह क्षेत्र एक संकेत की तरह कार्य करता है जिसे अन्य श्रृंखलाएं महसूस कर सकती हैं। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह देखने के लिए किया कि जब इन श्रृंखलाओं को एक सपाट, द्वि-आयामी स्थान में रखा गया तो वे कैसे व्यवहार करती हैं। उन्होंने दो मुख्य चीजें बदलीं: श्रृंखला की लंबाई कितनी थी और स्थान कितना भीड़भाड़ वाला था। उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार के रासायनिक संकेतों का भी परीक्षण किया: एक जिसने श्रृंखलाओं को एक-दूसरे से दूर धकेला, और दूसरा जिसने उन्हें एक साथ खींचा। उन्होंने जो पाया वह व्यवहारों की एक आश्चर्यजनक विविधता थी जो बिना श्रृंखलाओं के स्पर्श किए या तरल द्वारा बल ले जाने के बिना प्रकट हुई।

जब रासायनिक संकेत ने श्रृंखलाओं को एक-दूसरे से प्रतिकर्षित (repel) किया, तो व्यवहार श्रृंखला की लंबाई पर बहुत अधिक निर्भर था। सबसे छोटी श्रृंखलाओं के लिए, जिनमें केवल दो मोती थे, प्रणाली अंततः एक ऐसी अवस्था में स्थिर हो गई जहाँ प्रत्येक श्रृंखला एक ही दिशा में चलती थी, जैसे पक्षियों का झुंड। ऐसा तब हुआ जब श्रृंखलाएं एक-दूसरे को धकेल रही थीं। संरेखित होने से पहले, प्रणाली अराजक, घूमती हुई गति के एक संक्षिप्त दौर से गुजरी, लेकिन यह विक्षोभ (turbulence) एक व्यवस्थित झुंड की ओर बढ़ने वाला एक कदम मात्र था। उल्लेखनीय रूप से, इस झुंड वाली अवस्था में, श्रृंखलाओं का घनत्व अविश्वसनीय रूप से समान हो गया, जिसमें लगभग कोई गुच्छे या अंतराल नहीं था, एक गुण जिसे वैज्ञानिक 'हाइपरयूनिफॉर्मिटी' (hyperuniformity) कहते हैं। यह सुझाव देता है कि प्रतिकर्षण बल भीड़ को सुचारू बनाने के लिए पर्याप्त मजबूत था।

जैसे-जैसे श्रृंखलाएं लंबी होती गईं, कहानी बदल गई। मध्यम लंबाई की श्रृंखलाओं के लिए, प्रतिकर्षण संकेत ने निरंतर, अराजक गति की एक अवस्था उत्पन्न की जिसे शोधकर्ताओं ने 'एक्टिव टर्बुलेंस' (active turbulence) कहा। इस अवस्था में, श्रृंखलाओं ने घूमने वाले भंवर बनाए जो विपरीत दिशाओं में घूमते थे, जिससे एक ऐसा अशांत प्रवाह बना जो कभी शांत नहीं हुआ। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि, पिछले अध्ययनों में, ऐसा विक्षोभ (turbulence) करने के लिए यह माना जाता था कि श्रृंखलाओं को उस तरल के विरुद्ध धक्का देना आवश्यक है जिसमें वे तैर रहे हैं। यहाँ, विक्षोभ पूरी तरह से श्रृंखलाओं के सिरों के बीच रासायनिक संकेतों से उत्पन्न हुआ, अराजकता का एक "शुष्क" मार्ग जो तरल गतिकी (fluid dynamics) पर निर्भर नहीं था। और भी लंबी श्रृंखलाओं के लिए, या बहुत कम घनत्व पर, प्रणाली एक "स्वार्म" (swarm) चरण में प्रवेश करती है। यहाँ, श्रृंखलाओं के छोटे समूह स्थानीय रूप से एक साथ चलते थे, लेकिन ये समूह बड़े पैमाने पर एक-दूसरे के साथ संरेखित नहीं होते थे। श्रृंखलाएं स्थानीय भंवरों में घूमती थीं, लेकिन शुद्ध विक्षोभ के विपरीत, यहाँ कोई बड़े पैमाने पर अव्यवस्था नहीं थी; स्थानीय समूह अपनी दिशा बनाए रखते थे जबकि पूरा तंत्र अव्यवस्थित बना रहता था।

जब शोधकर्ताओं ने रासायनिक संकेत को आकर्षक (attractive) में बदल दिया, जो श्रृंखलाओं को एक-दूसरे से दूर धकेलने के बजाय एक साथ खींचता है, तो श्रृंखलाओं ने पूरी तरह से अलग आकार बनाए। उन्होंने सघन, 'हेजहॉग-जैसे' (hedgehog-like) गुच्छे बनाए जहाँ सक्रिय सिरे केंद्र में एकत्र होते थे और निष्क्रिय पूंछ बाहर की ओर निकलती थी। यह संरचना काफी हद तक एक साबुन के माइसेल (soap micelle) की तरह दिखती थी, जो पानी में साबुन के अणुओं का एक छोटा गोला होता है, लेकिन यहाँ इसे श्रृंखलाओं की अपनी गति और रासायनिक आकर्षण द्वारा बनाया गया था, न कि तेल और पानी के सामान्य संतुलन द्वारा। सबसे छोटी श्रृंखलाओं के लिए, ये गुच्छे परतदार, वलय जैसी संरचनाओं में जमा हो गए। उच्च घनत्व पर, श्रृंखलाएं इतनी कसकर पैक हो गईं कि वे पूरी तरह से रुक गईं, जिससे एक कठोर, कांच जैसी ठोस अवस्था बन गई जो स्थिर हो गई।

शोधकर्ताओं ने यह समझाने के लिए कि श्रृंखलाएं इस तरह व्यवहार क्यों करती हैं, एक सरल गणितीय सिद्धांत भी बनाया। उन्होंने लचीली श्रृंखलाओं को ऐसे माना जैसे वे एक सिरे पर रासायनिक स्रोत वाली कठोर छड़ों (rigid rods) की तरह हों। इस सिद्धांत ने सही ढंग से भविष्यवाणी की कि छोटी श्रृंखलाएं झुंड बनाएंगी और लंबी श्रृंखलाओं को संरेखित करने में संघर्ष करना पड़ेगा, जो कंप्यूटर सिमुलेशन से मेल खाता है। हालाँकि, सिद्धांत ने लंबी श्रृंखलाओं के पूर्ण झुंड बनाने की क्षमता को बढ़ा-चढ़ाकर बताया, जिससे पता चलता है कि वास्तविक श्रृंखलाओं का लचीलापन और उनके एक-दूसरे के करीब आने का जटिल तरीका, सरल मॉडल द्वारा पकड़े जाने वाले कारकों से कहीं अधिक महत्वपूर्ण था। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि श्रृंखला के सिरे पर एक रासायनिक स्रोत होने का सरल कार्य ही सामूहिक व्यवहारों की एक विस्तृत श्रृंखला उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है, जिसमें व्यवस्थित झुंडों से लेकर अराजक विक्षोभ और संरचित समुच्चय (aggregates) तक शामिल हैं। यह निष्कर्ष एक नया, न्यूनतम तरीका प्रदान करता है जिससे जटिल सक्रिय पदार्थ बनाए जा सकते हैं, जो यह सुझाव देता है कि हम केवल रासायनिक संकेतों का उपयोग करके स्व-व्यवस्थित होने वाली नई सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं, बिना जटिल तरल अंतःक्रियाओं या भौतिक आकृतियों को इंजीनियर किए।