Collective self-sorting on a chip

वर्गीकरण (सॉर्टिंग) संगठन का एक मौलिक कार्य है, वह प्रक्रिया जिसके माध्यम से विभिन्न चीजों का एक अव्यवस्थित ढेर अपना स्थान पाता है। भौतिकी की शांत दुनिया में, जहाँ प्रणालियाँ विश्राम की स्थिति में होती हैं, यह संगठन आमतौर पर इसलिए होता है क्योंकि घटक सबसे कम ऊर्जा वाली अवस्था में स्थिर हो जाते हैं, जैसे पत्थर तालाब के तल में डूब जाते हैं। लेकिन दुनिया शायद ही कभी स्थिर होती है। उन प्रणालियों में जो लगातार गतिशील रहती हैं और ऊर्जा का उपयोग करती हैं—जिन्हें वैज्ञानिक 'एक्टिव मैटर' (सक्रिय पदार्थ) कहते हैं—नियम बदल जाते हैं। यहाँ, कण गति करने के लिए ऊष्मा के हल्के से झोंके का इंतज़ार नहीं करते; वे स्वयं को आगे बढ़ाते हैं। जब ये स्व-चालित कण अन्य कणों के साथ मिलते हैं जो अलग तरह से चलते हैं, तो वे स्वतः ही अलग हो सकते हैं, इसलिए नहीं कि वे थक गए हैं, बल्कि इसलिए क्योंकि उनकी अपनी गति उन्हें एक-दूसरे से दूर धकेलती है। यह घटना बाहरी छलनी या जटिल मशीनरी के बिना सूक्ष्म वस्तुओं को वर्गीकृत करने का एक नया तरीका प्रदान करती है, जो कणों के अपने व्यवहार पर निर्भर करती है।

लाइडेन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस सिद्धांत को एक कामकाजी उपकरण में बदल दिया है, जो एक माइक्रोफ्लुइडिक चिप है जो सूक्ष्म, स्व-चालित कणों के मिश्रण को केवल एक घुमावदार पथ के माध्यम से निर्देशित करके उन्हें वर्गीकृत करता है। वैज्ञानिकों ने दो प्रकार के सूक्ष्म रोलर्स के मिश्रण से शुरुआत की, जिनमें से एक पॉलिस्टायरीन से बना था और दूसरा पॉलीमिथाइल मेथैक्रिलेट नामक एक अलग प्लास्टिक से बना था। एक विशिष्ट तरल में रखे जाने और एक विद्युत क्षेत्र के अधीन किए जाने पर, ये कण सतह पर लुढ़कना शुरू कर देते हैं, जिससे एक सघन, घूमता हुआ समूह बन जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि दोनों प्रकार के कण अलग-अलग गति से चलते हैं, तो वे स्वाभाविक रूप से अलग हो जाते हैं: तेज़ चलने वाले कण घूमते हुए समूह के बाहरी किनारे की ओर चले जाते हैं, जबकि धीमे चलने वाले केंद्र में एकत्रित हो जाते हैं। यह अलगाव कणों के आकार या उनके बनने वाली सामग्री द्वारा निर्धारित नहीं होता है; यह पूरी तरह से उनकी गति के अंतर से संचालित होता है। विद्युत क्षेत्र को समायोजित करके, टीम यह भी कर सकती थी कि किस प्रकार का कण तेज़ था, जिससे पैटर्न को तुरंत उलट दिया जा सका ताकि नया अग्रणी बाहरी घेरे में आ जाए।

यह समझने के लिए कि वास्तव में यह अलगाव कैसे काम करता है और इसे कैसे उपयोगी बनाया जाए, शोधकर्ताओं ने एक कंप्यूटर मॉडल बनाया जिसने हजारों इन कणों के व्यवहार का अनुकरण किया। उन्होंने पुष्टि की कि गति का अंतर अकेले ही अलगाव को संचालित करने के लिए पर्याप्त था, भले ही कण अलग-अलग आकार के हों। सिमुलेशन ने कंटेनर के आकार के बारे में एक महत्वपूर्ण विवरण भी प्रकट किया: अलगाव तब सबसे कुशलता से होता है जब कणों को एक तंग, घुमावदार स्थान में सीमित किया जाता है। एक बड़ा, खुला घेरा अलगाव होने की अनुमति देता था, लेकिन इसमें बहुत समय लगता था। एक छोटे, तंग घेरे ने कणों को बहुत तेज़ी से पुनर्गठित होने के लिए मजबूर किया। इस अंतर्दृष्टि ने एक प्रमुख डिज़ाइन सिद्धांत दिया: कणों को तेज़ी से और प्रभावी ढंग से वर्गीकृत करने के लिए, एक बड़े कमरे के बजाय छोटे, घुमावदार चैनलों का उपयोग किया जाना चाहिए।

इसके बाद शोधकर्ताओं ने इन निष्कर्षों को एक भौतिक उपकरण में अनुवादित किया। उन्होंने एक चिप डिज़ाइन की जिसमें क्रमिक घुमावदार खंडों से बना एक सर्पाकार, सांप जैसा चैनल था। जैसे ही कणों का मिश्रित निलंबन (सस्पेंशन) डिवाइस में प्रवाहित होता है, तेज़ कण प्रत्येक वक्र की बाहरी दीवार की ओर धकेले जाते हैं, जबकि धीमे कण आंतरिक दीवार की ओर धकेले जाते हैं। प्रत्येक घुमावदार खंड के अंत में, एक छोटी दीवार तेज़ कणों की बाहरी धारा को एक निकास की ओर और धीमी कणों की आंतरिक धारा को दूसरे निकास की ओर निर्देशित करती है। टीम ने वास्तविक कणों के साथ इस डिज़ाइन का परीक्षण किया, चिप में एक मिश्रित निलंबन इंजेक्ट किया। जैसे ही मिश्रण उपकरण के दस घुमावों से होकर गुजरा, प्रत्येक मोड़ के साथ अलगाव अधिक स्पष्ट होता गया। जब तक कण उपकरण के अंत तक पहुँचे, दो प्रकार के कण काफी हद तक अलग-अलग धाराओं में वर्गीकृत हो चुके थे, जिसमें तेज़ कण एक निकास पर और धीमे कण दूसरे निकास पर एकत्र हुए।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सक्रिय कणों के सामूहिक व्यवहार का उपयोग एक निरंतर, स्वायत्त वर्गीकरण मशीन बनाने के लिए किया जा सकता है। एक बार प्रवाह शुरू होने के बाद, घटकों को अलग करने के लिए डिवाइस को जटिल गतिशील भागों या बाहरी क्षेत्रों की आवश्यकता नहीं होती है; चैनल की ज्यामिति और कणों की अपनी गतिशीलता बाकी काम करती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि पथ की वक्रता और आंतरिक दीवारों की स्थिति को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे इस बात को नियंत्रित कर सकते थे कि अलग की गई धाराएँ कितनी शुद्ध थीं और कितने कण सफलतापूर्वक एकत्र किए गए। हालाँकि इस डिवाइस का परीक्षण एक विशिष्ट प्रकार के स्व-प्रवर्तित कण के साथ किया गया था, लेकिन अंतर्निहित सिद्धांत सूक्ष्म वस्तुओं को इस आधार पर अलग करने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है कि वे कितनी तेज़ी से चलती हैं, जो भविष्य के माइक्रोफ्लुइडिक्स अनुप्रयोगों के लिए एक संभावित उपकरण पेश करता है जहाँ सौम्य, निरंतर वर्गीकरण की आवश्यकता होती है।