Beyond capillary condensation: Shear-induced bridging transitions in patterned slits

कल्पना कीजिए कि दो दीवारों के बीच एक तरल फंसा हुआ है, जैसे किसी संकीर्ण अंतराल में पानी को दबाया गया हो। भौतिकी की दुनिया में, यह सीमित स्थान (कन्फाइनमेंट) इस बात को बदल देता है कि तरल कैसे व्यवहार करता है। सामान्य परिस्थितियों में, यदि आप एक गैस को एक संकीर्ण स्थान में दबाते हैं, तो वह एक खुले कमरे की तुलना में कम दबाव पर तरल में बदल जाती है। यह एक सुप्रसिद्ध घटना है जिसे 'कैपिलरी कंडेंसेशन' (केशिका संघनन) कहा जाता है, जहाँ दीवारें अणुओं को एक साथ खींचती हैं जब तक कि वे तरल अवस्था में ढह न जाएं। हालाँकि, चीजें बहुत अधिक जटिल हो जाती हैं जब दीवारें स्वयं एकसमान नहीं होती हैं। यदि एक दीवार तरल को पसंद करती है और दूसरी उसे दूर रखना चाहती है, तो तरल निर्णय लेने के लिए संघर्ष करता है। केवल गैस से तरल में बदलने के बजाय, तरल अजीब, खिंचे हुए आकार बना सकता है, जो एक तनावपूर्ण अवस्था में तैरता है, जो पूरी तरह से एक चीज़ भी नहीं है और न ही दूसरी। यह नाजुक संतुलन उन सूक्ष्म, इंजीनियर किए गए स्थानों में तरल के व्यवहार को समझने की शुरुआत है जो आधुनिक तकनीक और प्रकृति में पाए जाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बात का पता लगाया है कि जब इस संघर्ष को एक विशिष्ट प्रकार की गति द्वारा तीव्र किया जाता है, तो क्या होता है। उन्होंने दो समानांतर दीवारों के बीच फंसे एक तरल का अध्ययन किया जो दो अलग-अलग सामग्रियों की वैकल्पिक पट्टियों (स्ट्राइप्स) से पैटर्न वाली थीं। पट्टियों के एक सेट को तरल को आकर्षित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जबकि दूसरे को इसे प्रतिकर्षित करने के लिए। उनके प्रयोग का मुख्य मोड़ यह था कि उन्होंने ऊपरी दीवार पर पट्टियों को निचली दीवार की पट्टियों के साथ पूरी तरह से संरेखित (अलाइन) नहीं रखा। इसके बजाय, उन्होंने ऊपरी दीवार को बगल की ओर खिसकाया, जिसे 'शीयर' (shear) कहा जाता है, ताकि एक तरफ की आकर्षक पट्टियाँ दूसरी तरफ की प्रतिकर्षित पट्टियों या एक पट्टी के मध्य का सामना कर सकें। दीवारों को खिसकाने के इस सरल कार्य ने एक जटिल प्रतिस्पर्धा पैदा कर दी। तरल वहां संघनित होना चाहता था जहाँ दीवारें आकर्षक थीं, लेकिन गलत संरेखण ने तरल को अंतराल के पार खींचने के लिए मजबूर किया, जिससे एक ऐसा पुल बना जिसे परस्पर विरोधी बलों के परिदृश्य में रास्ता बनाना पड़ा।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रतिस्पर्धा ने तरल के लिए आश्चर्यजनक रूप से विविध अवस्थाओं को जन्म दिया। अंतराल की चौड़ाई और दीवारों के खिसकाव के आधार पर, तरल केवल गैस से तरल में नहीं बदला। इसके बजाय, इसने विशिष्ट, स्थिर पैटर्न में तरल पुल (लिक्विड ब्रिज) बनाने वाली अलग-अलग "ब्रिजिंग" अवस्थाएं बनाईं। कुछ मामलों में, तरल पुल दोनों दीवारों के किनारों पर मजबूती से टिका हुआ था, जो किसी तंबू की खूंटी की तरह अपनी जगह पर स्थिर था। अन्य मामलों में, पुल का केवल एक सिरा पिन किया गया था, जबकि दूसरा सिरा दीवार के साथ फिसलने के लिए स्वतंत्र था, जो सतह से एक विशिष्ट कोण पर मिलता था। ऐसी अवस्थाएं भी थीं जहाँ पुल पूरी तरह से इधर-उधर फिसलने के लिए स्वतंत्र था जब तक कि वह किसी सीमा से न टकरा जाए, एक ऐसी स्थिति जो केवल तभी होती थी जब दबाव ठीक उस बिंदु पर हो जहाँ बल्क तरल सामान्यतः संतृप्त (सैचुरेटेड) होता है। ये विभिन्न अवस्थाएं केवल मामूली बदलाव नहीं थीं; वे पदार्थ की पूरी तरह से अलग अवस्थाओं का प्रतिनिधित्व करती थीं, जो सटीक रूप से अनुमानित परिवर्तनों द्वारा अलग की गई थीं।

अध्ययन ने खुलासा किया कि तरल का व्यवहार अंतराल की चौड़ाई और पार्श्व बदलाव (शिफ्ट) के बीच एक नाजुक अंतर्संबंध द्वारा नियंत्रित होता है। जब अंतराल चौड़ा होता है, तो तरल अपेक्षाकृत सीधा व्यवहार करता है, गैस से सीधे तरल में संघनित होता है। हालाँकि, जैसे-जैसे अंतराल संकरा होता है या शिफ्ट बढ़ता है, तरल को इन मध्यवर्ती ब्रिजिंग अवस्थाओं में धकेला जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि विशिष्ट थ्रेशोल्ड (सीमाएँ) थे जहाँ तरल अचानक एक प्रकार के पुल से दूसरे प्रकार के पुल में बदल जाता था। उदाहरण के लिए, एक पुल जो दोनों सिरों पर पूरी तरह से पिन किया गया था, अचानक आंशिक रूप से पिन हो सकता है, जिसमें एक सिरा अलग होकर फिसलने लगता है। ये परिवर्तन सटीक दबावों पर हुए, जिन्हें टीम ने क्लासिक भौतिकी समीकरणों के संशोधित संस्करणों का उपयोग करके गणना किया, जो तरल की घुमावदार सतह और दीवारों पर स्पर्श करने के विशिष्ट कोणों को ध्यान में रखते हुए बनाए गए थे।

अपने अनुमानों को केवल सैद्धांतिक अटकलें होने से बचाने के लिए, शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत अणुओं के स्तर पर तरल का अनुकरण करने वाला एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया। इस सूक्ष्म दृष्टिकोण ने पुष्टि की कि उनके व्यापक (मैक्रोस्कोपिक) अनुमान सही थे। सिमुलेशन ने दिखाया कि तरल पुल वास्तव में अनुमानित आकार बनाते थे, और मेनिस्कस (तरल की घुमावदार सतह) शीयर के आधार पर विशिष्ट रूप लेता था। सबसे चरम मामलों में, जहाँ दीवारों को महत्वपूर्ण रूप से स्थानांतरित किया गया था, तरल पुल अत्यधिक घुमावदार बना रहा, भले ही दबाव उस बिंदु के बहुत करीब था जहाँ तरल को एक सपाट तरल बन जाना चाहिए था। यह अपेक्षित सपाट सतह से विचलन मौजूद आणविक बलों के शक्तिशाली प्रभाव को उजागर करता है। कंप्यूटर मॉडल ने टीम को पुल की लंबाई के साथ तरल के उतार-चढ़ाव को मापने की अनुमति भी दी, जिससे पता चला कि अंतराल के संकरा होने पर ये उतार-चढ़ाव उम्मीद से कहीं अधिक बढ़ जाते हैं, जो इस बात का संकेत है कि तरल एक अत्यधिक संवेदनशील, अस्थिर अवस्था में है।

निष्कर्ष बताते हैं कि पैटर्न वाले स्थानों में तरल का व्यवहार पहले की तुलना में कहीं अधिक जटिल और विविध है। दीवार पर रासायनिक पैटर्न के संरेखण को बदलकर, यह संभव है कि तरल की एक नई श्रेणी की अवस्थाएं बनाई जाएं, जिनमें से प्रत्येक के अपने अद्वितीय गुण हों। शोधकर्ताओं ने कुल छह अलग-अलग चरणों की पहचान की, जो एक साधारण गैस से लेकर पूरी तरह से तरल अवस्था तक विस्तृत हैं, और उनके बीच चार अलग-अलग प्रकार की ब्रिजिंग अवस्थाएं हैं। ये अवस्थाएं परिवर्तनों द्वारा अलग की गई हैं जो सेटअप की सटीक ज्यामिति के आधार पर या तो अचानक और तीव्र, या सहज और निरंतर हो सकते हैं। यह कार्य दर्शाता है कि पैटर्न और शीयर को नियंत्रित करके, एक प्रभावी रूप से तरल को वांछित अवस्था में मौजूद रहने के लिए ट्यून किया जा सकता है, जो सूक्ष्म स्तर पर पदार्थ को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।

यह शोध संकुचित, इंजीनियर वातावरण में तरल के व्यवहार की गहरी समझ के द्वार खोलता है। इन ब्रिजिंग अवस्थाओं की भविष्यवाणी और नियंत्रण करने की क्षमता का उन किसी भी तकनीक पर प्रभाव पड़ सकता है जो सूक्ष्म चैनलों के माध्यम से तरल की गति पर निर्भर करती है, जैसे कि माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण या उन्नत फिल्ट्रेशन सिस्टम। अध्ययन दिखाता है कि संकीर्ण स्थानों में तरल को नियंत्रित करने के नियम निश्चित नहीं हैं, बल्कि उन्हें कंटेनर की ज्यामिति द्वारा फिर से लिखा जा सकता है। जैसा कि शोधकर्ताओं ने नोट किया, समान घटनाएं और भी जटिल ज्यामिति में होने की संभावना है, जहाँ दीवारों पर पैटर्न पूरी तरह से संरेखित नहीं हो सकते हैं या उनके आकार अनियमित हो सकते हैं। इन अधिक अराजक वातावरणों में, संभावित तरल अवस्थाओं की संख्या नाटकीय रूप से बढ़ सकती है, जिससे संभावनाओं का एक ऐसा परिदृश्य बनता है जिसका अन्वेषण अभी शुरू ही हुआ है। यह कार्य इस विचार का प्रमाण है कि सबसे सीमित स्थानों में भी, प्रकृति जटिलता पैदा करने का रास्ता खोज लेती है, और इस जटिलता के नियमों को समझकर, हम इसका लाभ उठाना सीख सकते हैं।