Active embracement enables autonomous tweezing in active star polymers
यह अध्ययन प्रकट करता है कि सक्रिय स्टार पॉलिमर "एक्टिव एम्ब्रेसमेंट" (active embracement) नामक एक गैर-संतुलन घटना प्रदर्शित करते हैं, जहाँ स्व-चालित भुजाएँ स्टेरिक प्रतिकर्षण (steric repulsion) को पार कर स्वायत्त रूप से ढह जाती हैं और आसपास के कणों को पकड़ लेती हैं, जो प्रभावी रूप से लक्षित कार्गो हेरफेर के लिए सूक्ष्म चिमटों (microscopic tweezers) के रूप में कार्य करती हैं।
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जीवित चीजें अपने आप में आकार और कार्य बदलने की एक अद्भुत क्षमता रखती हैं। एक कोशिका अपने आंतरिक कंकाल को पुनर्गठित करके चल सकती है, या एक प्रोटीन किसी कार्य को करने के लिए खुद को एक सटीक आकार में मोड़ सकता है, और यह सब बिना किसी बाहरी हाथ के मार्गदर्शन के होता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस तरह के स्व-निर्देशित व्यवहार को सिंथेटिक सामग्रियों में पुन: बनाने की कोशिश की है, इस उम्मीद में कि वे ऐसे सॉफ्ट मशीन बना सकें जो केवल अपनी आंतरिक ऊर्जा का उपयोग करके मुड़ सकें, लपेट सकें या वस्तुओं को पकड़ सकें। हालांकि शोधकर्ताओं ने ऐसी सामग्रियां सफलतापूर्वक बनाई हैं जो ऊर्जा मिलने पर सूज जाती हैं, खिंच जाती हैं या हिलती-डुलती हैं, लेकिन उन्हें एक विशिष्ट यांत्रिक कार्य करने के लिए प्रेरित करना—जैसे किसी पड़ोसी को पकड़ने के लिए उसके चारों ओर लिपटना—एक कठिन चुनौती बना हुआ है। अधिकांश सक्रिय सामग्रियां केवल इधर-उधर घूमती हैं या अपने समग्र आकार को बदल लेती हैं, लेकिन उनमें अपने वातावरण के साथ लक्षित तरीके से बातचीत करने के लिए आवश्यक समन्वित नियंत्रण की कमी होती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशेष प्रकार की तारे के आकार की संरचना का उपयोग करके इस प्रकार के स्वायत्त पकड़ (autonomous grasping) को प्राप्त करने का एक नया तरीका खोज लिया है। उन्होंने "सक्रिय स्टार पॉलिमर" (active star polymers) का निर्माण और अध्ययन किया, जो छोटे अणुओं से नहीं बल्कि बड़े, सेंटीमीटर-आकार के कणों से बने हैं जिन्हें नग्न आंखों से देखा जा सकता है। इनमें से प्रत्येक संरचना में एक केंद्रीय, निष्क्रिय कोर होता है जिससे कई भुजाएं बाहर की ओर निकलती हैं। ये भुजाएं छोटे कणों से बनी होती हैं जिन्हें कंपन करने वाली सतह पर रखे जाने पर अपने आप चलने के लिए डिज़ाइन किया गया है। भौतिक प्रयोगों को कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने पाया कि ये सक्रिय भुजाएं स्वाभाविक रूप से केंद्रीय कोर के चारों ओर और एक-दूसरे के चारों ओर लिपट जाती हैं, जिससे वे संरचना को एक तंग गेंद में समेट लेती हैं। यह घटना, जिसे वे "सक्रिय आलिंगन" (active embracement) कहते हैं, स्टार पॉलिमर को एक सघन आकार में ढहने, अन्य सितारों के साथ समूह बनाने, या यहाँ तक कि पास में तैरते हुए ढीले कणों को पकड़ने में सक्षम बनाती है, जो एक स्वायत्त चिमटी (tweezers) की तरह कार्य करती है।
शोधकर्ताओं ने कस्टम कणों को बनाने के लिए 3D प्रिंटिंग का उपयोग करके इन स्टार पॉलिमर का निर्माण किया। केंद्रीय कोर एक निष्क्रिय सिलेंडर है जो पानी में धूल के कण की तरह बेतरतीब ढंग से चलता है। इस कोर से जुड़ी कई भुजाएं हैं, जिनमें से प्रत्येक सक्रिय कणों की एक श्रृंखला से बनी है। ये सक्रिय कण सात छोटे पैरों से लैस होते हैं जो एक विशिष्ट कोण पर झुके होते हैं। जब पूरा सिस्टम एक ऐसी प्लेट पर रखा जाता है जो प्रति सेकंड 100 बार ऊर्ध्वाधर रूप से कंपन करती है, तो झुके हुए पैर सक्रिय कणों को एक विशिष्ट दिशा में कूदने और चलने के लिए प्रेरित करते हैं, जिससे उन्हें एक निरंतर स्व-चालित गति मिलती है। भुजाएं कोर और एक-दूसरे से कठोर लिंक द्वारा जुड़ी होती हैं जो उन्हें स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति देती हैं लेकिन कणों के बीच की दूरी को स्थिर रखती हैं। शोधकर्ताओं ने इन संरचनाओं का एक गोलाकार अरीना (arena) में परीक्षण किया, और विभिन्न भुजाओं की संख्या और भुजाओं की लंबाई के साथ उनके व्यवहार का अवलोकन किया।
इस स्व-चालित गति की अनुपस्थिति में, स्टार पॉलिमर की भुजाएं बस फैल जाएंगी, क्योंकि वे एक ही स्थान पर नहीं रह सकतीं। हालांकि, जब भुजाएं सक्रिय होती हैं, तो व्यवहार नाटकीय रूप रूप से बदल जाता है। भुजाओं की निरंतर गति के कारण वे एक-दूसरे से टकराती हैं। चूंकि कण ऐसे पदार्थ से बने होते हैं जो छूने पर घर्षण (friction) पैदा करता है, इसलिए ये टकराव उन्हें केवल अलग नहीं धकेलते; इसके बजाय, घर्षण उन्हें धीमा कर देता है और उन्हें आपस में चिपका देता है। इससे एक ऐसी स्थिति पैदा होती है जहाँ भुजाएं केंद्रीय कोर और एक-दूसरे के चारों ओर लिपट जाती हैं, जिससे पूरी संरचना एक सघन, गोलाकार आकार में सिमट जाती है। शोधकर्ताओं ने अपने भौतिक प्रयोगों और कंप्यूटर मॉडल दोनों में इस स्व-संकुचन व्यवहार को देखा, और नोट किया कि यह इस बात पर निर्भर नहीं करता कि स्टार की कितनी भुजाएं हैं या वे कितनी लंबी हैं।
लिखने और चिपकने की यह प्रक्रिया केवल एक एकल स्टार पॉलिमर के स्वयं के साथ बातचीत तक सीमित नहीं है। जब कई सक्रिय स्टार पॉलिमर को एक साथ रखा जाता है, तो वे निष्क्रिय वस्तुओं की तरह एक-दूसरे को दूर नहीं धकेलते। इसके बजाय, उनकी सक्रिय भुजाएं पड़ोसी सितारों की भुजाओं तक पहुँचती हैं और उन्हें गले लगा लेती हैं। संपर्कों से होने वाला घर्षण विभिन्न सितारों की सापेक्ष गति को धीमा कर देता है, जिससे वे एक समूह में आ जाते हैं और लंबे समय तक संपर्क में रहते हैं। कंप्यूटर सिमुलेशन ने पुष्टि की कि यह क्लस्टरिंग सक्रिय गति और कणों के बीच घर्षण का सीधा परिणाम है; घर्षण के बिना, सितारे बस एक-दूसरे से टकराकर अलग हो जाते और अलग रहते।
शायद इस व्यवहार का सबसे आश्चर्यजनक प्रदर्शन एक सक्रिय स्टार पॉलिमर द्वारा निष्क्रिय वस्तुओं को पकड़ने और ले जाने की क्षमता है। जब शोधकर्ताओं ने अरीना में सक्रिय स्टार पॉलिमर के साथ ढीले, गैर-गतिशील कण रखे, तो स्टार की भुजाएं स्वाभाविक रूप से ढीले कणों के चारों ओर लिपट गईं, उन्हें संकुचित संरचना के भीतर फंसा लिया। सक्रिय स्टार ने प्रभावी रूप से निष्क्रिय कणों को "पकड़ा" और उनके चलते समय उन्हें अपने साथ ले गया। इसके विपरीत, एक निष्क्रिय स्टार पॉलिमर, जिसमें स्व-चालित गति का अभाव है, कुछ भी पकड़ नहीं सका; उसकी भुजाएं बस ढीले कणों को दूर धकेल देती थीं। शोधकर्ताओं ने विभिन्न घनत्वों पर पकड़े गए कणों की संख्या को मापा और पाया कि सक्रिय सितारों ने अपने निष्क्रिय समकक्षों की तुलना में काफी अधिक कण पकड़े, कभी-कभी अरीना में उपलब्ध कणों के लगभग आधे हिस्से को फंसा लिया।
यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि इस व्यवहार की कुंजी स्व-प्रणोदन (self-propulsion) और घर्षण का संयोजन है। सक्रिय गति भुजाओं को अपने परिवेश को खोजने और टकराने के लिए प्रेरित करती है, जबकि घर्षण यह सुनिश्चित करता है कि एक बार स्पर्श होने के बाद, वे अलग होने के बजाय एक साथ रहें। यह एक विशिष्ट अवस्था बनाता है जहाँ संरचना लगातार गति में रहती है लेकिन एक स्थिर, संकुचित आकार बनाए रखती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह "सक्रिय आलिंगन" स्मार्ट सामग्रियां बनाने के लिए एक ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य कर सकता है जो बाहरी नियंत्रण के बिना यांत्रिक कार्य कर सकें। इन संरचनाओं की वास्तुकला को ट्यून करके, कार्गो एकत्र करने, स्वयं को असेंबल करने या जटिल वातावरण में नेविगेट करने के लिए स्वायत्त रूप से सक्षम सॉफ्ट रोबोट या सामग्रियां बनाना संभव हो सकता है, जो जीवित प्रणालियों में पाई जाने वाली अनुकूलन क्षमताओं की नकल करती हैं लेकिन पूरी तरह से भौतिक सिद्धांतों द्वारा संचालित होती हैं।
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