Response of a Model Glass to Athermal Quasistatic Pinching
यह शोध पत्र संख्यात्मक रूप से प्रदर्शित करता है कि एथर्मल क्वासिक्वैसिक पिंचिंग (athermal quasistatic pinching) अमोर्फस ठोसों के लिए एक न्यूनतम स्थानीय प्रोब के रूप में कार्य करती है, जो रैखिक प्रत्यास्थ, द्विध्रुवीय प्रतिक्रियाओं से प्लास्टिक प्रतिमानों में संक्रमण को प्रकट करती है जहाँ पुनर्गठन की प्रकृति—जो अच्छी तरह से एनेल्ड (well-annealed) ग्लास में स्थानीय घटनाओं से लेकर खराब तरीके से एनेल्ड ग्लास में प्रणाली-व्यापी कैस्केड तक विस्तृत है—निर्धारित विस्तार और सामग्री की स्थिरता दोनों द्वारा नियंत्रित होती है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो नन्हे, बिखरे हुए कणों से बनी है जो जम गए हैं, इसलिए नहीं कि वे क्रिस्टल में बदलने के लिए ठंडे हुए, बल्कि इसलिए क्योंकि वे एक अराजक, अव्यवस्थित अवस्था में फंस गए थे। यह अमोर्फस (amorphous) ठोसों की प्रकृति है, जो उन सामग्रियों की एक श्रेणी है जिसमें खिड़की का कांच और धात्विक मिश्र धातु से लेकर रेत के टीले और आपके शरीर की कोशिकाएं तक शामिल हैं। एक क्रिस्टल के विपरीत, जहाँ परमाणु एक पूर्ण, दोहराते हुए ग्रिड में बैठते हैं, ये सामग्रियां अनियमित पैकिंग का एक ढेर हैं। फिर भी, अपनी आंतरिक अव्यवस्था के बावजूद, वे आश्चर्यजनक रूप से समान व्यवहार करती हैं जब आप उन्हें दबाते या खींचते हैं। वे ठोस हैं, वे विरूपण का विरोध करती हैं, लेकिन यदि आप पर्याप्त जोर से दबाते हैं, तो वे अंततः एक गाढ़े तरल की तरह बहने लगती हैं। इन सामग्रियों के कठोर से बहने वाली अवस्था में संक्रमण को ठीक से समझना भौतिकी की एक बड़ी चुनौतियों में से एक है, क्योंकि यही तय करता है कि कोई पुल क्यों टिका रहेगा या कांच क्यों टूट जाएगा।
द दशकों तक, वैज्ञानिकों ने अध्ययन किया है कि ये सामग्रियां वैश्विक बलों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं, जैसे कि धातु के पूरे ब्लॉक को खींचना या रेत के कंटेनर को दबाना। लेकिन एक अधिक सूक्ष्म प्रश्न शेष रहा है: क्या होता है जब आप सामग्री के भीतर केवल दो नन्हे कणों को छेड़ते हैं? यदि आप दो पड़ोसी परमाणुओं को पकड़कर उन्हें अलग करते हैं, तो बाकी सामग्री कैसे प्रतिक्रिया देगी? क्या व्यवधान स्थानीय रहेगा, या यह पूरी संरचना को हिला देने के लिए लहरों की तरह बाहर फैलेगा? फ्रांस में ग्रेनोबल अल्प यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने इस प्रक्रिया को "पिंचिंग" (pinched) का नाम देते हुए इस पर काम किया है, जहाँ वे आभासी रूप से दो कणों को पकड़ते हैं और उन्हें धीरे-धीरे अलग करते हैं ताकि देखा जा सके कि क्या होता है।
शोधकर्ताओं ने एक डिजिटल ग्लास सामग्री का मॉडल बनाया, जिसमें तीन अलग-अलग आकारों के हजारों छोटे गोलों से भरा एक वर्गाकार बॉक्स था। उन्होंने इस डिजिटल ग्लास के कई संस्करण बनाए, जिनमें से कुछ बहुत स्थिर थे और कुछ कम स्थिर थे, जो सावधानीपूर्वक ठंडे किए गए कांच और बहुत तेजी से ठंडे किए गए कांच के बीच के अंतर को दर्शाते थे। फिर उन्होंने स्पर्श करने वाले कणों के एक यादृच्छिक जोड़े को चुना और उन्हें अलग करने के लिए एक बल लगाया, जिससे उनके बीच की दूरी को छोटे, नियंत्रित चरणों में बढ़ाया गया। यह प्रक्रिया बिना ऊष्मा के की गई थी, जिसका अर्थ है कि हर छोटी हरकत के बाद सामग्री को उसकी सबसे आरामदायक स्थिति में बैठने की अनुमति दी गई, जिससे वैज्ञानिकों को सामग्री की प्रतिक्रिया को पूर्ण स्पष्टता के साथ देखने की अनुमति मिली।
जब शोधकर्ताओं ने कणों को थोड़ा सा अलग किया, तो सामग्री बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करती है जैसा शास्त्रीय भौतिकी एक ठोस के लिए भविष्यवाणी करती है। दोनों कण अलग हो गए, और आसपास के कणों ने परिवर्तन के अनुकूल होने के लिए थोड़ा सा स्थान बनाया, जिससे गति का एक पैटर्न बना जो एक विशिष्ट, चार-लोब (four-lobed) आकार में फैला हुआ था। यह पैटर्न, जो एक चार पत्तियों वाले क्लोवर जैसा दिखता है, वही है जिसकी भौतिक विज्ञानी उम्मीद करते हैं जब एक ठोस को स्थानीय रूप से विकृत किया जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सरल, अनुमानित व्यवहार तब भी सत्य था जब उन्होंने पिंच से केवल कुछ कण व्यास की दूरी पर भी देखा। यह इस बात की पुष्टि थी कि लोच (elasticity) के मानक नियम, जो आमतौर पर बड़े, चिकने पिंडों पर लागू होते हैं, सूक्ष्म स्तर पर व्यक्तिगत परमाणुओं तक भी पूरी तरह से काम करते हैं, बशर्ते कि सामग्री स्थिर हो और खिंचाव हल्का हो।
हालाँकि, कहानी बदल गई जब शोधकर्ताओं ने कणों को और अधिक दूर खींचा। एक निश्चित बिंदु पर, उन दो खींचे गए परमाणुओं को थामे रखने वाला कणों का स्थानीय पिंजरा (cage) आखिरकार टूट गया। यह वह क्षण था जब सामग्री ने एक स्प्रिंग की तरह व्यवहार करना बंद कर दिया और एक प्लास्टिक पदार्थ की तरह व्यवहार करने लगी। सबसे स्थिर कांच में, यह टूटना एक सीमित घटना थी। कणों ने वहीं पुनर्गठन किया जहाँ पिंच हुआ था, और व्यवधान जल्दी ही समाप्त हो गया। बाकी सामग्री शांत रही, और घटना एक स्थानीय, अलग घटना बनकर रह गई।
लेकिन कम स्थिर, खराब तरीके से तैयार किए गए कांच में, कहानी बहुत अलग थी। जब इन सामग्रियों में पिंजरा टूटा, तो यह शांत नहीं रहा। प्रारंभिक पुनर्गठन ने तनाव की एक ऐसी लहर भेजी जिसने दूर स्थित अन्य कणों को भी हिलने के लिए प्रेरित किया। एक छोटी सी फिसलन ने दूसरी फिसलन को जन्म दिया, जिसने तीसरी को जन्म दिया, जिससे एक श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) शुरू हो गई। इन अस्थिर सामग्रियों में, एक एकल पिंच पूरे सिस्टम में फैल जाने वाली गतिविधियों की एक लहर पैदा कर सकता था, जिससे एक छोटी स्थानीय घटना एक विशाल, सिस्टम-व्यापी हिमस्खलन (avalanвche) में बदल गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि कांच जितना अधिक अस्थिर था, एक छोटे, स्थानीय खिंचाव से बड़े पैमाने पर पतन होने की संभावना उतनी ही अधिक थी।
टीम ने यह भी खोजा कि सामग्री की प्रतिक्रिया इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती थी कि उसे कैसे तैयार किया गया था। स्थिर कांच, जिन्हें सिमुलेशन में धीरे-धीरे ठंडा किया गया था, इन हिमस्खलनों का विरोध करते थे और अपनी प्लास्टिक घटनाओं को छोटा और सीमित रखते थे। अस्थिर कांच, जिन्हें तेजी से ठंडा किया गया था, व्यापक हिमस्खलन के प्रति संवेदनशील थे। यह सुझाव देता है कि किसी सामग्री को बनाने का इतिहास—उसे कैसे ठंडा किया गया या तैयार किया गया—इस बात पर एक स्थायी निशान छोड़ता है कि वह तनाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। एक अच्छी तरह से तैयार किया गया कांच एक अनुशासित भीड़ की तरह है जो घबराहट के बिना एक धक्के को सोख लेती है, जबकि एक खराब तरीके से तैयार किया गया कांच भगदड़ की कगार पर खड़ी भीड़ की तरह है, जहाँ एक अकेला धक्का सबको भागने पर मजबूर कर सकता है।
टीम ने इस बात का मानचित्रण किया कि कणों ने बिल्कुल कैसे गति की और ऊर्जा कैसे मुक्त हुई, जिससे वे इन सूक्ष्म घटनाओं को ठोस के विरूपण के व्यापक सिद्धांत से जोड़ने में सक्षम हुए। उन्होंने पाया कि जब एक प्लास्टिक घटना हुई, तब भी, घटना से दूर जाने वाली सामग्री की गति उसी गणितीय पैटर्न का पालन करती थी, बस इसके परिमाण (magnitude) में अंतर था। इसका अर्थ है कि इन सामग्रियों की गति की मौलिक भाषा सुसंगत है, चाहे वे थोड़ा झुक रही हों या टूट रही हों। मुख्य अंतर गति की भाषा में नहीं, बल्कि सामग्री की स्थिरता में है, जो यह निर्धारित करती है कि वह गति छोटी रहेगी या एक आपदा में बदल जाएगी।
यह कार्य एक ठोस के विरूपण की सबसे छोटी संभव इकाई का एक स्पष्ट, विस्तृत चित्र प्रदान करता है। यह दिखाता है कि एक ठोस से बहने वाली सामग्री में संक्रमण एक अचानक, रहस्यमय छलांग नहीं है, बल्कि सामग्री की स्थिरता और व्यवधान के आकार द्वारा शासित एक प्रक्रिया है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि जबकि लोच के नियम सबसे छोटे स्तरों पर भी सत्य रहते हैं, अराजकता की संभावना सतह के ठीक नीचे छिपी होती है, जो अस्थिरता और बल के सही संयोजन द्वारा सक्रिय होने का इंतजार करती है। जो वैज्ञानिक मजबूत सामग्रियां डिजाइन करने या जटिल प्रणालियों के विफल होने को समझने की कोशिश कर रहे हैं, उनके लिए यह दुनिया को देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है: यह देखकर कि कणों का एक जोड़ा एक पिंच (चुटकी) के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है, संपूर्ण संरचना के भाग्य को समझा जा सकता है।
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