Aggressive Phase Separation in Dense Mixtures of Passive and Active Particles
यह अध्ययन प्रकट करता है कि विकसेक-जैसे नियमों का पालन करने वाले निष्क्रिय और सक्रिय कणों के मिश्रण, उच्च प्रणाली घनत्व के बावजूद, वेग क्षेत्र कोसर्निंग (velocity field coarsening) द्वारा संचालित होकर, तापमान क्वेंच के बाद उल्लेखनीय रूप से तेज़, संभावित रूप से घातांकीय, तरल-तरल चरण पृथक्करण गतिकी प्रदर्शित कर सकते हैं।
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भौतिकी के शांत कोनों में, वैज्ञानिक इस बात का अध्ययन करते हैं कि पदार्थ स्वयं को कैसे व्यवस्थित करता है। जब विभिन्न पदार्थों के मिश्रण को ठंडा किया जाता है, तो यह अक्सर एक समान सूप बनने के बजाय अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित होने लगता है, ठीक वैसे ही जैसे तेल और पानी अलग हो जाते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे 'फेज सेपरेशन' (अवस्था पृथक्करण) कहा जाता है, एक मौलिक व्यवहार है जो बादलों के निर्माण से लेकर कोशिकाओं द्वारा अपनी आंतरिक संरचनाओं के निर्माण तक, हर चीज़ में देखा जाता है। साधारण, निष्क्रिय पदार्थ की दुनिया में—ऐसी चीजें जो स्वयं नहीं चलतीं—पृथक क्षेत्रों के बढ़ने की गति आमतौर पर अनुमानित होती है और सख्त नियमों का पालन करती है। हालाँकि, प्रकृति का एक अधिक ऊर्जावान पक्ष भी है। 'एक्टिव मैटर' (सक्रिय पदार्थ) नामक सामग्रियों का एक वर्ग मौजूद है, जो उन कणों से बना होता है जो स्वयं को चलाने के लिए ऊर्जा का उपभोग करते हैं, जैसे पक्षियों के झुंड, मछलियों के समूह, या पानी की एक बूंद में तैरते बैक्टीरिया। ये स्व-चालित प्रणालियाँ निरंतर असंतुलन की स्थिति में रहती हैं, जिससे एक अराजक वातावरण बनता है जहाँ पृथक्करण के सामान्य नियम बहुत अलग तरह से व्यवहार कर सकते हैं। सक्रिय पदार्थ के इस संगठन को समझना न केवल जीव विज्ञान के लिए, बल्कि इंजीनियरिंग के भविष्य के लिए भी महत्वपूर्ण है, जहाँ वैज्ञानिक सूक्ष्म रोबोटों के झुंडों को डिजाइन करने की आशा करते हैं जो निर्माण करने या मरम्मत करने के लिए मिलकर काम कर सकें।
जवाहरलाल नेहरू सेंटर फॉर एडवांस्ड साइंटिफिक रिसर्च, बैंगलोर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक डिजिटल मॉडल बनाकर इस रहस्य को खोजने का प्रयास किया, जिसमें निष्क्रिय और सक्रिय दोनों प्रकार के कणों का मिश्रण शामिल था। वे यह देखना चाहते थे कि यदि वे इस मिश्रण को ठंडा करके, जिसे वे 'टेम्परेचर क्वेंच' (तापमान शमन) कहते हैं, इसे अलग होने के लिए मजबूर करते हैं तो क्या होगा। उनके सिमुलेशन में, निष्क्रिय कण मानक पदार्थ की तरह व्यवहार कर रहे थे, जबकि सक्रिय कण एक विशिष्ट नियम का पालन कर रहे थे: वे लगातार अपने पड़ोसियों की दिशा के साथ अपनी गति को संरेखित करने का प्रयास कर रहे थे, जो प्रकृति में देखे जाने वाले झुंड के व्यवहार की नकल करता है। शोधकर्ताओं ने सिस्टम को समय के साथ विकसित होते हुए देखा, और यह देखते रहे कि अलग हुए कणों के समूह कैसे बड़े होते जा रहे हैं। उन्होंने जो पाया वह चौंकाने वाला था। जबकि साधारण पदार्थ में पृथक्करण की प्रक्रिया तापमान गिरने के साथ धीमी हो जाती है, इस सक्रिय मिश्रण ने इसके विपरीत व्यवहार किया। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने अपने सिमुलेशन में तापमान कम किया, अलग हुए डोमेन (क्षेत्रों) के बढ़ने की गति केवल बढ़ी ही नहीं, बल्कि नाटकीय रूप से बढ़ गई।
यह वृद्धि इतनी तीव्र थी कि इसने पदार्थ के सामान्य पृथक्करण के लिए अपेक्षित मानकों को चुनौती दी। विशिष्ट परिदृश्यों में, यहाँ तक कि तरल प्रवाह की सहायता से भी, अलग हुए क्षेत्रों का आकार एक स्थिर, अनुमानित गति से बढ़ता है। यहाँ, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी विकास दर देखी जो असाधारण रूप से उच्च थी, जो एकल-घटक सक्रिय प्रणालियों या निष्क्रिय मिश्रणों में देखी जाने वाली दर से कहीं अधिक थी। उन्होंने डेटा का विश्लेषण करने के लिए उन्नत गणितीय तकनीकों का उपयोग किया, यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह गति उनके कंप्यूटर सिमुलेशन के सीमित आकार के कारण उत्पन्न हुआ कोई भ्रम नहीं है। विश्लेषण ने पुष्टि की कि यह वृद्धि वास्तविक थी और यह 'सेल्फ-सिमिलरिटी' (स्व-समानता) के एक पैटर्न का पालन करती थी, जिसका अर्थ है कि अलग हो रहे क्षेत्रों के आकार देखते समय एक जैसे दिखते थे, बस वे आकार में बड़े हो रहे थे। हालाँकि, जिस गति से वे बड़े हो रहे थे, वह आश्चर्यजनक थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रत्येक एक डिग्री तापमान कम होने पर, विकास दर तेजी से बढ़ जाती थी। उनके डेटा ने सुझाव दिया कि यदि तापमान पर्याप्त कम होता, तो पृथक्करण एक घातांकीय (एक्सपोनेंशियल) तीव्र दर पर हो सकता था, जो कि ऐसे घने मिश्रणों में पहले कभी नहीं देखा गया था।
यह व्यवहार विशेष रूप से पहेली जैसा है क्योंकि यह मिश्रण बहुत भीड़भाड़ वाला था। कणों की एक घनी भीड़ में, स्वाभाविक रूप से गति धीमी और सुस्त होनी चाहिए, जैसे कि भरे हुए कमरे में चलने की कोशिश करना। फिर भी, इस सक्रिय मिश्रण में, स्व-चालित कणों ने इन बाधाओं को तोड़ दिया और पृथक्करण को अविश्वसनीय बल के साथ आगे बढ़ाया। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस गति की कुंजी कणों की गति में निहित थी। कणों के समूह बड़े होने से पहले ही, सक्रिय कणों ने अपनी वेगों (वेलोसिटी) को व्यवस्थित कर लिया था, और एक सुसंगत, एकीकृत दिशा में चल रहे थे। यह गति का क्रम घनत्व के क्रम से बहुत अधिक तेजी से हुआ। ऐसा प्रतीत होता है कि सक्रिय कणों ने, एक साथ धाराओं में चलकर, पृथक क्षेत्रों की सीमाओं को आगे धकेलने में सक्षम होकर, निष्क्रिय कणों को भी अपने साथ खींच लिया। इस समन्वित गति ने सक्रिय मिश्रण को भीड़ के कारण होने वाले सामान्य प्रतिरोध को पार करने में सक्षम बनाया, जिससे अलग हुए डोमेन का तेजी से विलय हुआ।
इस खोज के निहितार्थ कंप्यूटर स्क्रीन से कहीं आगे तक फैले हुए हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि ये निष्कर्ष यह समझाने में मदद कर सकते हैं कि जैविक प्रणालियाँ, जैसे पक्षियों के झुंड या बैक्टीरिया की कॉलोनियाँ, खुद को इतनी कुशलता से कैसे व्यवस्थित करती हैं। इसके अलावा, परिणाम स्वायत्त रोबोटों के कृत्रिम झुंडों के डिजाइन के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं। यदि इंजीनियर इस तंत्र का लाभ उठा सकते हैं, तो वे रोबोटिक झुंडों को भीड़भाड़ वाले वातावरण में भी अभूतपूर्व गति और दक्षता के साथ अलग होने, एकत्र होने या संरचनाएं बनाने के लिए प्रोग्राम कर सकते हैं। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने सक्रिय पदार्थ के पूरे रहस्य को सुलझा लिया है, न ही यह बताता है कि ऐसा क्यों होता है इसके लिए कोई पूर्ण सैद्धांतिक सूत्र प्रदान करता है, क्योंकि ऐसे प्रणालियों में बलों का जटिल मेल अभी भी पूरी तरह से समझ में नहीं आया है। हालाँकि, यह प्रदर्शित करके कि सक्रिय कण घने पदार्थ के लिए लगभग असंभव लगने वाली गति से चरण पृथक्करण (फेज सेपरेशन) को संचालित कर सकते हैं, यह कार्य स्व-चालित प्रणालियों की गतिशील क्षमता के लिए एक नया द्वार खोलता है। यह सुझाव देता है कि सही परिस्थितियों के साथ, सक्रिय पदार्थ की अराजक ऊर्जा को संगठन के एक शक्तिशाली, तीव्र बल में बदला जा सकता है।
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