Confinement-Induced Pumping of Chiral Active Fluids
मेसोस्केल हाइड्रोडायनामिक सिमुलेशन के माध्यम से, यह शोधपत्र प्रदर्शित करता है कि ज्यामितीय रूप से असममित चैनल काइरल सक्रिय तरल पदार्थों की सूक्ष्म घूर्णी गति को स्वतः ही एक निरंतर, निर्देशित मैक्रोस्कोपिक प्रवाह में परिवर्तित कर सकते हैं, जो बाहरी बलों के बिना स्व-संचालित माइक्रोफ्लुइडिक पंपिंग के लिए एक आशाजनक रणनीति प्रदान करता है।
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एक ऐसे तरल की कल्पना करें जो निष्क्रिय जल अणुओं से नहीं, बल्कि छोटे, स्वयं-चालित इंजनों से बना है। ये सक्रिय तरल (active fluids) हैं, जो पदार्थ का एक ऐसा वर्ग है जहाँ व्यक्तिगत कण गति करने या घूमने के लिए ऊर्जा का उपभोग करते हैं, जिससे एक ऐसा अराजक, जीवंत विक्षोभ उत्पन्न होता है जो प्रकृति के महासागरों या हमारे अपने रक्त में नहीं पाया जाता। इनमें, 'कायरल एक्टिव फ्लूइड्स' (chiral active fluids) नामक एक विशेष समूह विशेष रूप से आकर्षक है क्योंकि प्रत्येक कण एक ही दिशा में घूमता है, जैसे कि छोटे लट्टू की एक भीड़ जो दक्षिणावर्त (clockwise) घूम रही हो। यह निरंतर घूमना उनके आसपास के तरल में भंवर जैसी धाराएं उत्पन्न करता है। वर्षों से, वैज्ञानिक यह जानने के लिए उत्सुक रहे हैं कि क्या वे इस सूक्ष्म अराजकता का उपयोग उपयोगी कार्य करने के लिए कर सकते हैं, विशेष रूप से बिना किसी बाहरी दबाव या यांत्रिक पुर्जों के, एक ही सीधी दिशा में तरल को पंप करने के लिए। चुनौती यह थी कि एक खुले स्थान में, ये घूमते हुए कण ऐसे प्रवाह उत्पन्न करते हैं जो एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कोई शुद्ध गति नहीं होती है।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब यह दिखाया है कि कंटेनर के आकार का उपयोग करके इस गतिरोध को कैसे तोड़ा जा सकता है। उन्होंने एक संकीर्ण चैनल के भीतर एक विशिष्ट, असमान डिजाइन में फंसे घूमते कणों के तरल का अनुकरण (simulation) करके प्रदर्शित किया कि तरल स्वतः ही एक दिशा में बहने लगता है। उन्नत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके किया गया यह अध्ययन, जो हजारों कणों और उनके बीच के तरल की गति को ट्रैक करता है, यह प्रकट करता है कि इस एकतरफा सड़क का मुख्य कारण दीवारों में एक विषमता (asymmetry) है। जब एक चैनल में एक दीवार सपाट होती है और दूसरी दीवार आरी जैसे दांतों वाली (sawtooth) होती है, तो घूमते कण सपाट दीवार के साथ तेजी से आगे बढ़ते हैं तुलनात्मक रूप से उस गति के जो वे टेढ़ी-मेढ़ी दीवार के पास करते हैं। गति का यह अंतर एक निरंतर, एकदिशीय धारा बनाता है जो पूरे तरल को आगे बढ़ाता है, प्रभावी रूप से इन सूक्ष्म घूमते कणों को एक पंप में बदल देता है।
शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का मॉडल बनाने के लिए एक आभासी वातावरण बनाया जहाँ हजारों गोलाकार कण, जो रोटर्स के रूप में कार्य करते हैं, एक तरल के भीतर एक स्थिर गति से घूमते हैं। वास्तविक दुनिया में, इस तरह की प्रणाली चुंबकीय कणों का उपयोग करके बनाई जा सकती है जिन्हें एक बाहरी क्षेत्र द्वारा घुमाया जाता है, या प्राकृतिक रूप से घूमने वाले सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके बनाई जा सकती है। अपने सिमुलेशन में, कणों को दो दीवारों के बीच सीमित किया गया था। जब दोनों दीवारें सपाट और समानांतर थीं, तो तरल समान शक्ति के साथ आगे-पीछे चलता था, जिसके परिणामस्वरूप कुल गति शून्य थी। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने एक सपाट दीवार को दांतों वाली एक "रैचेटेड" (ratcheted) दीवार से बदल दिया, तो यह संतुलन टूट गया। सपाट दीवार के पास के घूमते कण सतह के साथ एक सीधी रेखा में स्वतंत्र रूप से चलने में सक्षम थे, जबकि टेढ़ी-मेढ़ी दीवार के पास के कणों की प्रगति दांतों द्वारा बाधित हो गई। कण टेढ़े दांतों के बीच बनने वाले छोटे, घूमते भंवरों में फंस जाते थे, जिससे उनकी आगे बढ़ने की गति काफी धीमी हो जाती थी।
गति का यह अंतर ही पंप का इंजन है। क्योंकि कण टेढ़ी दीवार की तुलना में सपाट दीवार के साथ तेजी से चलते हैं, इसलिए एक शुद्ध प्रवाह (net flow) तेज गति वाली दिशा में उत्पन्न होता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह प्रभाव मजबूत है; यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने वास्तविक दुनिया के प्रयोगों में मिलने वाले प्रतिरोध को दर्शाने के लिए घर्षण (friction) पेश किया, तब भी तरल बहता रहा, हालांकि घर्षण बढ़ने के साथ इसकी गति कम हो गई। प्रवाह सबसे मजबूत तब था जब टेढ़े दांतों और सपाट दीवार के बीच का अंतराल चैनल की कुल ऊंचाई का लगभग आधा था। यदि अंतराल बहुत चौड़ा होता, तो चैनल बहुत सममित (symmetric) हो जाता और प्रवाह रुक जाता। यदि अंतराल बहुत संकीर्ण होता, तो कण फंस जाते और प्रवाह भी थम जाता। 'स्वीट स्पॉट' (सही अंतराल) ने कणों को गति के स्थिर, दोहराव वाले पैटर्न बनाने की अनुमति दी जो एक कन्वेयर बेल्ट की तरह कार्य करते थे और तरल को खींचते थे।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि प्रवाह की दिशा को कैसे नियंत्रित किया जा सकता है। चूंकि प्रवाह कणों के घूमने की दिशा पर निर्भर करता है, इसलिए कणों के घूमने की दिशा को उलटने से पंप की दिशा भी उलट जाती है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पाया कि टेढ़ी दीवार का विशिष्ट आकार मायने रखता है। एक ऐसी दीवार जहाँ लंबी ढलान प्रवाह की दिशा की ओर होती है, वह विपरीत ओरिएंटेशन की तुलना में थोड़ा अधिक मजबूत करंट उत्पन्न करती है। यह सुझाव देता है कि दक्षता को अधिकतम करने के लिए कंटेनर की ज्यामिति को सूक्ष्म रूप से ट्यून किया जा सकता है। यह तंत्र 'एज करेंट्स' (edge currents) नामक एक घटना पर निर्भर करता है, जहाँ घूमते कण स्वाभाविक रूप से दीवारों से चिपके रहते हैं और अपनी काइरैलिटी (chirality) द्वारा निर्धारित एक विशिष्ट दिशा में चलते हैं। एक सममित चैनल में, विपरीत दीवारों पर मौजूद ये एज करंट एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। असममित चैनल में, वे ऐसा नहीं करते, जिससे एक शेष बल बचता है जो तरल को आगे धकेलता है।
यह कार्य स्व-चालित माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के निर्माण के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। सूक्ष्म जगत में, जहाँ पारंपरिक पंप बहुत बड़े होते हैं या जिन्हें जटिल बाहरी बिजली स्रोतों की आवश्यकता होती है, एक साधारण चैनल जिसमें एक असमान दीवार हो, तरल को चलाने के लिए पर्याप्त हो सकता है। सिमुलेशन के परिणाम बताते हैं कि ऐसी प्रणाली को मौजूदा तकनीकों, जैसे कि चुंबकीय कोलाइड्स या कृत्रिम माइक्रोस्विमर्स का उपयोग करके बनाया जा सकता है, ताकि ऐसे पंप बनाए जा सकें जो बिना किसी चलते हुए यांत्रिक पुर्जों या बाहरी दबाव के संचालित होते हैं। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि केवल कंटेनर के सही आकार को डिजाइन करके, घूमते कणों की अराजक ऊर्जा को एक उपयोगी, निर्देशित प्रवाह में व्यवस्थित किया जा सकता है, जो सूक्ष्म स्तर पर तरल को नियंत्रित करने के नए तरीके खोलने का मार्ग प्रशस्त करता है।
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