Anisotropic medium-range order uncovers dynamic crossovers in glass-forming liquids

जब कोई तरल ठंडा होता है, तो यह आमतौर पर ठोस क्रिस्टल में जमने से पहले तक अधिक आसानी से बहता है। लेकिन शहद या कुछ प्लास्टिक जैसे कुछ तरल अलग व्यवहार करते हैं। जैसे-जैसे वे ठंडे होते हैं, वे क्रिस्टलीकृत नहीं होते; इसके बजाय, वे इतने घने और सुस्त हो जाते हैं कि बिना किसी नियमित पैटर्न के एक कठोर, कांच जैसी अवस्था में बदल जाते हैं। यह संक्रमण भौतिकी के महान रहस्यों में से एक है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि जैसे-जैसे ये तरल पदार्थ उस बिंदु के करीब पहुँचते हैं जहाँ वे कांच में बदल जाते हैं, उनके भीतर के अणु नाटकीय रूप से धीमे हो जाते हैं। वे अपने पड़ोसियों द्वारा बनाए गए अस्थायी पिंजरों में फंस जाते हैं, जो निरंतर झिलमिलाने की स्थिति में फंसे होते हैं लेकिन स्वतंत्र रूप से हिलने में असमर्थ होते हैं। दशकों से, शोधकर्ता इस बात पर बहस कर रहे हैं कि क्या यह धीमा होना पूरी तरह से समय और गति का मामला है, या यह इस बात से होता है कि अणुओं की व्यवस्था कैसे बदलती है। प्रचलित दृष्टिकोण यह रहा है कि जबकि अणु फंस जाते हैं, उनकी व्यवस्था अव्यवित और यादृच्छिक बनी रहती है, जो इस बारे में कोई स्पष्ट संरचनात्मक सुराग नहीं देती कि तरल अचानक क्यों रुक जाता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए तरीके से तरल को देखकर इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती दी है। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक मॉडल तरल में हजारों कणों की गति को ट्रैक किया जब उसे उसकी कांच जैसी अवस्था की ओर ठंडा किया जा रहा था। उन्होंने पाया कि अणु केवल यादृच्छिक रूप से फंसे हुए नहीं हैं; उन्हें थामने वाले पिंजरे में एक विशिष्ट, दिशात्मक कमजोरी होती है। एक कण अगले किस दिशा में कूदने की संभावना है, इस पर ध्यान केंद्रित करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि तेजी से चलने वाले कणों के आसपास की संरचना धीमी गति वाले कणों के आसपास की संरचना से भिन्न है। यह अंतर केवल एक छोटा स्थानीय विवरण नहीं है; यह तरल के तत्काल पड़ोसियों से बहुत आगे तक फैला हुआ है, जो तरल के मध्यम स्तर तक पहुँचता है। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने पाया कि इस संरचनात्मक अंतर की डिग्री उन दो विशिष्ट तापमानों पर चरम पर पहुँच जाती है जहाँ तरल का व्यवहार बदल जाता है। यह सुझाव देता है कि तरल का नाटकीय धीमा होना केवल एक गतिक दुर्घटना नहीं है, बल्कि एक संरचनात्मक परिवर्तन में गहराई से निहित है जो पहले मानक अवलोकन के लिए अदृश्य था।

यह अध्ययन कणों के एक द्विआधारी मिश्रण (binary mixture) पर केंद्रित है, जो एक ऐसा सिस्टम है जिसे क्रिस्टलीकृत हुए बिना जटिल ग्लास-फॉर्मिंग तरल पदार्थों के व्यवहार की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। शोधकर्ताओं ने इस सिस्टम को बाईस विभिन्न तापमानों पर सिम्युलेट किया, जो एक गर्म, तरल अवस्था से लेकर एक बहुत ही ठंडी, सुस्त अवस्था तक विस्तृत था। इन सिमुलेशन में, उन्होंने पहचान की कि कौन से कण सबसे तेज़ चल रहे थे और कौन से सबसे धीमे थे। पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिक संरचना को समझने के लिए सभी कणों की औसत व्यवस्था को देखते थे। हालाँकि, यह नया दृष्टिकोण अधिक विशिष्ट था। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक कण के लिए एक स्थानीय समन्वय प्रणाली (local coordinate system) बनाई, जो अनिवार्य रूप से उसके चारों ओर एक व्यक्तिगत मानचित्र बना रही थी। उन्होंने इस मानचित्र को उस दिशा के साथ संरेखित किया जिसमें कण आगे बढ़ने वाला था। धीमे कणों के लिए, जो अपने पिंजरों के भीतर खड़खड़ा रहे थे, यह दिशा यादृच्छिक थी। लेकिन तेज़ कणों के लिए, जो अपने पिंजरों से बाहर निकलने वाले थे, यह दिशा प्रतिरोध के एक विशिष्ट पथ की ओर इशारा करती थी।

जब शोधकर्ताओं ने इस पलायन पथ के साथ कणों के घनत्व की तुलना की, तो उन्हें एक आश्चर्यजनक विषमता मिली। तेज़ कणों के आसपास के पिंजरे अव्यवस्था के समान गोले नहीं थे। इसके बजाय, उनमें एक कमजोर क्रम का चैनल था, एक सुरंग जैसा क्षेत्र जहाँ संरचनात्मक व्यवस्था आसपास के तरल की तुलना में कम संगठित थी। इस चैनल ने एक द्वार के रूप में कार्य किया, जिससे तेज़ कण फिसल सके जबकि उनके धीमे पड़ोसी फंसे रहे। यह संरचनात्मक विशेषता उच्च तापमान पर मौजूद नहीं थी, जहाँ तरल आइसोट्रोपिक (isotropic) था, जिसका अर्थ है कि यह हर दिशा में एक जैसा दिखता था। जैसे-जैसे तरल ठंडा हुआ, यह अनिसोट्रोपिक (anisotropic) संरचना—जहाँ व्यवस्था दिशा पर निर्भर करती है—अधिक स्पष्ट होती गई। शोधकर्ताओं ने इस संरचनात्मक प्रभाव की लंबाई मापी और पाया कि यह तत्काल पड़ोसियों से काफी आगे तक फैला हुआ था, जो सबसे ठंडे सिमुलेशन में आठ कण व्यास तक पहुँच गया।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष तब सामने आया जब शोधकर्ताओं ने ट्रैक किया कि तापमान गिरने के साथ यह संरचनात्मक अंतर कैसे बदलता है। उन्होंने शीतलन प्रक्रिया में दो महत्वपूर्ण क्षणों की पहचान की। पहला उच्च तापमान पर हुआ जहाँ कण पहली बार पिंजरों में फंसना शुरू हुए। दूसरा एक निचले तापमान पर हुआ जहाँ गति का तंत्र 'स्ट्रिंग-लाइक' (string-like), सहकारी गति से बदलकर अधिक सघन, क्लस्टर व्यवहार में बदल गया। इन दोनों विशिष्ट तापमानों पर, तेज़ कणों के आसपास की संरचना और औसत संरचना के बीच का अंतर चरम पर पहुँच गया। इसका मतलब है कि तरल की बहने की क्षमता, और विभिन्न प्रकार की गति के बीच संक्रमण का तरीका, इस दिशात्मक अव्यवस्था की डिग्री से सीधे जुड़ा हुआ है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि इस संरचनात्मक विषमता को मापकर, वे गति के डेटा को देखे बिना इन संक्रमण तापमानों को सटीक रूप से पहचान सकते हैं। यह सिद्ध करता है कि ये तापमान केवल गति वक्रों (movement curves) के लिए गणितीय फिटिंग बिंदु नहीं हैं, बल्कि सामग्री के वास्तविक, भौतिक परिवर्तनों का प्रतिनिधित्व करते हैं।

अध्ययन ने ग्लास ट्रांज़िशन (कांच संक्रमण) की प्रकृति के बारे में एक लंबे समय से चले आ रहे प्रश्न को भी संबोधित किया। कुछ सिद्धांत सुझाव देते हैं कि तरल के धीमे होने का कारण विशुद्ध रूप से एक गतिशील घटना है, जिसमें कोई अंतर्निहित संरचनात्मक कारण नहीं है। अन्य तर्क देते हैं कि एक सूक्ष्म संरचनात्मक परिवर्तन इस प्रक्रिया को संचालित करता है। सिमुलेशन के परिणाम दूसरे तर्क के लिए मजबूत सबूत प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि निचले संक्रमण तापमान के पास धीमे कणों से जुड़े संरचनात्मक पैमाने का विकास एक सीढ़ीनुमा (step-like) फैशन में हुआ, जो पहले कभी नहीं देखा गया था। यह सीढ़ीनुमा विकास इंगित करता है कि धीमे कण एक जुड़े हुए नेटवर्क का निर्माण कर रहे हैं जो सामग्री में फैला हुआ है, जो कठोरता प्रदान करता है जबकि अभी भी कुछ गति की अनुमति देता है। यह नेटवर्क उन अचल कणों से बना है जो कांच की रीढ़ बनाते हैं, जबकि तेज़ कण उनके बीच के अव्यवरेज चैनलों के माध्यम से चलते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि बहुत निम्नतम तापमान पर क्या होता है, जो कौज़मैन तापमान (Kauzmann temperature) नामक एक सैद्धांतिक सीमा के करीब है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे तरल ठंडा होता है, तेज़ और धीमे कणों के बीच का संरचनात्मक अंतर कम होने लगता है। पलायन चैनल कम स्पष्ट हो जाते हैं, और संरचना फिर से अधिक सममित हो जाती है। यह सुझाव देता है कि अत्यधिक सुपरकूलिंग के गहरे स्तर पर, तेज़ और धीमे कणों के बीच का अंतर समाप्त हो जाता है, और सिस्टम ऐसी अवस्था की ओर बढ़ता है जहाँ विश्राम (relaxation) पूरी तरह से रुक जाता है। यह समरूपता उच्च तापमान पर तरल के व्यवहार को, जहाँ यह आइसोट्रोपिक है, निम्नतम तापमान पर होने वाले व्यवहार के साथ जोड़ती है, जहाँ यह एक आदर्श कांच (ideal glass) की ओर बढ़ता है।

यह कार्य ग्लास-फॉर्मिंग तरल पदार्थों की सूक्ष्म दुनिया को देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है। कणों की औसत व्यवस्था के बजाय चलते हुए कण के विशिष्ट, दिशात्मक वातावरण पर ध्यान केंद्रित करके, शोधकर्ताओं ने व्यवस्था की एक छिपी हुई परत को उजागर किया। उन्होंने प्रदर्शित किया कि कणों को कैद करने वाले पिंजरे समान जेल नहीं हैं बल्कि उनमें विशिष्ट कमजोर बिंदु हैं जो यह तय करते हैं कि तरल कैसे बहता है। यह खोज कि ये संरचनात्मक विशेषताएं ठीक उन्हीं तापमानों पर चरम पर पहुँचती हैं जहाँ तरल की गतिशीलता बदल जाती है, कई पहले से असंबद्ध अवलोकनों के लिए एक एकीकृत स्पष्टीकरण प्रदान करती है। यह सहकारी गति (cooperative motion) के उद्भव, चलते हुए समूहों के आकार में परिवर्तन और कठोर नेटवर्क के निर्माण को एक एकल, सुसंगत चित्र में जोड़ता है।

इस खोज के निहितार्थ केवल कांच को समझने तक सीमित नहीं हैं। इस अध्ययन में उपयोग की गई विधि, जिसमें एक कण की भविष्य की गति के साथ एक स्थानीय समन्वय प्रणाली को संरेखित करना शामिल है, अन्य जटिल प्रणालियों पर भी लागू की जा सकती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इस दृष्टिकोण का उपयोग कोलाइडल सस्पेंशन (colloidal suspensions) के प्रयोगों में किया जा सकता है, जहाँ कणों की गति को सीधे देखा जा सकता है। हालाँकि प्रयोगशाला में इन विचारों का परीक्षण करने के लिए आवश्यक सटीक नियंत्रण प्राप्त करना एक चुनौती बनी हुई है, सिमुलेशन के परिणाम प्रयोगकर्ताओं के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान करते हैं। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने ग्लास ट्रांज़िशन के पूरे रहस्य को सुलझा लिया है, बल्कि इसने एक बड़ी बाधा को हटा दिया है यह दिखाकर कि संरचना और गतिशीलता आपस में अटूट रूप से जुड़े हुए हैं। यह प्रकट करता है कि कांच बनने के पीछे के कारण को समझने की कुंजी औसत अव्यवस्था में नहीं, बल्कि उन विशिष्ट, दिशात्मक खामियों में है जो कणों को भाग लेने की अनुमति देती हैं।

शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनके निष्कर्ष एक विशिष्ट मॉडल सिस्टम के व्यापक कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं। जबकि मॉडल व्यापक रूप से स्वीकृत है और इसे कई पिछले अध्ययनों में उपयोग किया गया है, परिणाम उस विशिष्ट सिस्टम के लिए ही हैं। जैसा कि लेखक नोट करते हैं, अगला कदम यह देखना है कि क्या ये संरचनात्मक संकेत अन्य प्रकार के ग्लास-फॉर्मिंग तरल पदार्थों, जिनमें आणविक तरल पदार्थ और नेटवर्क ग्लास शामिल हैं, के लिए भी सत्य हैं। यदि ये पैटर्न सार्वभौमिक हैं, तो यह मौलिक रूप से बदल देगा कि वैज्ञानिक तरल से ठोस में संक्रमण को कैसे समझते हैं। फिलहाल, यह अध्ययन एक शक्तिशाली प्रदर्शन के रूप में खड़ा है कि एक स्पष्ट रूप से यादृच्छिक, अव्यवस्थित तरल में भी, एक छिपा हुआ क्रम होता है जो इसके व्यवहार को नियंत्रित करता है। जो पिंजरे अणुओं को कैद करते हैं वे केवल अस्थायी बाधाएं नहीं हैं; वे संरचित वातावरण हैं जिनमें विशिष्ट पथ हैं जो तरल के ठंडा होने के भाग्य को निर्धारित करते हैं। यह अंतर्दृष्टि हमें कांच जैसी अवस्था की मौलिक प्रकृति को समझने के करीब लाती है, जो पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जो हमारे चारों ओर है लेकिन भौतिकी में सबसे पहेली बना हुआ है।