Interplay between spinodal decomposition and wetting in ternary to quinary mixtures

कल्पना कीजिए कि पानी के एक गिलास में तेल की एक बूंद गिरती है। दोनों तरल पदार्थ आपस में नहीं मिलते; इसके बजाय, वे अलग हो जाते हैं, और तेल पानी के संपर्क को कम करने के लिए एक विशिष्ट आकार में सिमट जाता है। यह एक परिचित दृश्य है, लेकिन सामग्री विज्ञान (मटेरियल साइंस) की दुनिया में, वैज्ञानिक इस बात में रुचि रखते हैं कि क्या होता है जब आपके पास केवल दो ही नहीं, बल्कि तीन, चार या यहाँ तक कि पाँच अलग-अलग पदार्थ हों जो एक साथ खुद को व्यवस्थित करने की कोशिश कर रहे हों। यह प्रक्रिया, जिसे स्पिनोडल डिकंपोजिशन (spinodal decomposition) कहा जाता है, मिश्रित सामग्री के बिना किसी बीज या ट्रिगर के स्वतः ही अलग-अलग क्षेत्रों में टूट जाने का तरीका है। यह वह तंत्र है जो जेट इंजनों में उपयोग किए जाने वाले धातु मिश्र धातुओं से लेकर जीवित कोशिकाओं के भीतर जटिल तरल पदार्थों तक, हर चीज़ की आंतरिक संरचना को निर्धारित करता है। जब यह अलगाव किसी ठोस वस्तु के पास होता है, जैसे कि मिश्रण में निलंबित एक सूक्ष्म कण, तो नियम बदल जाते हैं। ठोस सतह अन्य पदार्थों की तुलना में एक प्रकार के पदार्थ को अधिक आकर्षित कर सकती है, जिससे उसके चारों ओर उस सामग्री की एक परत बन जाती है। यह घटना, जिसे वेटिंग (wetting) कहा जाता है, मिश्रण के बड़े, चिकने डोमेन में टूटने की स्वाभाविक प्रवृत्ति के साथ प्रतिस्पर्धा करती है। जटिल, बहु-घटक मिश्रणों में ये बल कैसे काम करते हैं, इसे समझना विशिष्ट गुणों वाली नई सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी तीन से अधिक घटकों वाले सिस्टम का व्यवहार काफी हद तक एक रहस्य बना हुआ है।

हाल ही में एक अध्ययन में, भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान रुड़की के शोधकर्ताओं ने तीन, चार और पाँच घटकों वाले मिश्रणों में इस प्रक्रिया को घटित होते देखने के लिए उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने एक डिजिटल वातावरण बनाया जहाँ एक स्थिर, अचल कण एक समान मिश्रण के केंद्र में स्थित था। टीम ने देखा कि एक कण के तहत घटक समय के साथ कैसे अलग होते हैं: एक जहाँ कण का किसी भी घटक के प्रति कोई झुकाव नहीं था, और दूसरा जहाँ कण एक विशिष्ट घटक के प्रति अत्यधिक आकर्षण रखता था जबकि दूसरों को प्रतिकर्षित करता था। कणों और घटकों के बीच अदृश्य बलों को समायोजित करके, वे नियंत्रित कर सकते थे कि कौन सतह से चिपकेगा और कौन दूर रहेगा। लक्ष्य यह देखना था कि घटकों की संख्या और एक चिपचिपी सतह की उपस्थिति अंतिम सामग्री के पैटर्न को कैसे बदलती है।

जब शोधकर्ताओं ने तीन घटकों वाले मिश्रण का सिमुलेशन किया जिसमें कोई कण नहीं था, तो परिणाम एक जटिल, आपस में गुंथा हुआ जालीदार ढांचा (lattice) था जहाँ तीनों पदार्थ एक वेब जैसी संरचना में मिले हुए थे। हालाँकि, जब उन्होंने एक ऐसा कण पेश किया जो एक विशेष घटक को पसंद करता था, तो कहानी नाटकीय रूप से बदल गई। पसंदीदा घटक तुरंत कण के चारों ओर एक कोट की तरह लिपट गया, जिससे एक कोर (core) बन गया। अगला सबसे अनुकूल घटक उसके चारों ओर एक शेल (shell) बना, और तीसरा एक बाहरी परत बना, जिससे संकेंद्रित छल्लों (concentric rings) जैसा एक लक्ष्य-नुमा पैटर्न बन गया। इसे कोर-शेल मॉर्फोलॉजी (core-shell morphology) कहा जाता है। जैसे-जैसे समय बीतता गया, ये छल्ले पूर्णतः सटीक नहीं रहे। छोटे छल्लों की वक्रता ने उन्हें अस्थिर बना दिया, जिससे आंतरिक परतें सिकुड़ गईं और अंततः गायब हो गईं क्योंकि सामग्री अपने किनारों को चिकना करने का प्रयास कर रही थी। छल्ले आसपास के बल्क मटेरियल के साथ मिल गए, जिससे वह साफ लक्ष्य पैटर्न अलग-थलग द्वीपों (islands) में टूट गया।

शोधकर्ताओं ने पाया कि अधिक घटक जोड़ने से अलगाव की प्रक्रिया धीमी और अधिक खंडित हो जाती है। चार घटकों वाले मिश्रण में, वेटिंग प्रभाव ने कण के चारों ओर परतें तो बनाईं, लेकिन कण से दूर का बल्क मटेरियल एक निरंतर वेब के बजाय अलग-अलग बूंदों में टूटने लगा। जब वे पाँच घटकों वाले मिश्रण पर गए, तो निरंतर नेटवर्क बनाने की प्रवृत्ति लगभग पूरी तरह से समाप्त हो गई। एक ऐसे कण के साथ भी जो घटकों को परतों में खींचने की कोशिश करता था, बल्क मटेरियल प्रत्येक घटक की छोटी, अलग बूंदों में टूट गया। अतिरिक्त घटकों की उपस्थिति ने अणुओं की गति पर एक ब्रेक की तरह काम किया, जिससे उनके लिए बड़े, चिकने डोमेन में पुनर्गणना करना कठिन हो गया।

एक प्रमुख खोज वेटिंग की गति और समग्र अलगाव की गति के बीच की प्रतिस्पर्धा थी। कण का एक विशिष्ट घटक के प्रति आकर्षण ने उस घटक को सतह की ओर तेजी से दौड़ने के लिए प्रेरित किया, जिससे प्रारंभिक कोर-शेल संरचना के निर्माण में तेजी आई। हालाँकि, एक बार ये संरचनाएं बनने के बाद, उनके बड़े होने और चिकना होने की प्रक्रिया, जिसे कोअरसेनिंग (coarsening) कहा जाता है, घटकों की संख्या बढ़ने के साथ काफी धीमी हो गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि जबकि वेटिंग ने शुरुआत में सामग्री को तेजी से व्यवस्थित करने में मदद की, लेकिन अधिक घटकों की अत्यधिक जटिलता ने अंतिम स्थिरीकरण की प्रक्रिया को लंबा कर दिया। प्रत्येक मामले में, अंतिम पैटर्न इस बात का परिणाम था कि कण एक विशिष्ट परत को अपनी ओर खींचने की कोशिश कर रहा था जबकि शेष मिश्रण अपने स्वयं के विशिष्ट आकारों में अलग होने के लिए संघर्ष कर रहा था।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि हर घटक को अपनी अलग रिंग नहीं मिलती है। अधिक जटिल मिश्रणों में, समान गुणों वाले कुछ घटक मुख्य परतों के बीच की सीमाओं पर समूह बना लेते हैं, जो पूर्ण शेल के बजाय पतली फिल्मों (films) के रूप में दिखाई देते हैं। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि उन विशिष्ट घटकों के बीच के बल इतने कमजोर थे कि उन्हें पूरी तरह से अलग होने की आवश्यकता नहीं थी। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह व्यवहार पूरी तरह से प्रत्येक जोड़ी घटकों के बीच बलों के विशिष्ट संतुलन पर निर्भर करता है। यदि बलों को सही ढंग से ट्यून किया जाए, तो एक सामग्री को एक विशिष्ट, स्तरित संरचना बनाने के लिए निर्देशित किया जा सकता है, लेकिन यदि संतुलन बदलता है, तो परतें घुल सकती हैं या टूट सकती हैं।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक कण के मिश्रण के साथ होने वाली अंतःक्रिया को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक किसी सामग्री की अंतिम वास्तुकला को प्रभावित कर सकते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि जबकि एक एकल कण एक सुंदर, स्तरित लक्ष्य पैटर्न बना सकता है, सिस्टम की ऊर्जा को न्यूनतम करने की प्राकृतिक प्रवृत्ति अंततः उन पैटर्नों को सरल आकारों में तोड़ देती है। मिश्रण में घटकों की संख्या एक निर्णायक भूमिका निभाती है: अधिक घटक मतलब अधिक अलग-थलग द्वीप और अंतिम अवस्था तक पहुँचने का धीमा मार्ग। ये निष्कर्ष जटिल सामग्रियों के विकास को समझने के लिए एक रोडमैप प्रदान करते हैं, जो यह अनुमान लगाने का एक तरीका प्रदान करते हैं कि एक मिश्रण निरंतर नेटवर्क बनाएगा या बूंदों में टूट जाएगा। यह ज्ञान इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए आवश्यक है जिन्हें सटीक आंतरिक संरचनाओं वाली सामग्रियों को डिजाइन करने की आवश्यकता होती है, जैसे कि मजबूत मिश्र धातु से लेकर उन्नत जैविक कोटिंग्स तक, यह सुनिश्चित करना कि सामग्री की सूक्ष्म व्यवस्था उसके इच्छित कार्य का समर्थन करे।