Defining Thixotropy
यह शोधपत्र थिक्सोट्रॉपी (thixotropy) को सामान्य गैर-रैखिक विस्कोइलास्टिक व्यवहार से अलग करने और रियोलॉजिकल वर्गीकरण के भीतर इसके वर्गीकरण के लिए एक स्पष्ट, घटनात्मक रूपरेखा स्थापित करने हेतु इसके तीन पूरक, प्रयोगात्मक रूप से परीक्षण योग्य परिभाषाओं का प्रस्ताव करता है।
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एक पेंट का जार कल्पना कीजिए जो एक शेल्फ पर रखा है। यह गाढ़ा है, लगभग ठोस है, और हिलने से इनकार करता है। लेकिन जैसे ही आप ब्रश से इसे हिलाते हैं, यह अचानक तरल हो जाता है, और दीवार को ढंकने के लिए आसानी से बहने लगता है। यदि आप हिलाना बंद कर देते हैं, तो यह धीरे-धीरे फिर से गाढ़ा हो जाता है, और अपना आकार बनाए रखता है। यह व्यवहार, जहाँ कोई सामग्री इस बात पर निर्भर करती है कि वह कितनी देर स्थिर रही बनाम उसे कितनी देर हिलाया गया, थिक्सोट्रॉपी (thixotropy) के रूप में जाना जाता है। यह गुण केचप और टूथपेस्ट से लेकर ड्रिलिंग मड और सौंदर्य प्रसाधनों तक, हर चीज़ में पाया जाता है। लगभग एक सदी से, वैज्ञानिकों ने ऐसी समय-निर्भर परिवर्तनों का वर्णन करने के लिए इस शब्द का उपयोग किया है। हालाँकि, जैसे-जैसे जटिल तरल पदार्थों का अध्ययन बढ़ा है, इसकी परिभाषा धुंधली होती गई है। कई सामग्रियां जो रबर जैसे पॉलिमर की तरह केवल खिंचती और शिथिल होती हैं, वे भी समय-निर्भर परिवर्तन दिखाती हैं, जिससे शोधकर्ता वास्तविक संरचनात्मक पुनर्निर्माण और साधारण लोचदार व्यवहार के बीच भ्रमित हो जाते हैं। उन्हें अलग करने का स्पष्ट तरीका न होने के कारण, इस शब्द ने अपनी सटीकता खो दी है, जिससे सामग्रियों की तुलना करना या यह भविष्यवाणी करना कठिन हो गया है कि वे वास्तविक दुनिया में कैसे व्यवहार करेंगी।
दो शोधकर्ताओं, योगेश जोशी और रोनाल्ड लार्सन ने इस भ्रम को दूर करने का प्रयास किया है। वे थिक्सोट्रॉपी को परिभाषित करने के लिए एक नया, व्यावहारिक ढांचा प्रस्तावित करते हैं, जो इसे मानक लोचदार सामग्रियों के समय-निर्भर व्यवहार से स्पष्ट रूप से अलग करता है। उनका कार्य इस बात पर निर्भर नहीं करता कि सामग्री सूक्ष्म स्तर पर किससे बनी है, बल्कि इस पर कि वह बल के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है जिसे मापा और दोहराया जा सकता है। उनका तर्क है कि किसी सामग्री के वास्तव में थिक्सोट्रोपिक होने के लिए, उसे केवल धीरे-धीरे शिथिल होने से कहीं अधिक करना होगा; उसे एक ऐसी संरचनात्मक परिवर्तन से गुजरना होगा जिसे उलटने के लिए भारी मात्रा में विरूपण (deformation) की आवश्यकता हो।
लेखक इस व्यवहार की पहचान करने के तीन अलग-अलग तरीके सुझाते हैं, जो एक सैद्धांतिक आदर्श से लेकर प्रयोगशाला में किए जा सकने वाले व्यावहारिक परीक्षणों तक विस्तृत हैं। पहला, जिसे वे 'बेसलाइन परिभाषा' कहते हैं, एक ऐसी सामग्री का वर्णन करता है जो अपनी गति के इतिहास के आधार पर अपनी मोटाई बदलती है लेकिन जिसमें कोई लोचदार स्मृति (elastic memory) नहीं होती। इस आदर्श दृष्टिकोण में, जिस क्षण आप सामग्री को हिलाना बंद करते हैं, तनाव तुरंत समाप्त हो जाता है, और यह रबर बैंड की तरह वापस खिंचने की कोशिश नहीं करती है। हालाँकि कोई भी वास्तविक सामग्री पूरी तरह से इसके जैसी नहीं है, लेकिन यह अवधारणा गणितीय मॉडल बनाने के लिए एक उपयोगी संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करती है।
दूसरी परिभाषा वह है जो प्रयोगकर्ताओं के लिए सबसे उपयोगी है। यह उस गति की मात्रा पर ध्यान केंद्रित करती है जो सामग्री को रीसेट करने के लिए आवश्यक है। जब एक थिक्सोट्रोपिक सामग्री स्थिर होती है और फिर अचानक उसे हिलाया जाता है, तो उसे निरंतर प्रवाह की स्थिति में लाने के लिए अत्यधिक खिंचाव या कतरनी (shearing) की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कई थिक्सोट्रोपिक पदार्थों के लिए, सामग्री को निरंतर प्रवाह में स्थिर होने से पहले अपने स्वयं के आकार से सैकड़ों या हजारों गुना विरूपित होना पड़ता है। इसके विपरीत, एक मानक लोचदार सामग्री, जैसे कि पॉलिमर घोल, आमतौर पर अपने आकार के दस गुना से कम खिंचाव के बाद एक स्थिर अवस्था तक पहुँच जाती है। यदि किसी सामग्री को एक स्थिर प्रवाह तक पहुँचने के लिए उसकी अपनी लोच द्वारा आवश्यक मात्रा से बहुत अधिक स्ट्रेन (strain) की आवश्यकता होती है, तो वह थिक्सोट्रोपिक है। यह नियम तब भी लागू होता है जब सामग्री को निरंतर गति या निरंतर बल द्वारा धकेला जा रहा हो।
तीसरी परिभाषा सामग्री को तब देखती है जब वह स्थिर बैठी होती है। यदि आप एक थिक्सोट्रोपिक तरल को हिलाना बंद कर देते हैं और उसे आराम करने देते हैं, तो इसकी आंतरिक संरचना फिर से बनती है, जिससे यह हिलने में कठिन और धीमा हो जाता है। शोधकर्ता यहाँ थिक्सोट्रॉपी को यह देखकर परिभाषित करते हैं कि सामग्री को शिथिल होने में लगने वाला समय बढ़ता जाता है क्योंकि वह जितनी देर स्थिर रहती है। एक सामान्य लोचदार तरल में, शिथिल होने का समय निश्चित होता है; एक बार जब आप पर्याप्त प्रतीक्षा कर लेते हैं, तो सामग्री अपना अतीत भूल जाती है और हर बार एक ही तरह से व्यवहार करती है। लेकिन एक थिक्सोट्रोपिक तरल में, यह जितनी देर आराम करती है, शिथिल होने में उतना ही अधिक समय लगता है, और यह समय प्रतीक्षा करने के साथ बढ़ता रहता है। रिकवरी में लगने वाले समय में यह अनियंत्रित वृद्धि इस बात का संकेत है कि सामग्री केवल शिथिल नहीं हो रही है, बल्कि सक्रिय रूप से एक ऐसी संरचना का पुनर्निर्माण कर रही है जिसे प्रवाह द्वारा फिर से तोड़ा जा सकता है।
इन विचारों का परीक्षण करने के लिए, लेखकों ने मौजूदा वैज्ञानिक साहित्य से विविध प्रकार की सामग्रियों का परीक्षण किया। उन्होंने सेलुलोज नैनोक्रिस्टल, सीड गम, मोमी कच्चे तेल, लुब्रिकेटिंग ग्रीस और विभिन्न मिट्टी और सिलिका सस्पेंशन का अध्ययन किया। प्रत्येक मामले में जहाँ सामग्री वास्तव में थिक्सोट्रोपिक थी, डेटा ने उनके नियमों की पुष्टि की। उदाहरण के लिए, जब उन्होंने निरंतर रूप से हिलाए जा रहे मोमी कच्चे तेल को देखा, तो तेल को हिलाने के लिए आवश्यक तनाव (stress) लगातार चालीस आठ घंटों तक कम होता रहा। उस समय के अंत तक, तेल को उसके आकार से एक लाख से अधिक गुना खींचा गया था, एक ऐसी संख्या जो सरल लोच द्वारा कभी भी समझाई नहीं जा सकती थी। इसी तरह, जब उन्होंने मिट्टी के सस्पेंशन को देखा जिन्हें आराम करने दिया गया था, तो उनके शिथिल होने का समय घंटों तक लगातार बढ़ता रहा, जिससे पता चला कि सामग्री लगातार विकसित हो रही है और अपने आंतरिक नेटवर्क का पुनर्निर्माण कर रही है।
शोधकर्ताओं ने यह भी स्पष्ट किया कि क्या थिक्सोट्रॉपी में नहीं गिना जाता है। उन्होंने उन सामग्रियों को खारिज कर दिया जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण बदलती हैं, जैसे कि सीमेंट का सख्त होना, क्योंकि वे परिवर्तन स्थायी हैं और उन्हें हिलाकर बदला नहीं जा सकता है। उन्होंने उन प्रणालियों को भी बाहर कर दिया जहाँ मिश्रण बड़े स्तरों या बूंदों में विभाजित हो जाता है जो समय के साथ बढ़ते हैं, क्योंकि ये मैक्रोस्कोपिक परिवर्तन हैं न कि थिक्सोट्रॉपी में देखे जाने वाले प्रतिवर्ती संरचनात्मक बदलाव। इसके अलावा, उन्होंने उल्लेख किया कि 'शीयर बैंडिंग' (shear banding) की उपस्थिति, जहाँ सामग्री अलग-अलग परतों में असमान रूप से बहती है, अकेले थिक्सोट्रॉपी को सिद्ध करने के लिए पर्याप्त नहीं है, क्योंकि यह अन्य प्रकार के तरल पदार्थों में भी हो सकता है।
इन स्पष्ट, मापने योग्य मानदंडों को स्थापित करके, लेखक वैज्ञानिकों और इंजीनियरों को एक ही भाषा बोलने का तरीका प्रदान करते हैं। केवल एक अस्पष्ट अवलोकन के आधार पर यह अनुमान लगाने के बजाय कि कोई सामग्री थिक्सोट्रोपिक है या नहीं, वे अब एक विशिष्ट परीक्षण कर सकते हैं: यह मापें कि निरंतर प्रवाह तक पहुँचने के लिए कितने स्ट्रेन की आवश्यकता है, या सामग्री के आराम करने के दौरान शिथिल होने के समय को देखें। यदि संख्याएँ साधारण लोच की सीमाओं से अधिक हैं, तो सामग्री थिक्सोट्रोपिक है। यह अंतर उन उद्योगों के लिए महत्वपूर्ण है जो इन सामग्रियों पर निर्भर हैं, जैसे कि पेंटिंग से लेकर तेल ड्रिलिंग तक, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि सही काम के लिए सही तरल का चयन किया जाए। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने जटिल तरल पदार्थों के हर रहस्य को सुलझा लिया है, लेकिन यह सॉफ्ट मैटर की दुनिया में सबसे आम और उपयोगी व्यवहारों में से एक को समझने के लिए एक ठोस, व्यावहारिक आधार प्रदान करता है।
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