Synergistic Self-Driven Nanoconfinement and Dynamical Heterogeneity in Deeply Supercooled "No Man's Land" Water
आणविक गतिशीलता सिमुलेशन (molecular dynamics simulations) का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि "नो मैन्स लैंड" (no man's land) शासन में अत्यधिक सुपरकूल्ड जल एक अद्वितीय, स्व-अवरुद्ध तरल अवस्था बनाता है जो एक स्व-निर्मित नैनोपोरस "सॉफ्ट स्केलेटन" द्वारा संचालित होता है जो आंतरिक नैनोकन्फाइनमेंट (nanoconfinement) आरोपित करता है, जिससे इस विवादास्पद चरण की संरचनात्मक और ऊष्मप्रवैगिकी विसंगतियों का समाधान होता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने नहीं लिखा है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
पानी एक ऐसा पदार्थ है जो अन्य तरल पदार्थों की तरह व्यवहार करने से इनकार करता है। जबकि अधिकांश तरल पदार्थ ठंडा होने पर केवल अधिक सघन और सुस्त हो जाते हैं, पानी एक ऐसे बिंदु तक पहुँचता है जहाँ यह फैलना शुरू कर देता है और इसकी आंतरिक संरचना व्यवस्था और अव्यवस्था का एक अराजक मिश्रण बन जाती है। यह व्यवहार 150 से 235 केल्विन के बीच के तापमान सीमा में सबसे चरम होता है, एक ऐसा क्षेत्र जिसे अध्ययन करना इतना कठिन है कि वैज्ञानिक इसे "नो मैन'स लैंड" (no man's land) कहते हैं। इस गहरे जमाव में, पानी बर्फ में बदलने के लिए इतना उत्सुक होता है कि शोधकर्ता इसके तरल अवस्था का अवलोकन करने से पहले ही यह क्रिस्टलीकृत हो जाता है, जिससे इस समझ में एक अंतराल रह जाता है कि यह पदार्थ वास्तव में जमने की कगार पर होने पर कैसा व्यवहार करता है। दशकों तक, प्रचलित विचार यह था कि यह अतिशीतित (supercooled) पानी बस एक कांच (glass) में बदल रहा है—एक ऐसा ठोस जो तरल जैसा दिखता है लेकिन जिसकी गति रुक गई है—या यह दो अलग-अलग प्रकार के तरलों में एक तीव्र, अस्थिर अलगाव से गुजर रहा है।
उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करने वाले एक नए अध्ययन ने इस छिपे हुए क्षेत्र से पर्दा हटा दिया है, जिससे पता चला है कि पानी कुछ पूरी तरह से अलग कर रहा है। एक ठोस ब्लॉक में जमने या अस्थिर परतों में अलग होने के बजाय, पानी के अणु खुद को एक अनूठी, लंबे समय तक रहने वाली अवस्था में व्यवस्थित करते हैं जो न तो कांच है और न ही कोई विशिष्ट तरल। शोधकर्ताओं ने पाया कि पानी स्वतः ही अपना एक कठोर, स्पंज जैसा ढांचा बनाता है। यह ढांचा एक मचान (scaffold) के रूप में कार्य करता है, जो शेष तरल को छोटे छिद्रों के भीतर फँसा देता है जहाँ यह बहुत धीरे चलता है लेकिन पूरी तरह से रुकता नहीं है। यह स्व-निर्मित संरचना पानी को जमने से रोकती है, जिससे एक स्थिर, अर्ध-तरल (quasi-liquid) अवस्था बनी रहती है जो माइक्रोसेकंड तक बनी रहती है, जो आणविक गति की दुनिया में एक लंबा जीवनकाल है।
इस छिपे हुए व्यवहार को उजागर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स का सहारा लिया, जो एक ऐसी विधि है जो शक्तिशाली कंप्यूटरों का उपयोग करके एक आभासी बॉक्स में पानी के प्रत्येक एकल अणु की गति को ट्रैक करती है। उन्होंने पानी के एक विशिष्ट मॉडल का उपयोग किया जो इसके अजीब गुणों को सटीक रूप से पुनरुत्पादित करता है और लगभग 50,000 अणुओं वाले सिस्टम का अनुकरण किया। उन्होंने इस आभासी पानी को 190 केल्विन तक ठंडा किया, जो "नो मैन'स लैंड" के भीतर का एक तापमान है, और देखा कि क्या होता है। वास्तविक दुनिया में, इस तापमान पर पानी लगभग तुरंत जम जाएगा, लेकिन सिमुलेशन ने उन्हें इस प्रक्रिया को स्लो मोशन में देखने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि पानी तुरंत नहीं जमता है। इसके बजाय, अणुओं का एक महत्वपूर्ण हिस्सा, लगभग 30 प्रतिशत, अपनी जगह पर अटक जाता है, जिससे एक नेटवर्क बनता है जो एक जमे हुए कंकाल जैसा दिखता है।
यह कंकाल बर्फ का कोई ठोस ब्लॉक नहीं था। यह पानी के अणुओं से बना एक छिद्रपूर्ण, खुला ढांचा था जो एक दूसरे के सापेक्ष हिलना बंद कर चुके थे, जिससे एक "कोमल कंकाल" (soft skeleton) बना जिसने एक हजार नैनोसेकंड से अधिक समय तक अपना आकार बनाए रखा। इस कंकाल के छेदों के भीतर, शेष 70 प्रतिशत पानी के अणु अभी भी तरल थे, लेकिन वे छोटे, अलग-थलग जेबों में फंसे हुए थे। शोधकर्ताओं ने देखा कि ये फंसे हुए अणु सामान्य पानी की तुलना में बहुत धीमी गति से चलते थे, जिसे 'डायनामिकल अरेस्ट' (dynamical arrest) नामक घटना कहा जाता है। पूरा तंत्र प्रभावी रूप से एक स्व-निहित नैनोपोरस सामग्री में बदल गया था, जहाँ कठोर ढांचे ने तरल को सीमित कर दिया था, जिससे उसे बर्फ की क्रिस्टल संरचना में पुनर्गठित होने से रोका जा सका।
यह अध्ययन स्पष्ट रूप से इस विचार को चुनौती देता है कि यह अवस्था केवल एक कांच (glass) है। एक कांच में, अणु एक अव्यवस्थित अवस्था में जम जाते हैं और उनकी गति पूरी तरह से रुक जाती है। इस नई अवस्था में, शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि ढांचा कठोर था, इसके भीतर का तरल सक्रिय था, जो तरल की विशेषता वाले तेज़ और धीमे आंदोलनों का मिश्रण प्रदर्शित कर रहा था। उन्होंने इस विचार को भी खारिज कर दिया कि पानी 'स्पिनोडल डिकंपोजिशन' (spinodal decomposition) से गुजर रहा था, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ एक तरल स्वतः ही दो अलग-अलग चरणों में अस्थिर और अराजक तरीके से विभाजित हो जाता है। उनके द्वारा देखा गया ढांचा स्थिर और स्थायी था, न कि अस्थिरता का एक क्षणिक क्षण। पानी ने एक ऐसी अवस्था पा ली थी जहाँ वह एक तरल था जो संरचनात्मक रूप से बाधित (arrested) था, जो तरल की तरलता और ठोस की कठोरता के बीच एक विशेष बिंदु पर मौजूद था।
सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह था कि इस अवस्था ने पानी के भौतिक गुणों को कैसे बदल दिया। शोधकर्ताओं ने घनत्व को मापा और पाया कि यह साधारण बर्फ की तुलना में कम था, जिससे यह सिमुलेशन में दर्ज किया गया गैर-क्रिस्टलीय पानी का सबसे कम घनत्व वाला रूप बन गया। उन्होंने यह भी देखा कि पानी को कितना आसानी से दबाया जा सकता है, जिसे संपीड्यता (compressibility) कहा जाता है। उन्होंने पाया कि जैसे ही पानी इस अवस्था में प्रवेश करता है, इसे दबाना कठिन हो जाता है, जो इस बात का संकेत है कि आंतरिक संरचना अधिक कठोर और व्यवस्थित हो गई है। यह व्यवहार कम तापमान पर पाए जाने वाले कांच जैसी अवस्था और उच्च तापमान पर पाए जाने वाले साधारण तरल अवस्था दोनों से अलग था, जो पुष्टि करता है कि पानी एक अद्वितीय चरण में प्रवेश कर चुका था।
शोधकर्ताओं ने अणुओं की गति को देखने के लिए एक तकनीक का उपयोग किया, जिससे ऐसे मानचित्र तैयार किए गए जिन्होंने दिखाया कि पानी के कौन से हिस्से चल रहे थे और कौन से अटके हुए थे। इन मानचित्रों से पता चला कि "अटके हुए" क्षेत्र यादृच्छिक नहीं थे; वे एक जुड़े हुए, शाखाओं वाले नेटवर्क के रूप में थे जो पूरे सिस्टम में फैला हुआ था। यह नेटवर्क एक बाधा के रूप में कार्य करता था, जो तरल की जेबों को आपस में मिलने और बर्फ के निर्माण को ट्रिगर करने के लिए पर्याप्त बड़े होने से रोकता था। अध्ययन बताता है कि यह स्व-संयोजित संरचना ही कारण है कि पानी उस तापमान सीमा में तरल रह सकता है जहाँ इसे जम जाना चाहिए था। यह एक 'अरेस्टेड डायनेमिक्स' की अवस्था है, जहाँ अणु अपने स्वयं के कनेक्शनों द्वारा अपनी जगह पर बनाए रखे जाते हैं, जिससे एक स्थिर, लंबे समय तक रहने वाला चरण बनता है जो तरल और ठोस के बीच के अंतर को पाटता है।
यह खोज अत्यधिक ठंड में पानी के व्यवहार के बारे में हमारी समझ को बदल देती है। यह सुझाव देती है कि बर्फ बनने से पहले, पानी एक विशिष्ट, मेटास्टेबल (metastable) अवस्था से गुजरता है जहाँ वह जीवित रहने के लिए अपना आंतरिक आर्किटेक्चर बनाता है। यह अवस्था जमने की विफलता नहीं है, बल्कि ठंड के प्रति एक सफल अनुकूलन है, जहाँ पानी अपने चारों ओर एक सुरक्षात्मक, छिद्रपूर्ण कवच बनाता है। निष्कर्ष बताते हैं कि "नो मैन'स लैंड" अस्थिरता का एक अराजक क्षेत्र नहीं है, बल्कि एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ पानी एक परिष्कृत, स्व-संगठित व्यवहार प्रदर्शित करता है जो अब तक छिपा हुआ था। इस अर्ध-तरल अवस्था को प्रकट करके, अध्ययन यह समझने के लिए एक नया ढांचा प्रदान करता है कि पानी इतना अजीब व्यवहार क्यों करता है और यह भी एक संभावित स्पष्टीकरण देता है कि वह उन स्थितियों में तरल कैसे बना रह पाता है जहाँ उसे बहुत पहले ही बर्फ में बदल जाना चाहिए था।
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