Density Accelerated Relaxation in Active Passive Colloidal Networks with Competing Interactions
यह अध्ययन प्रकट करता है कि प्रतिस्पर्धी विद्युत क्षेत्र-मध्यस्थ अंतःक्रियाओं वाले अर्ध-2D सक्रिय-निष्क्रिय कोलाइडल मिश्रणों में, घनत्व बढ़ाना विरोधाभासी रूप से पर्कलेटेड नेटवर्क व्यवस्था के भीतर विश्रांति (रिलैक्सेशन) को त्वरित करता है, जो असममित आकर्षण और प्रतिकर्षण द्वारा सक्षम गतिविधि-संचालित पुनर्गठन के कारण होता है।
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तरल पदार्थों की सूक्ष्म दुनिया में, नन्हे ठोस कण अक्सर एक भीड़ भरे डांस फ्लोर की तरह व्यवहार करते हैं जहाँ हर कोई अपना स्थान खोजने की कोशिश कर रहा होता है। जब ये कण निष्क्रिय होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे केवल तरल के प्रवाह के साथ बहते हैं, तो वे कभी-कभी आपस में जुड़कर विशाल, उलझे हुए जाल बना सकते हैं जिन्हें जेल (gels) कहा जाता है। ये जेल कई रोजमर्रा की सामग्रियों की रीढ़ हैं, भोजन की बनावट से लेकर दवाओं की स्थिरता तक। हालाँकि, एक बार बनने के बाद, ये नेटवर्क आमतौर पर कठोर और स्थिर हो जाते हैं, जिससे उनकी संरचना समय में लॉक हो जाती है और उन्हें बिना तोड़े बदलना मुश्किल हो जाता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इन नेटवर्कों को जीवित और अनुकूलन योग्य रखने का तरीका खोजा है, इस उम्मीद में कि कणों के स्तर पर ऊर्जा को इंजेक्ट करके उन्हें चलते रहने और नया आकार लेने के लिए प्रेरित किया जा सके। चुनौती यह रही है कि ऊर्जा जोड़ने से कण अक्सर जुड़े हुए, स्थान-व्यापी नेटवर्कों के बजाय गुच्छों में अलग हो जाते हैं। प्रश्न यह था: क्या चलते और स्थिर कणों के मिश्रण को एक स्थिर, फिर भी गतिशील नेटवर्क बनाने के लिए प्रेरित किया जा सकता है जो नियंत्रित और ट्यून करने योग्य हो?
मैसाचुसेट्स एमहर्स्ट विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक अनूठे दो प्रकार के सूक्ष्म गोलों का मिश्रण बनाकर बिल्कुल यही करने का तरीका खोज निकाला है: कुछ जो अपने आप चलते हैं और कुछ जो स्थिर रहते हैं। उन्होंने इन कणों को दो कांच की प्लेटों के बीच रखा और एक तेजी से स्विच होने वाले विद्युत क्षेत्र (electric field) का उपयोग किया। यह क्षेत्र एक रिमोट कंट्रोल की तरह कार्य करता है, जो कणों को नन्हे चुंबकों में बदल देता है। उनकी सफलता की कुंजी इस बात में निहित है कि ये कृत्रिम चुंबक आपस में कैसे क्रिया करते हैं। चलते हुए कण, जिन्हें एक तरफ विशेष सामग्री से लेपित किया गया है, स्थिर कणों के प्रति आकर्षित होते हैं लेकिन अन्य चलते कणों को प्रतिकर्षित (repel) करते हैं। स्थिर कण, बदले में, एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। यह एक नाजुक संतुलन बनाता है जहाँ चलते हुए कण कनेक्टर्स के रूप में कार्य करते हैं, जो स्थिर कणों को एक साथ जोड़ते हैं, जबकि प्रतिकर्षण पूरे समूह को एक घने ढेर में ढहने से रोकता है। परिणाम एक विस्तृत, परस्पर जुड़ा हुआ नेटवर्क है जो अपना आकार बनाए रखता है लेकिन खुद को पुनर्गठित करने के लिए पर्याप्त तरल रहता है।
इसके बाद टीम ने जो खोजा वह एक आश्चर्य था जो भीड़भाड़ वाले कण प्रणालियों के सामान्य नियमों को चुनौती देता है। अधिकांश घने पदार्थों में, अधिक कण जोड़ने से संरचना धीमी और अधिक कठोर हो जाती है, जैसे कि एक ट्रैफिक जाम जो सड़क पर अधिक कारें आने पर और खराब हो जाता है। हालाँकि, इस विशिष्ट नेटवर्क में, इसके विपरीत हुआ। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने मिश्रण में कणों की कुल संख्या बढ़ाई, नेटवर्क धीमा नहीं हुआ; बल्कि यह तेज हो गया। संरचना को शिथिल होने और पुनर्गठित होने में लगने वाला समय घनत्व बढ़ने के साथ वास्तव में कम हो गया। यह विपरित व्यवहार बताता है कि नेटवर्क केवल एक स्थिर जाल नहीं है जो कणों को थामे रखता है, बल्कि एक गतिशील प्रणाली है जहाँ कणों को एक साथ सघन करने की क्रिया ही उन्हें चलते रहने के लिए प्रेरित करने वाले तंत्र को सक्रिय करती है।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों होता है, वैज्ञानिकों ने कणों की सूक्ष्म व्यवस्था का बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे मिश्रण अधिक घना होता गया, चलते हुए कण एक-दूसरे के करीब आने के लिए मजबूर हुए, जो केवल स्थिर कणों द्वारा अलग किए गए थे। क्योंकि चलते हुए कण एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, इस भीड़ ने नेटवर्क के भीतर एक प्रकार का संरचनात्मक तनाव, या हताशा (frustration) पैदा कर दी। चलते हुए कण, लगातार अपने पड़ोसियों से दूर धकेलने की कोशिश करते हुए, इस दबाव को कम करने के लिए तेजी से घूमने और खुद को पुनर्गठित करने लगे। इस निरंतर घूमने ने उन्हें अपने अस्थायी पिंजरों से मुक्त होने और नेटवर्क के विरुद्ध दबाव डालने की अनुमति दी, जिससे पूरी संरचना अधिक तेज़ी से स्थानांतरित और प्रवाहित होने लगी। जितना अधिक सिस्टम घना होता गया, उतना ही तीव्र यह आंतरिक दबाव बढ़ता गया, और नेटवर्क उतनी ही तेज़ी से पुनर्गठित हुआ।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि विभिन्न प्रकार के कणों के बीच की अंतःक्रियाओं और उन्हें दी जाने वाली ऊर्जा को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, ऐसे पदार्थ बनाना संभव है जो स्थिर और अत्यधिक प्रतिक्रियाशील दोनों हों। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि नेटवर्क एक 'पर्कोलेटेड स्टेट' (percolated state) बनाता है, जिसका अर्थ है कि यह पूरे स्थान में फैला हुआ है, और यह अवस्था चलते और स्थिर कणों के बीच विशिष्ट आकर्षण द्वारा बनाए रखी जाती है। उन्होंने इस विचार को खारिज कर दिया कि यह व्यवहार केवल कणों के यादृच्छिक रूप से गुच्छे बनाने का परिणाम था, यह प्रदर्शित करते हुए कि आकर्षण और प्रतिकर्षण का विशिष्ट पैटर्न ही नेटवर्क के बनने और त्वरण (acceleration) के लिए आवश्यक है। उन्होंने यह भी मानचित्रित किया कि चलते और स्थिर कणों का अनुपात और कुल घनत्व सिस्टम को कैसे प्रभावित करते हैं, जिससे उन्होंने एक विशिष्ट क्षेत्र की पहचान की जहाँ ये सक्रिय नेटवर्क फलते-फूलते हैं।
यह कार्य नरम पदार्थों (soft materials) को डिजाइन करने के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह स्वीकार करने के बजाय कि घने जेल धीमे और अपरिवर्तनीय होने चाहिए, यह दिखाता है कि गतिविधि और अंतःक्रिया को ऐसे ढांचे बनाने के लिए जोड़ा जा सकता है जो अधिक सघन होने पर अधिक गतिशील हो जाते हैं। ये निष्कर्ष उन सामग्रियों के निर्माण के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं जो मांग पर अपने यांत्रिक गुणों को अनुकूलित कर सकें, जिससे संभावित रूप से नए प्रकार के स्व-मरम्मत करने वाले पदार्थों या प्रतिक्रियाशील कोटिंग्स का मार्ग प्रशस्त हो सकता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक तेज़ गति वाले, घने नेटवर्क का रहस्य भीड़ से बचने में नहीं, बल्कि भीड़ द्वारा उत्पन्न तनाव का उपयोग करके निरंतर, नियंत्रित गति को संचालित करने में निहित है।
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