Effect of Interfacial Properties on Viscoelastic Behavior of High- Temperature Multi-Phase System
यह अध्ययन प्रकट करता है कि कम आर्द्रता (poor wettability) वाले उच्च-तापमान वाले दानेदार प्रणालियों में, विस्कोइलास्टिक व्यवहार पारंपरिक कैपिलरी ब्रिज स्केलिंग कानूनों के बजाय गैस-तरल अंतरापृष्ठों पर इंटरफेशियल रोटेशनल मैकेनिक्स द्वारा नियंत्रित होता है, क्योंकि तरल चरण बड़े रिक्त स्थानों को घेरते हैं और ठोस-ठोस संपर्कों से बचते हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ रेत केवल एक जगह स्थिर नहीं रहती; बल्कि यह बहती है, चिपकती है और एक रबर बैंड की तरह वापस खिंचती है। यह ग्रेनुलर मैटेरियल्स (कणमय पदार्थों) का आकर्षक क्षेत्र है—जैसे रेत के ढेर, कॉफी पाउडर, या यहाँ तक कि बर्फ। आमतौर पर, जब आप सूखी रेत में थोड़ा पानी मिलाते हैं, तो वह "गीली रेत" बन जाती है, जो एक किले का आकार बनाए रख सकती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि कणों के बीच तरल की नन्ही कड़ियाँ (bridges) बनती हैं, जो उन्हें अदृश्य चुंबकों की तरह एक साथ खींचती हैं। वैज्ञानिकों ने कमरे के तापमान पर इस "गीली रेत" के व्यवहार का अध्ययन करने में वर्षों बिताए हैं, जिससे कुछ नियम (जिन्हें स्केलिंग लॉ कहा जाता है) बनाए गए हैं ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि मिश्रण कितना सख्त या लचीला होगा, यह इस बात पर निर्भर करता है कि तरल कितना चिपचिपा है।
लेकिन क्या होता है जब आप गर्मी बढ़ा देते हैं? स्टील या कांच बनाने जैसे उच्च-तापमान वाले उद्योगों में, "रेत" को पिघली हुई धातु या चट्टान-पिघल (मैग्मा जैसा तरल) के साथ मिलाया जाता है। यहाँ, नियम पूरी तरह से बदल सकते हैं। ये तरल अविश्वसनीय रूप से गर्म होते हैं, और वे अक्सर ठोस कणों को छूने से बचते हैं (जिसे खराब वेटेबिलिटी या 'poor wettability' कहा जाता है), पानी के रेत से प्यार करने के विपरीत। बड़ा सवाल यह है कि क्या पुराने नियम तब भी काम करते हैं जब तरल एक दहकती हुई गर्म धातु हो जो ठोस कणों को गले लगाने से इनकार कर देती है? इस बात को समझना इंजीनियरों के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि नियम गलत हुए, तो इंजीनियर भट्ठियों में इन गर्म मिश्रणों के प्रवाह को नियंत्रित करने में संघर्ष कर सकते हैं, जिससे अंतिम उत्पाद खराब हो सकता है।
यहाँ, क्यूशू यूनिवर्सिटी (Kyushu University) के शोधकर्ताओं की एक टीम आई, जिन्होंने इन पुराने नियमों की सीमाओं को परखने का निर्णय लिया। उन्होंने छोटे सिरेमिक मोतियों (जो "रेत" का काम करते हैं) को टिन, कॉपर और आयरन जैसे विभिन्न पिघली हुई धातुओं के साथ मिलाया, और उन्हें ऐसे तापमान तक गर्म किया जहाँ धातुएं तरल अवस्था में हों लेकिन मोती ठोस ही रहें। वे यह देखना चाहते थे कि ये गर्म, जटिल मिश्रण इधर-उधर हिलने (wiggle) पर कैसा व्यवहार करते हैं, और उन्होंने उनकी "स्प्रिंग जैसी शक्ति" (स्टोरेज मॉड्यूलस) को मापा।
यहाँ एक मोड़ है: पुराने नियमों ने भविष्यवाणी की थी कि मिश्रण की कठोरता तरल के सतही तनाव (surface tension) पर बहुत अधिक निर्भर करेगी, यह मानते हुए कि तरल की नन्ही कड़ियाँ मोतियों को एक साथ थामे हुए हैं। लेकिन जब शोधकर्ताओं ने बारीकी से देखा, तो उन्हें कुछ आश्चर्यजनक मिला। पुराने नियम पूरी तरह से गलत थे। उनके माप से पता चला कि कठोरता उस अपेक्षित पैटर्न का पालन बिल्कुल नहीं करती थी।
इस रहस्य को सुलझाने के लिए, उन्होंने एक विशेष एक्स-रे कैमरा (एक सुपर-पावर्ड सीटी स्कैन की तरह) का उपयोग किया ताकि मिश्रण की पिघली हुई अवस्था में 3D तस्वीरें ली जा सकें। छवियों ने एक राज खोला: तरल मोतियों के बीच कड़ियाँ (bridges) नहीं बना रहा था! क्योंकि तरल और ठोस मोतियों के बीच तालमेल नहीं था (खराब वेटेबिलिटी), तरल सक्रिय रूप से उन जगहों से बच रहा था जहाँ मोती एक-दूसरे को छू रहे थे। इसके बजाय, तरल मोतियों के बीच के बड़े खाली स्थानों में छिप गया और अलग-थलग, तैरते हुए बूंदों (droplets) के रूप में बन गया। यह लुका-छिपी के खेल जैसा था जहाँ तरल मोतियों के साथ एक ही सीट पर बैठने से इनकार कर रहा था, जिससे मोती सीधे एक-दूसरे को छू रहे थे जबकि तरल रिक्त स्थानों में तैर रहा था।
तो, यदि कोई तरल कड़ियाँ नहीं हैं, तो मिश्रण को कठोरता क्या प्रदान करती है? शोधकर्ताओं ने पाया कि कठोरता एक अलग प्रकार के नृत्य से आती है। तैरते हुए तरल बूंदों के किनारे फंसे हुए मोती, छोटे धुरों (pivots) की तरह कार्य करते हैं। जब मिश्रण को हिलाया जाता है, तो मोती घूमने की कोशिश करते हैं, और तरल की सतह इस घूर्णन (rotation) का विरोध करती है, जिससे वह एक स्प्रिंग की तरह काम करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि पूरे सिस्टम की कठोरता इस बात से तय होती है कि तरल की सतह पर इन मोतियों को घुमाना कितना कठिन है, न कि तरल कड़ियों की मजबूती से।
संक्षेप में, यह अध्ययन दिखाता है कि उच्च-तापमान वाले सिस्टम में, जहाँ तरल और ठोस आपस में अच्छी तरह नहीं मिलते, वहाँ "चिपचिपी कड़ियों" का पुराना विचार एक मिथक है। इसके बजाय, व्यवहार इस बात से नियंत्रित होता है कि कण तरल बूंदों की सतह पर कैसे घूमते हैं। यह खोज बताती है कि इन गर्म औद्योगिक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए, हमें "कड़ियों" के बारे में सोचना बंद करना होगा और तरल सतहों पर फंसे कणों के घूर्णन यांत्रिकी (rotational mechanics) के बारे में सोचना शुरू करना होगा। यह एक बहुत ही गर्म और जटिल समस्या को देखने का एक नया तरीका है।
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