Conductivity Gradient-Driven Electrokinetic Disturbance in a Micro Pore

द्रव गतिकी (fluid dynamics) की सूक्ष्म दुनिया में, जहाँ तरल पदार्थ मानव बाल से भी पतले चैनलों के माध्यम से बहते हैं, गति के सामान्य नियम बदल जाते हैं। इन नन्ही जगहों में, पानी और अन्य तरल पदार्थ इतनी धीमी गति से चलते हैं कि वे बहती हुई नदियों के बजाय गाढ़े शहद की तरह व्यवहार करते हैं; घर्षण का बल, या श्यानता (viscosity), जड़त्व (inertia) के बल पर पूरी तरह हावी हो जाता है, जो एक फेंटी गई गेंद को आपके हाथ से छूटने के बाद भी चलते रहने के लिए प्रेरित करता है। इन परिस्थितियों में, यदि आप दो अलग-अलग धाराओं को अगल-बगल से मिलाने की कोशिश करते हैं, तो वे स्वाभाविक रूप से आपस में नहीं मिलेंगी। इसके बजाय, वे तेल और पानी की तरह एक-दूसरे के बगल से फिसल जाएंगी, और जब तक उन्हें सक्रिय रूप से हिलाया न जाए, वे लंबे समय तक पूरी तरह अलग रहेंगी। वैज्ञानिक लंबे समय से इन सूक्ष्म धाराओं को बिना किसी ऐसे यांत्रिक पुर्जों के उपयोग के मिलाने के तरीके खोज रहे हैं जो टूट सकते हैं या जाम हो सकते हैं, और इसके बजाय बिजली की ओर मुड़ गए हैं। घुले हुए लवणों वाले तरल पदार्थ पर विद्युत क्षेत्र (electric field) लागू करके, शोधकर्ता तरल को धकेल सकते हैं, जिसे इलेक्ट्रोकाइनेटिक्स (electrokinetics) की प्रक्रिया कहा जाता है। हालाँकि, यह तकनीक आमतौर पर चैनल की दीवारों या तरल की सतह के गुणों पर निर्भर करती है। एक अधिक सूक्ष्म और शक्तिशाली प्रभाव तब होता है जब तरल स्वयं एकसमान नहीं होता, विशेष रूप से जब इसकी बिजली संचालित करने की क्षमता एक स्थान से दूसरे स्थान पर बदल जाती है।

फ्लोरिडा स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने हाल ही में इस बात का अन्वेषण किया कि क्या होता है जब एक कम चालकता वाले तरल के प्लग (plug) को एक सूक्ष्म, घुमावदार छिद्र (pore) के भीतर अत्यधिक चालकता वाले दो क्षेत्रों के बीच रखा जाता है, और फिर उसे विद्युत धारा के अधीन किया जाता है। उन्होंने एक सूक्ष्म छिद्र का कंप्यूटर मॉडल बनाया जो एक संकीकर घंटेकार (hourglass) के आकार का था, जो चार गोलाकार ठोस सतहों द्वारा निर्मित था जो सिरों पर तंग संकुचन और बीच में एक विस्तृत, खुला स्थान बनाता है। इस छिद्र में, उन्होंने कम चालकता वाले तरल प्लग को पेश किया और एक सीधी धारा वाला विद्युत क्षेत्र (direct current electric field) लगाकर उसे निरंतर प्रवाह के साथ आगे बढ़ाया। लक्ष्य यह देखना था कि चालकता का बेमेल होना विद्युत क्षेत्र के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है ताकि प्रवाह को बाधित किया जा सके। क्योंकि बीच का तरल बिजली का संचालन खराब करता है, इसलिए विद्युत क्षेत्र स्वाभाविक रूप से उस क्षेत्र के भीतर तीव्र हो जाता है ताकि करंट बहता रहे, ठीक वैसे ही जैसे पानी को एक संकीर्ण पाइप के माध्यम से गुजरने के लिए मजबूर करने पर उसकी गति बढ़ जाती है। विद्युत क्षेत्र का यह संकेंद्रण, विभिन्न तरल पदार्थों के बीच की तीखी सीमा के साथ मिलकर, तरल के भीतर विद्युत आवेश का एक छोटा लेकिन महत्वपूर्ण संचय बनाता है। यह आवेश फिर विद्युत क्षेत्र से एक धक्का महसूस करता है, जिससे एक बल उत्पन्न होता है जो तरल को अंदर से हिला सकता है।

सिमुलेशन से पता चला कि यह विद्युत धक्का प्रवाह में एक नाटकीय, अस्थायी व्यवधान पैदा करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है, भले ही तरल इतनी धीमी गति से चल रहा हो कि जड़त्व की कोई भूमिका न हो। जब विद्युत क्षेत्र को 20,000 वोल्ट प्रति मीटर की शक्ति पर सेट किया गया, तो छिद्र के बिल्कुल केंद्र में तरल की गति आने वाली प्रवाह गति से दोगुनी से अधिक हो गई। यह उछाल एक स्थिर अवस्था नहीं थी बल्कि एक क्षणिक घटना थी; तरल का वेग तेजी से बढ़ा, अपने शिखर पर पहुँचा, और फिर जैसे ही तरल प्लग छिद्र से गुजरा और प्राकृतिक विसरण (diffusion) के कारण विभिन्न तरल पदार्थों के बीच की तीखी सीमाएँ सुचारू हुईं, वह वापस स्थिर हो गया। शोधकर्ताओं ने देखा कि तरल केवल एक सीधी रेखा में तेज नहीं हुआ; इसमें एक जटिल, लहराती हुई गति भी विकसित हुई जो अगल-बगल (transverse) चलती थी। यह पार्श्व गति कई बार दिशा बदली, पहले तरल को एक तरफ धकेला, फिर दूसरी तरफ धकेलने के लिए वापस मुड़ा, और अंततः तब फीकी पड़ गई जब चालकता के अंतर समाप्त हो गए। यह आगे-पीछे की गति तरल के संवेग (momentum) के कारण नहीं थी, बल्कि छिद्र की घुमावदार ज्यामिति के भीतर चालकता सीमाओं के यात्रा करने और विकृत होने के कारण विद्युत बलों के बदलते स्थान के कारण थी।

अध्ययन ने दिखाया कि विद्युत क्षेत्र की शक्ति इस बात का नियंत्रण करती है कि यह व्यवधान कितना तीव्र होगा। जब शोधकर्ताओं ने विद्युत क्षेत्र को शून्य से बढ़ाकर 30,000 वोल्ट प्रति मीटर किया, तो छिद्र के केंद्र में तरल की अधिकतम गति लगातार बढ़ती गई, जो प्रवाह की आधार रेखा के लगभग 1.4 गुना से बढ़कर लगभग 2.7 गुना हो गई। हालाँकि, इन घटनाओं का समय उल्लेखनीय रूप से सुसंगत रहा। चाहे विद्युत क्षेत्र कितना भी मजबूत क्यों न हो, तरल अपने शिखर वेग तक पहुँच गया और अपनी दिशात्मक उलटने की प्रक्रिया उसी समय पर की। यह इंगित करता है कि जबकि विद्युत क्षेत्र यह निर्धारित करता है कि तरल को कितनी जोर से धकेला जाता है, तरल के गुजरने की गति और विभिन्न तरल पदार्थों के स्वाभाविक रूप से मिलने की दर व्यवधान के कार्यक्रम (schedule) को नियंत्रित करती है। विद्युत क्षेत्र प्रभाव को बढ़ाता है, लेकिन तरल का परिवहन ही लय (rhythm) को नियंत्रित करता है।

जैसे-जैसे विभिन्न तरल पदार्थ मिले और उनके बीच की तीखी सीमाएं धुंधली होती गईं, वह विद्युत बल जिसने लहराती गति को संचालित किया था, कमजोर हो गया और अंततः समाप्त हो गया। शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया को दो तरल पदार्थों के मिश्रण की गुणवत्ता को मापकर और छिद्र से बहने वाली विद्युत धारा की निगरानी करके ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि मजबूत विद्युत क्षेत्रों में, तरल पदार्थ बहुत तेजी से और अधिक पूर्णता से मिश्रित हुए, और मजबूत क्षेत्रों में तरल लगभग एकसमान हो गए। छिद्र से बाहर जाने वाली विद्युत धारा ने एक विशिष्ट पैटर्न दिखाया: यह शुरुआत में तेजी से बढ़ी, छिद्र के सबसे संकीर्ण हिस्से से कम चालकता वाले प्लग के गुजरने पर थोड़ा कम हुई, और फिर एक स्थिर स्तर तक धीरे-धीरे वापस आ गई। यह गिरावट और रिकवरी संकुचन के माध्यम से प्लग की यात्रा का एक स्पष्ट विद्युत संकेत प्रदान करती है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि चालकता प्रवणता (gradients) घुमावदार सूक्ष्म-छिद्रों में महत्वपूर्ण, क्षणिक माध्यमिक प्रवाह उत्पन्न कर सकती है, जो एक शक्तिशाली मिश्रण तंत्र बनाती है जो पूरी तरह से विद्युत क्षेत्र और तरल के अपने विद्युत गुणों के बीच की परस्पर क्रिया पर निर्भर करती है। यह सुझाव देता है कि सूक्ष्म चैनलों के आकार को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके और तरल पदार्थों के विद्युत गुणों को नियंत्रित करके, बिना किसी चलते हुए पुर्जे के रासायनिक और जैविक अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक कुशल मिक्सर बनाना संभव है।