Effects of Ion Partitioning and Ion Steric on Electroosmotic Flow of Power-Law Fluids in Soft Nanochannels with Similar/Dissimilar Polyelectrolyte Layers

एक ऐसी दुनिया की कल्पना कीजिए जहाँ सबसे छोटी नदियाँ चट्टान या मिट्टी के माध्यम से नहीं, बल्कि ऐसे संकीर्ण चैनलों से होकर बहती हैं कि एक मानव बाल भी एक विशाल घाटी जैसा दिखाई दे। इस सूक्ष्म जगत में, वैज्ञानिक यह अध्ययन करते हैं कि जब तरल पदार्थ को गुरुत्वाकर्षण या पंपों के बजाय बिजली द्वारा धकेला जाता है, तो वे कैसे चलते हैं। यह गति, जिसे इलेक्ट्रोऑस्मोटिक फ्लो (electroosmotic flow) कहा जाता है, तब होती है जब एक विद्युत क्षेत्र तरल में मौजूद आवेशित कणों को खींचता है, जिससे बाकी तरल भी उनके साथ खिंचकर चलता है। ये सूक्ष्म चैनल अक्सर पॉलिमर की एक नरम, स्पंज जैसी परत से ढके होते हैं, जो विद्युत आवेशों को फँसा सकते हैं और तरल के व्यवहार को बदल सकते हैं। बिजली और तरल के इस नृत्य को समझना भविष्य के उपकरणों, जैसे कि अति-संवेदनशील चिकित्सा सेंसर या नन्हे ऊर्जा जनरेटर बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, लेकिन भौतिकी अविश्वसनीय रूप से जटिल हो जाती है जब तरल पानी की तरह पतला और जलमय होने के बजाय शहद या रक्त की तरह गाढ़ा और चिपचिपा होता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस जटिल परिदृश्य का मानचित्रण करने का प्रयास किया, जिसमें उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के गाढ़े तरल पर ध्यान केंद्रित किया जो इस बात के आधार पर अपनी मोटाई बदल लेता है कि उसे कितनी तेजी से धकेला जा रहा है। वे यह देखना चाहते थे कि यह तरल एक नैनोचैनल के माध्यम से कैसे चलता है जहाँ की दीवारें इन नरम, आवेशित पॉलिमर परतों से ढकी हुई थीं। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने तरल में तैरते हुए नन्हे आयनों को साधारण, आयामहीन बिंदुओं के रूप में नहीं माना। इसके बजाय, उन्होंने इस तथ्य को ध्यान में रखा कि इन आयनों का वास्तविक भौतिक आकार होता है और नरम दीवारों वाले चैनल उन्हें केंद्र वाले तरल की तुलना में अलग तरह से आकर्षित या विकर्षित कर सकते हैं। इस प्रणाली का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर, उन्होंने खोजा कि आयनों का आकार, नरम दीवारों की मोटाई और तरल का "लचीलापन" (squishiness), ये सभी मिलकर यह निर्धारित करते हैं कि तरल कितनी तेजी से चलता है और कौन से प्रकार के आयन गुजर पाते हैं।

शोधकर्ताओं ने एक ऐसा चैनल मॉडल किया जो केवल 5-नैनोमीटर ऊँचा था, एक ऐसी दूरी जो मानव बाल की चौड़ाई के आर-पार हजारों बार समा सकती है। इस चैनल की दीवारें विभिन्न मोटाई वाली पॉलिमर परतों से ढकी थीं, जिनमें से कुछ नीचे, कुछ ऊपर, और कुछ दोनों तरफ थीं। इन परतों में एक निश्चित विद्युत आवेश था, जिसने चैनल के भीतर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र बनाया। जब उन्होंने चैनल की लंबाई के अनुदिश एक बाहरी विद्युत क्षेत्र लागू किया, तो तरल गति करने लगा। हालाँकि, प्रवाह की गति और दिशा तरल की प्रकृति पर बहुत अधिक निर्भर थी। उन्होंने उन तरल पदार्थों का परीक्षण किया जो 'शीयर-थिनिंग' (shear-thinning) तरल पदार्थों की तरह व्यवहार करते हैं, जो जोर से धकेले जाने पर पतले और आसानी से बहने वाले हो जाते हैं, साथ ही उन तरल पदार्थों का भी परीक्षण किया जो दबाव में पड़ने पर मोटे और प्रवाह का विरोध करने वाले हो जाते हैं। उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि शीयर-थिनिंग तरल अन्य तरल पदार्थों की तुलना में काफी तेजी से चले। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि, जैसे-जैसे तरल दीवारों के पास गति पकड़ता है, वह प्रभावी रूप से कम चिपचिपा हो जाता है, जिससे विद्युत खिंचाव के प्रति प्रतिरोध कम हो जाता है।

उनकी जांच का एक प्रमुख हिस्सा स्वयं आयनों का भौतिक आकार था। कई पुराने मॉडलों में, वैज्ञानिक यह मान लेते थे कि ये आयन अनंत रूप से छोटे बिंदु हैं, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि इनका वास्तविक आकार अत्यधिक महत्व रखता है। जब आयन बड़े होते हैं, तो वे नरम पॉलिमर परतों के भीतर भीड़भाड़ वाले स्थानों में घुसने के लिए संघर्ष करते हैं, जिसे 'स्टेरिक हिंड्रेंस' (steric hindrance) कहा जाता है। यह भीड़भाड़ का प्रभाव चैनल के भीतर विद्युत वातावरण को बदल देता है। टीम ने पाया कि छोटे आयन बड़े आयनों की तुलना में बहुत तेजी से चल सकते हैं क्योंकि उन्हें कम भौतिक प्रतिरोध का सामना करना पड़ता है। इसके अलावा, नरम दीवार की परत और तरल के केंद्र के बीच आयनों का वितरण 'डाइइलेक्ट्रिक परमिटिविटी' (dielectric permittivity) नामक गुण पर निर्भर करता है, जो अनिवार्य रूप से यह मापता है कि कोई सामग्री विद्युत क्षेत्रों को कितनी अच्छी तरह गुजरने देती है। जब नरम दीवार की सामग्री की परमिटिविटी तरल की तुलना में कम थी, तो इसने एक ऊर्जा अवरोध पैदा किया जिसने आयनों के प्रवेश को कठिन बना दिया, जिससे प्रभावी रूप से उनके आकार और आवेश के आधार पर उन्हें फ़िल्टर किया गया।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि आवेशित दीवारों की व्यवस्था ने प्रवाह को कैसे प्रभावित किया। जब ऊपर और नीचे की दीवारों में एक ही प्रकार का आवेश था, तो प्रवाह अपेक्षाकृत सीधा था। लेकिन जब दीवारों में विपरीत आवेश थे, तो स्थिति अधिक जटिल हो गई। इन असममित सेटअपों में, ऊपर और नीचे की दीवारों के विद्युत बल एक-दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा करते थे, जिससे एक प्रवाह पैटर्न बना जो चैनल की चौड़ाई में भिन्न होता था। शोधकर्ताओं ने देखा कि पॉलिमर की परतों की मोटाई यहाँ निर्णायक भूमिका निभाती है। मोटी परतों में अधिक निश्चित आवेश होते थे, जो विद्युत क्षेत्र को मजबूत करते थे और प्रवाह की गति को बढ़ाते थे, लेकिन केवल एक सीमा तक। यदि परतें बहुत मोटी हो जातीं या यदि आयन उनमें प्रभावी ढंगད་ प्रवेश करने के लिए बहुत बड़े होते, तो प्रवाह धीमा हो जाता। उन्होंने यह भी पाया कि पॉलिमर परत का "नरमपन", या तरल के प्रवेश करने की सुगमता, प्रवाह पर एक ब्रेक के रूप में कार्य करती थी; नरम, अधिक प्रवेश योग्य परतें तेज गति की अनुमति देती थीं, जबकि घनी परतें तरल को धीमा कर देती थीं।

शायद इस कार्य का सबसे व्यावहारिक निष्कर्ष 'आयन चयनात्मकता' (ion selectivity) से संबंधित है, या चैनल की वह क्षमता जिससे वह केवल एक प्रकार के आयन को गुजरने देती है और दूसरे को रोक देती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि चैनल केवल आयनों के आकार या दीवारों की मोटाई को बदलकर सकारात्मक आयनों को गुजरने देने से नकारात्मक आयनों को गुजरने देने की ओर स्विच कर सकता है। उदाहरण के लिए, छोटे आयनों के साथ, चैनल सकारात्मक आयनों के पक्ष में रहता था, लेकिन जैसे-जैसे आयन बड़े होते गए, प्राथमिकता नकारात्मक आयनों की ओर स्थानांतरित हो गई। यह स्विचिंग व्यवहार शीयर-थिनिंग तरल पदार्थों में सबसे अधिक स्पष्ट था, जिन्होंने अन्य प्रकार के तरल पदार्थों की तुलना में आयनों को अलग करने की बहुत अधिक क्षमता दिखाई। यह सुझाव देता है कि पॉलिमर दीवारों की मोटाई को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और सही प्रकार के तरल का चयन करके, इंजीनियर ऐसे सूक्ष्म चैनल डिजाइन कर सकते हैं जो विशिष्ट अणुओं के लिए अत्यधिक कुशल फिल्टर के रूप में कार्य करें।

कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त इस अध्ययन के परिणाम, नैनोस्केल की दुनिया में तरल गति को नियंत्रित करने के लिए एक स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं। टीम ने प्रदर्शित किया कि आयनों के भौतिक आकार या जैविक तरल पदार्थों की गैर-न्यूटनियन प्रकृति को अनदेखा करने से गलत भविष्यवाणियां होती हैं। इन वास्तविक दुनिया के कारकों को शामिल करके, उन्होंने दिखाया कि प्रवाह को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। ये निष्कर्ष बताते हैं कि बायोसेन्सर्स या ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों जैसे अनुप्रयोगों के लिए, दबाव में पतले होने वाले तरल पदार्थों का उपयोग करना और विशिष्ट दीवार मोटाई वाले चैनलों को डिजाइन करना प्रदर्शन को काफी सुधार सकता है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने नैनोफ्लुइडिक्स की हर समस्या को हल कर दिया है, लेकिन यह समझने के लिए एक मजबूत ढांचा प्रदान करता है कि आयन के आकार, दीवार के गुणों और तरल के व्यवहार का परस्पर प्रभाव कैसे सूक्ष्म स्थानों में तरल की गति को निर्धारित करता है।