सिंगल ऑब्जेक्ट स्तर पर वर्मलाइक माइसेलियर फ्लुइड्स का नया अध्ययन: जटिल तरल पदार्थों की गहन समझ

वैज्ञानिकों ने हाल ही में एक नई विधि विकसित की है, जिससे यह अध्ययन किया जा सके कि सुरफैक्टेंट या साबुन अणुओं द्वारा बने तरल पदार्थ (जिसे वर्मलाइक माइसेलियर फ्लुइड्स या WMF कहा जाता है) छोटे स्तर पर, यानी किसी एकल चलती वस्तु के स्तर पर, कैसे व्यवहार करते हैं।

The experimental set-up devised to study the forces a probe faces moving through a WMF

ये सिस्टम तेल क्षेत्र उद्योग और कॉस्मेटिक्स में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, इसलिए पानी में सुरफैक्टेंट्स के लचीले रॉड जैसे सुप्रामोलेक्यूलर एग्रीगेट्स वाले इस तरह के तरल पदार्थों का अध्ययन संबंधित उद्योगों के लिए लाभकारी हो सकता है।

कल्पना कीजिए कि आप किसी साधारण न्यूटनियन तरल (जैसे पानी या खाना पकाने का तेल) में कोई वस्तु गिराते हैं। प्रारंभ में वस्तु गति प्राप्त करती है और अंततः एक स्थिर गति पर पहुँचती है जिसे “टर्मिनल वेलोसिटी” कहा जाता है, जब गुरुत्वाकर्षण का बल और तरल से उत्पन्न ड्रैग संतुलित हो जाता है। इसी तरह, बारिश की बूंदें भी पृथ्वी की सतह तक पहुँचने से पहले वायुद्रैग के कारण एक टर्मिनल वेलोसिटी प्राप्त कर लेती हैं।

हालांकि, पॉलीमर घोल, जेल या शैम्पू जैसी गैर-न्यूटनियन तरल पदार्थों में चलती वस्तु कभी भी टर्मिनल वेलोसिटी प्राप्त नहीं करती और इसके बल समय के साथ जटिल रूप से बदलते रहते हैं—जिसे आमतौर पर “अराजक गति” कहा जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तरल में स्थानीय संरचनाएँ लगातार बनती और टूटती रहती हैं, जो वस्तु द्वारा उत्पन्न बल के कारण होती हैं। इस जटिल गति का सामान्य सैद्धांतिक मॉडल तैयार करना चुनौतीपूर्ण है और वैज्ञानिक इसे समझने के नए तरीके खोज रहे हैं।

इस छिपी दुनिया की जांच के लिए, रमन रिसर्च इंस्टीट्यूट (RRI), जो कि विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (DST), भारत सरकार द्वारा वित्त पोषित एक स्वायत्त संस्थान है, के शोधकर्ताओं ने एक विशेष उपकरण बनाया। यह उपकरण रियोमीटर के भीतर बनाया गया था—एक ऐसी मशीन जो मापती है कि सामग्री कैसे प्रवाहित होती है। उनके कस्टम सेट-अप में तरल को दो सिलेंडरों के बीच रखा गया और एक सुई जैसी जांच (प्रोब) को इसके माध्यम से चलाया गया।

At higher velocities, the force exhibits a sawtooth pattern.

इस सेट-अप ने शोधकर्ताओं को तरल के व्यवहार को देखने, प्रोब पर लगने वाले बलों को मापने और स्थानीय तरल संरचनाओं और वेग क्षेत्रों को इन-सिटू ऑप्टिकल इमेजिंग के माध्यम से विज़ुअलाइज़ करने की अनुमति दी।

मुख्य निष्कर्ष:

• छोटे प्रोब वेलोसिटी पर बल समय के साथ स्थिर रहता है, यानी न्यूटनियन तरल के समान व्यवहार करता है।

• एक निश्चित गति सीमा पार करने पर, बल धीरे-धीरे बढ़ने और अचानक गिरने के कई चक्र दिखाने लगता है, जिससे एक “सॉ-टूथ” पैटर्न बनता है।

• उच्च गति पर तरल एक “वेक” जैसी पूंछ जैसी संरचना बनाता है, जो बल गिरने के समय तेजी से प्रोब से अलग हो जाती है। इसका व्यवहार लगभग एक लचीले रबर बैंड के खिंचने और टूटने जैसा होता है।

RRI के PhD छात्र और इस अध्ययन के मुख्य लेखक अभिषेक घड़ाई ने कहा, “कस्टम-बिल्ट सेट-अप कई पहलुओं को एक्सप्लोर करने की स्वतंत्रता प्रदान करता है और जटिल सामग्रियों के व्यवहार को समझने में मदद करता है।”

इस शोध के निष्कर्ष, जो Journal of Rheology में प्रकाशित हुए हैं, पारंपरिक बल मापन विधियों से स्पष्ट नहीं किए जा सकते। यह स्थानीय संरचना और गतिशीलता के महत्व को रेखांकित करता है, जो छोटे प्रोब की गति को नियंत्रित करती हैं।

RRI के प्रोफेसर सायंतन मजूमदार ने कहा, “हमारा अध्ययन यह दर्शाता है कि जटिल सामग्रियों को समझने के लिए अलग-अलग लंबाई के पैमानों पर उनकी मैकेनिक्स का अध्ययन करना आवश्यक है, जो वैज्ञानिक और उद्योग दोनों के लिए महत्वपूर्ण है।”

शोधकर्ता मानते हैं कि विभिन्न प्रकार की प्रणालियों और अलग-अलग आकार के प्रोब के अध्ययन से विज्ञान और प्रौद्योगिकी में कई नए पहलुओं को उजागर करने के रोचक अवसर मिलेंगे।