वैज्ञानिकों ने पॉलिमर घोल, जेल जैसे तरल पदार्थों के माध्यम से गड़बड़ियों का पता लगाया जो तेल और सौंदर्य प्रसाधन उद्योग के लिए उपयोगी है

Researchers have recently developed a novel method to investigate how fluids formed by surfactant or soap molecules (wormlike micellar fluids) behave up close, at the level of a single moving object. These systems find a wide range of applications in oil field industries and cosmetics and hence study of such fluids with flexible rod-like supramolecular aggregates of surfactants in water could benefit related industries.

 

 

-Uttarakhand Himalaya desk-

शोधकर्ताओं ने हाल ही में एक नई तकनीक विकसित की है, जिसके जरिए यह समझा जा सकता है कि सर्फेक्टेंट या साबुन के अणुओं से बनने वाले द्रव (जिन्हें वर्मलाइक माइसेलर फ्लुइड कहा जाता है) एक अकेले गतिशील वस्तु के स्तर पर कितनी बारीकी से व्यवहार करते हैं।

ऐसी प्रणालियों का तेल उद्योग  और सौंदर्य प्रसाधन के क्षेत्र में बहुत इस्तेमाल होता है। इसलिए पानी में सर्फेक्टेंट के लचीले रॉड जैसे सुपरमॉलिक्यूलर एग्रीगेट वाले ऐसे फ्लूइड का अध्ययन संबंधित इंडस्ट्री को फायदा हो सकता है।

कल्पना करिए कि आप साधारण न्यूटोनियन तरल जैसे पानी या खाना पकाने के तेल में कोई वस्तु गिराते हैं। शुरुआत में, वस्तु तेजी से बढ़ती है और अंत में एक स्थिर वेग प्राप्त करती है जिसे “अंतिम वेग” यानि टर्मिनल वेलोसिटी कहा जाता है, क्योंकि गुरुत्वाकर्षण के कारण लगने वाला बल तरल पदार्थ से आने वाले कर्षण (ड्रैग) के साथ संतुलित हो जाता है। गिरती हुई बूँदें भी पृथ्वी की सतह से टकराने से पहले हवा के कर्षण के कारण अंतिम वेग तक पहुँच जाती हैं। हालाँकि, पॉलिमर घोल, जेल, या शैम्पू (तकनीकी रूप से गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थ कहा जाता है) जैसे तरल पदार्थों के माध्यम से चलती हुई वस्तु कभी भी अंतिम वेग प्राप्त नहीं कर सकती है और जटिल समय भिन्नताएँ प्रदर्शित करती है-जिसे आमतौर पर “अराजक गति” (कैओटिक मोशन) के रूप में जाना जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि चलती हुई गेंद द्वारा उत्पन्न बल के कारण तरल पदार्थ में स्थानीय संरचनाएँ लगातार बनती और टूटती रहती हैं। एक सामान्य सैद्धांतिक ढाँचे का उपयोग करके इस तरह की जटिल गति का मॉडल बनाना एक कठिन कार्य है और वैज्ञानिक इस रहस्य को सुलझाने के तरीके खोजने की कोशिश कर रहे हैं।

इसी रहस्य को समझने के लिए, भारत सरकार के विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) द्वारा वित्त पोषित एक स्वायत्त संस्थान- रमन रिसर्च इंस्टीट्यूट (आरआरआई) के शोधकर्ताओं ने एक रिओमीटर में विशेष उपकरण तैयार किया। यह एक ऐसी मशीन जो पदार्थों के प्रवाह को मापती है। इसके विशेष सेटअप में तरल पदार्थ को दो सिलेंडरों के बीच रखा गया था, जबकि एक सुई जैसी जांच मशीन उसमें से होकर गुज़रती थी।

इस तकनीक से शोधकर्ताओं को द्रव की गति, प्रोब पर लगने वाले बल, स्थानीय द्रव संरचनाओं और वेग क्षेत्र का इन-सिटू ऑप्टिकल इमेजिंग के माध्यम से निरीक्षण करने में सफलता मिली।

चित्र 1. एक WMF से गुजरते हुए एक जांच द्वारा सामना किए जाने वाले बलों का अध्ययन करने के लिए तैयार किया गया प्रायोगिक सेट-अप

 

टीम ने पाया कि कम जांच वेगों पर, बल समय के साथ स्थिर रहता है, जो न्यूटोनियन तरल पदार्थ (पानी जैसे तरल पदार्थ) के समान प्रतिक्रिया दिखाता है। एक वेग सीमा से परे, बल धीमे निर्माण के कई दोहराए जाने वाले चक्र दिखाना शुरू कर देता है जिसके बाद अचानक गिरावट होती है, जिससे लयबद्ध विस्फोट पैदा होते हैं—एक टेढ़ा “आरा-दांत” (sawtooth) पैटर्न।

स्थानीय तरल-संरचनाओं और वेग क्षेत्र को मापने के लिए हाई-स्पीड ऑप्टिकल इमेजिंग का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि बल के निर्माण के दौरान तरल पदार्थ एक पूँछ जैसी संरचना जिसे “वेक” (wake) कहा जाता है, बनाता है। यह बल में गिरावट की घटना के दौरान जांच से तेजी से अलग हो जाता है। बल की प्रतिक्रिया अनिवार्य रूप से एक लोचदार रबर बैंड के प्रगतिशील खिंचाव और टूटने के समान है।

चित्र 2. उच्च वेगों पर, बल एक दाँतेदार पैटर्न प्रदर्शित करता है।

 

प्रमुख लेखक, आरआरआई के पीएचडी स्कॉलर अभिषेक घड़ाई ने कहा, “कस्टम-निर्मित सेटअप का डिज़ाइन जटिल सामग्रियों के व्यवहार को एक्सेस करने, मापने और प्रकट करने के लिए जांच गति के संदर्भ में कई पहलुओं का पता लगाने के लिए अनूठी स्वतंत्रता प्रदान करता है।”

जर्नल जे. रिओल. (J. Rheol.) में प्रकाशित इस शोध में सामने आया अद्वितीय अवलोकन गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थों के पारंपरिक थोक यांत्रिक माप द्वारा समझाया नहीं जा सकता है। यह इन सामग्रियों के माध्यम से छोटी जांच की गति को नियंत्रित करने में स्थानीय संरचना और गतिशीलता के महत्व को और उजागर करता है।

इस प्रोजक्ट का नेतृत्व करने वाले आरआरआई के संकाय सदस्य प्रोफेसर सायंतन मजूमदार ने कहा, “हमारा अध्ययन अनुप्रयोगों और मौलिक वैज्ञानिक हितों के लिए जटिल सामग्रियों को समझने के लिए विभिन्न लंबाई के पैमाने पर सामग्रियों के यांत्रिकी की जांच के महत्व पर प्रकाश डालता है।”

शोधकर्ताओं का मानना है कि अलग-अलग आकार की जांच की गति के संदर्भ में विभिन्न प्रकार की प्रणालियों का अध्ययन विज्ञान और प्रौद्योगिकी में कई रुचिकर पहलुओं को प्रकट करने और समझने के लिए एक रोचक मार्ग प्रस्तुत करेगी।

प्रकाशन लिंक : https://doi.org/10.1122/8.0000939