ईबहुत सुबह, आप बिना सोचे समझे एक छोटी सी भौतिकी गतिविधि करते हैं। आप एक ट्यूब से टूथपेस्ट निचोड़ें। आप बल लगाते हैं और पेस्ट तरल की तरह बाहर निकल जाता है। जब आप निचोड़ना बंद कर देते हैं, तो टूथपेस्ट ब्रश पर रहता है और गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध अपना आकार बनाए रखता है। यह टपकता नहीं है, फैलता नहीं है या पोखर में गिरता नहीं है।
यह सरल कार्य हमें भौतिकी में एक बुनियादी प्रश्न के सामने खड़ा करता है: सामग्री बलों पर कैसे प्रतिक्रिया करती है और टूथपेस्ट जैसी कोई चीज धक्का देने पर बहती है और अकेले छोड़े जाने पर ठोस बनी रहती है?
ठोस या तरल?
स्कूल में, सामग्रियों को बड़े करीने से ठोस और तरल में विभाजित किया जाता है। ठोस पदार्थ विरूपण का विरोध करते हैं और अपना आकार बनाए रखते हैं जबकि तरल पदार्थ थोड़े से भी बल के तहत बहते हैं। लेकिन टूथपेस्ट, शैम्पू, जैल और क्रीम सामान्य तरीके से काम नहीं करते। वे सामग्रियों के एक व्यापक वर्ग से संबंधित हैं जिन्हें आधुनिक भौतिकी नरम-पदार्थ सामग्री कहती है: वे लगाए गए बलों और शामिल समय के आधार पर ठोस पदार्थों की तरह व्यवहार कर सकते हैं या तरल पदार्थ की तरह प्रवाहित हो सकते हैं।
जो चीज़ नरम सामग्रियों को अलग बनाती है वह उनकी आंतरिक संरचना में निहित है। उनके बुनियादी निर्माण खंड परमाणुओं या साधारण अणुओं से कहीं बड़े हैं, फिर भी नग्न आंखों से देखने के लिए बहुत छोटे हैं। व्यक्तिगत देखभाल उत्पादों में, ये बिल्डिंग ब्लॉक छोटी बूंदें, सूक्ष्म क्लस्टर या तरल पदार्थ में निलंबित लंबे और लचीले मैक्रोमोलेक्यूल्स हो सकते हैं। क्योंकि वे अपेक्षाकृत बड़े हैं, यहां तक कि ट्यूब को निचोड़ने, बोतल को हिलाने या ब्रश या उंगली से फैलाने जैसी हल्की क्रियाएं भी उन्हें पुनर्व्यवस्थित कर सकती हैं।
इन संरचनाओं को एक साथ रखने वाली ताकतें भी उतनी ही महत्वपूर्ण हैं। कठोर ठोस पदार्थों में, परमाणु मजबूत अंतःक्रियाओं से बंधे होते हैं जो उन्हें जगह पर बंद कर देते हैं। सामान्य तरल पदार्थों में, अंतःक्रियाएँ कमज़ोर होती हैं, जिससे अणुओं को स्वतंत्र रूप से चलने की अनुमति मिलती है। लेकिन अणु स्वयं छोटे होते हैं और उनकी अपनी संरचना हल्के बलों के तहत नहीं बदलती है। दूसरी ओर, नरम सामग्रियों में, बिल्डिंग ब्लॉक्स के बीच बल कमजोर होते हैं और आसानी से बाधित हो जाते हैं। यह उनकी आंतरिक संरचना को नाजुक बनाता है लेकिन अत्यधिक अनुकूलनीय भी बनाता है। नतीजतन, नरम सामग्री कैसे व्यवहार करती है यह न केवल इस बात पर निर्भर करता है कि उन्हें कितनी मजबूती से धकेला गया है बल्कि इस बात पर भी कि कितनी तेजी से उन्हें धकेला गया है। अलग-अलग तरीकों से लगाया गया एक ही बल बहुत भिन्न परिणाम उत्पन्न कर सकता है। धीमा, हल्का तनाव आंतरिक संरचना को काफी हद तक बरकरार रख सकता है जबकि तीव्र या अचानक तनाव इसे पूरी तरह से पुनर्व्यवस्थित कर सकता है, जिससे सामग्री प्रवाहित हो सकती है।
बल और समय दोनों के प्रति यह संवेदनशीलता नरम पदार्थ की एक परिभाषित विशेषता है। टूथपेस्ट की एक ट्यूब को धीरे-धीरे निचोड़ें और यह मुश्किल से हिल सकती है। लेकिन इसे अचानक निचोड़ें और यह आसानी से निकल जाता है। शैम्पू की एक बोतल को हिलाएं और यह स्वतंत्र रूप से बाहर निकल जाएगा, लेकिन इसे धीरे से संभालें और यह गाढ़ा और प्रतिरोधी लगेगा। प्रत्येक मामले में, एक ही सामग्री उस दर के आधार पर अलग-अलग प्रतिक्रिया करती है जिस दर पर उसे स्थानांतरित करने के लिए मजबूर किया जाता है। वास्तव में कई शैंपू में तरल में फैले हुए लंबे और लचीले कृमि जैसे अणु होते हैं। आराम करने पर, ये अणु आपस में उलझ जाते हैं, जिससे एक ढीला आंतरिक नेटवर्क बनता है जो शैम्पू को उसकी मोटाई देता है। जब आप बोतल को हिलाते हैं या उसे बाहर निकालते हैं, तो अणु खिंच जाते हैं और एक-दूसरे के साथ संरेखित हो जाते हैं, जिससे उनके लिए एक-दूसरे से आगे निकलना आसान हो जाता है।
इस गति के प्रभाव में, नेटवर्क – अणुओं के बीच संबंध – लगातार टूटता है और सुधार होता है। कृमि जैसे मिसेल थोड़े समय के लिए छोटे-छोटे खंडों में टूट सकते हैं और फिर पुनः जुड़ सकते हैं, जिससे प्रवाह का प्रतिरोध कम हो जाता है। इस प्रकार शैम्पू अधिक पतला हो जाता है। एक बार जब अणु एक-दूसरे से आगे बढ़ना बंद कर देते हैं, तो वे धीरे-धीरे वापस कुंडलित हो जाते हैं और एक बार फिर एक-दूसरे से उलझ जाते हैं। इस तरह नेटवर्क बहाल हो जाता है और शैम्पू फिर से गाढ़ा हो जाता है।
टूथपेस्ट भी इसी तरह से व्यवहार करता है, सूक्ष्म संरचनाओं के साथ जो दबाव में पुन: व्यवस्थित हो जाती हैं और जो बल हटाए जाने पर पुन: एकत्रित हो जाती हैं। यह व्यवहार उल्लेखनीय है क्योंकि सूक्ष्म निर्माण खंड लगातार पुनर्गठित हो रहे हैं, टूट रहे हैं, फिर से जुड़ रहे हैं और खुद को उलटा तरीके से नया आकार दे रहे हैं। यह बार-बार बनाना और खोलना नरम सामग्रियों को बाहरी ताकतों के लिए आसानी से अनुकूलित करने की अनुमति देता है।
अंत में, जिसे हम आमतौर पर ठोस और तरल पदार्थ कहते हैं, वह इस बात पर निर्भर करता है कि कोई सामग्री समय के साथ बल पर कैसे प्रतिक्रिया करती है। बहुत कम समय के पैमाने पर, एक तरल पदार्थ भी ठोस की तरह विरूपण का विरोध कर सकता है जबकि एक ठोस धीरे-धीरे बह सकता है यदि पर्याप्त बल लगाया जाए या पर्याप्त समय दिया जाए।
पिच ड्रॉप प्रयोग
ब्रिस्बेन, ऑस्ट्रेलिया में क्वींसलैंड विश्वविद्यालय में, वैज्ञानिक 1927 से एक प्रयोग कर रहे हैं, जिसे पिच ड्रॉप प्रयोग के रूप में जाना जाता है, पिच या बिटुमेन की चिपचिपाहट का परीक्षण करने के लिए, जो टार से प्राप्त एक पदार्थ है। कमरे के तापमान पर, पिच एक सामान्य ठोस की तरह लगती है और इसे हथौड़े से तोड़ा जा सकता है। लेकिन वैज्ञानिकों के अनुसार, पिच वास्तव में अत्यधिक उच्च चिपचिपाहट वाला एक तरल है – पानी से लगभग 200 अरब गुना।
इसे प्रदर्शित करने के लिए, 1927 में थॉमस पार्नेल नाम के एक भौतिकी प्रोफेसर ने पिच को गर्म किया और इसे एक सीलबंद ग्लास फ़नल में डाला। इसे तीन साल तक बिना हिलाए छोड़ने के बाद ताकि यह ठंडा और स्थिर हो सके, उन्होंने कंटेनर के नीचे से एक सील हटा दी, जिससे पिच गुरुत्वाकर्षण के तहत टपकने लगी। पिछले लगभग 100 वर्षों में, केवल नौ बूंदें गिरी हैं, अप्रैल 2014 में नौवीं गिरावट के साथ। हालांकि यह बेहद धीमी है, तथ्य यह है कि यह बिल्कुल भी गिर रही है, यह दर्शाता है कि पिच वास्तव में एक तरल है। अगली गिरावट 2030 तक होने की उम्मीद है। आयरलैंड, स्कॉटलैंड और वेल्स में भी इसी तरह के प्रयोग चल रहे हैं।
भौतिक विज्ञानी इस बल और समय-निर्भर व्यवहार का अध्ययन रियोलॉजी नामक क्षेत्र में करते हैं, जो जांच करता है कि लागू तनाव के तहत सामग्री कैसे विकृत और प्रवाहित होती है। इस अध्ययन की जड़ें प्राचीन यूनानी दार्शनिक हेराक्लीटस तक जाती हैं, जिन्होंने इसे “पंता री” कहावत में कैद किया था, जिसका अर्थ है “सबकुछ बहता है”। नरम पदार्थ में, निरंतर परिवर्तन का यह रूपक, जो वास्तव में सभी पदार्थों में निहित एक विशेषता है, रोजमर्रा की जिंदगी में हमारे सामने आने वाले समय के पैमाने और बल के स्तर पर मूर्त हो जाता है। अपनी व्यावहारिक उपयोगिता से परे, नरम सामग्री गति, बल, प्रवाह और परिवर्तन के गहरे वैज्ञानिक सिद्धांतों में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है।
अगली बार जब आप अपना बाथरूम कैबिनेट खोलें, तो याद रखें कि आप केवल व्यक्तिगत देखभाल उत्पादों को ही नहीं संभाल रहे हैं। आप बल और प्रवाह, संरचना और कोमलता को संतुलित करने के लिए सावधानीपूर्वक इंजीनियर की गई सामग्रियों को संभाल रहे हैं। निचोड़ने या हिलाने पर उनकी सौम्य प्रतिक्रिया में आधुनिक भौतिकी का एक समृद्ध, छिपा हुआ अध्याय छिपा है, जो हर दिन दृष्टि से ओझल हो जाता है।
इंद्रेश यादव आईआईटी-भुवनेश्वर में भौतिकी विभाग में सहायक प्रोफेसर हैं।
