घन बर्फातून सरपटणारे जेलचे कण

हायड्रोजेल म्हणजे पाण्याने भिजलेल्या पॉलिमर साखळ्यांचे जाळे. ते प्रचंड फुगू आणि आकुंचन पावू शकतात, आणि ते सर्वत्र आहेत: सांडलेले द्रव शोषून घेणारे अतिशोषक पदार्थ, नियंत्रित वेगाने औषध सोडणारे औषधयुक्त जेल, मऊ रोबो, ऊती अभियांत्रिकी, अन्नपदार्थ, सौंदर्यप्रसाधने — आपल्या सांध्यांमधील कूर्चाही एखाद्या जेलसारखी वागते.

हे सगळे एकाच गोष्टीवर अवलंबून आहे: जेलमधून पाणी कसे फिरते. त्याचे वर्णन तीन गुणधर्म करतात — पारगम्यता, जेल दाबल्यावर त्याचा कडकपणा, आणि फुगणे किती वेगाने पसरते हे ठरवणारी सच्छिद्र-लवचिक विसरणशीलता (poroelastic diffusivity). हे मोजणे कुप्रसिद्धपणे कठीण आहे, कारण पाणी जेलमधून अतिशय हळू सरकते. लेखक एक उदाहरण देतात: 1 मिमी जाडीच्या जेल पडद्यातून 1 किलोपास्कल दाबफरकाने पाणी ढकलले, तर ते सेकंदाला सुमारे एक नॅनोमीटर वेगाने वाहते. 1 मिमीच्या नमुन्यावर कडकपणा मोजायला प्रत्येक डेटा बिंदूसाठी सुमारे तीन तास लागतात.

बर्फातून सरकणारे कण

ETH झुरिक येथील रॉबर्ट स्टाइल यांच्या चमूने PEGDA या सामान्य पॉलिमरपासून 8 ते 14 मायक्रोमीटर त्रिज्येचे जेल कण बनवले — बारीक वाळूच्या कणापेक्षाही कितीतरी लहान. त्यांनी ते तांब्याच्या दोन ठोकळ्यांमधील पातळ कप्प्यात गोठवले आणि सूक्ष्मदर्शकाखाली निरीक्षण केले.

पहिले आश्चर्य: बर्फात कण आकुंचन पावतात. बर्फ प्रत्येक कणाला वेढतो, पण त्याच्या सूक्ष्म छिद्रांत शिरू शकत नाही. त्याऐवजी तो जेलमधील पाणी बाहेर ओढतो, जसे कोरडी हवा ओढते. याला क्रायोसक्शन (शीत-शोषण) म्हणतात, आणि ते जोरदार असते: शून्याखालील प्रत्येक अंशाला शोषण सुमारे 1 मेगापास्कलने वाढते. 0 ते −2 °C दरम्यान कण त्यांच्या त्रिज्येपैकी सुमारे 20 % — म्हणजे अर्धे आकारमान — गमावतात.

दुसरे आश्चर्य: कप्प्याची एक बाजू दुसऱ्यापेक्षा गरम असेल, तर कण घन बर्फातून गरम बाजूकडे सरकू लागतात, सेकंदाला सुमारे 0.1 मायक्रोमीटर वेगाने, आणि जाता जाता फुगत जातात.

यंत्रणा: कणाच्या थंड बाजूला शोषण अधिक जोरदार असते. गरम बाजूला बर्फ वितळतो, ते पाणी जेलमधून वाहते आणि थंड बाजूला पुन्हा गोठते. तो नवा बर्फ कणाला पुढे ढकलतो. नियंत्रण-प्रयोग स्पष्ट आहे: ज्या कणांमधून पाणी जाऊ शकत नाही ते अजिबात हलत नाहीत.

मोजमापाचे साधन

वेग हा जेलमधून पाणी किती सहज वाहते यावर ठरतो, म्हणून वेग मोजला की पारगम्यता थेट मिळते. आणि कण जसजसे थंड होतात तसतसे आकुंचन पावतात, म्हणून एकाच कणाचे अनेक वेगवेगळ्या जलप्रमाणांवर मोजमाप करता येते.

वेग तापमान-उताराच्या प्रमाणात असतो आणि कणाच्या आकारावर अवलंबून नसतो, जसे सिद्धांत सांगतो.
पॉलिमरचे प्रमाण 20 % वरून 45 % पर्यंत वाढल्यावर पारगम्यता जवळजवळ 100 पटीने घटते.
त्याच टप्प्यात कडकपणा सुमारे 1 वरून सुमारे 30 मेगापास्कल पर्यंत वाढतो.
विसरणशीलता जवळजवळ स्थिर राहते, सुमारे 1.5 × 10⁻¹⁰ m²/s.
ही मूल्ये तत्सम जेलवरील मोजक्या उपलब्ध मोजमापांशी जुळतात.

पाठ्यपुस्तक चुकीचे आहे

उच्च विभेदनामुळे चमूला अभिजात सूत्रे तपासता आली, जी आदर्श, एकसमान पॉलिमर जाळे गृहीत धरतात. ती लागू पडत नाहीत: मोजलेले कल अपेक्षेपेक्षा कितीतरी अधिक तीव्र आहेत. संभाव्य कारण म्हणजे खरे जेल असमान असतात, त्यांत मोठी आणि लहान छिद्रे असतात. जेल सुकताना मोठी छिद्रे आधी कोसळतात, त्यामुळे ते आदर्श जाळ्यापेक्षा खूपच कमी पारगम्य आणि खूपच अधिक कडक बनते.

खऱ्या जेलसाठी साधन

या पद्धतीला मायक्रोलिटरऐवजी फक्त पिकोलिटर आकारमान लागते, ती एकाच नमुन्याचे अनेक जलप्रमाणांवर मोजमाप करते, आणि प्रत्येक प्रयोगातून एकाऐवजी हजारो डेटा बिंदू देते. लेखक ही पद्धत मोठ्या जेलच्या तुकड्यांपर्यंत — जैविक पदार्थांसह — पॉलिमर द्रावणांपर्यंत आणि सच्छिद्र घन पदार्थांपर्यंत विस्तारण्याची योजना आखत आहेत, आणि खऱ्या जेलमधून पाणी कसे फिरते याच्या नव्या सिद्धांतांची गरज मांडतात.