CHEMBE ZA JELI ZINAZOTAMBAA NDANI YA BARAFU NGUMU

Haidrojeli ni mitandao ya minyororo ya polima iliyolowa maji. Zinaweza kuvimba na kusinyaa kwa kiasi kikubwa, na ziko kila mahali: vifyonzaji-kuu vinavyonyonya vitu vilivyomwagika, jeli zenye dawa zinazotoa dawa yake kwa kasi iliyodhibitiwa, roboti laini, uhandisi wa tishu, vyakula, vipodozi — hata gegedu katika viungo vyetu hutenda kama jeli.

Yote haya yanategemea jambo moja: jinsi maji yanavyosonga ndani ya jeli. Sifa tatu huieleza — upenyekaji, ugumu wa jeli inapobanwa, na usambaaji wa poroelastiki (poroelastic diffusivity), unaoamua kasi ya kuenea kwa uvimbe. Zinajulikana kuwa ngumu sana kupima, kwa sababu maji hutambaa ndani ya jeli polepole mno. Waandishi wanatoa mfano: ukisukuma maji kupitia utando wa jeli wa milimita 1 kwa tofauti ya shinikizo ya kilopaskali 1, yanatiririka kwa takriban nanomita moja kwa sekunde. Kupima ugumu huchukua takriban saa tatu kwa kila data moja kwenye sampuli ya milimita 1.

Chembe zinazosonga ndani ya barafu

Timu ya Robert Style katika ETH Zurich ilitengeneza chembe za jeli zenye nusukipenyo cha mikromita 8 hadi 14 — ndogo sana kuliko chembe ya mchanga laini — kutoka kwa polima ya kawaida, PEGDA. Walizigandisha ndani ya chumba chembamba kati ya vipande viwili vya shaba na kuzitazama kwa hadubini.

Mshangao wa kwanza: ndani ya barafu, chembe husinyaa. Barafu huzunguka kila chembe lakini haiwezi kuingia katika vitundu vyake vidogo sana. Badala yake, inavuta maji kutoka kwenye jeli, kama hewa kavu ingefanya. Hili linaitwa uvutaji wa kuganda (cryosuction), na lina nguvu: uvutaji huongezeka kwa takriban megapaskali 1 kwa kila digrii chini ya sifuri. Kati ya 0 na −2 °C, chembe hupoteza takriban 20 % ya nusukipenyo chao — nusu ya ujazo wao.

Mshangao wa pili: upande mmoja wa chumba unapokuwa na joto zaidi kuliko mwingine, chembe huanza kusogea ndani ya barafu ngumu, kuelekea upande wenye joto, kwa takriban mikromita 0.1 kwa sekunde, zikivimba zinaposonga.

Utaratibu wake: uvutaji una nguvu zaidi upande wa baridi wa chembe. Barafu huyeyuka upande wenye joto, maji hutiririka ndani ya jeli na kuganda tena upande wa baridi. Barafu hiyo mpya huisukuma chembe mbele. Jaribio la udhibiti liko wazi: chembe ambazo maji hayawezi kupita ndani yake hazisogei kabisa.

Chombo cha kupimia

Kwa kuwa kasi inaamuliwa na urahisi wa maji kutiririka ndani ya jeli, kupima kasi kunatoa upenyekaji moja kwa moja. Na kwa kuwa chembe husinyaa zinapozidi kupoa, chembe moja tu inaweza kupimwa katika viwango vingi tofauti vya maji.

Kasi inalingana na mwinuko wa halijoto na haitegemei ukubwa wa chembe, kama nadharia inavyotabiri.
Upenyekaji hushuka kwa karibu mara 100 sehemu ya polima inapopanda kutoka 20 % hadi 45 %.
Ugumu hupanda kutoka takriban megapaskali 1 hadi takriban 30 katika kiwango hichohicho.
Usambaaji hubaki karibu thabiti, takriban 1.5 × 10⁻¹⁰ m²/s.
Thamani hizi zinakubaliana na vipimo vichache vilivyopo vya jeli zinazofanana.

Kitabu cha kiada kimekosea

Ubora wa juu wa vipimo uliiwezesha timu kujaribu kanuni za jadi, ambazo zinachukulia mtandao wa polima ulio bora na sawa kote. Hazifanyi kazi: mielekeo iliyopimwa ni mikali zaidi sana kuliko ilivyotabiriwa. Sababu inayowezekana ni kwamba jeli halisi hazina usawa, zina vitundu vikubwa na vidogo. Jeli inapokauka, vitundu vikubwa huporomoka kwanza, na kuifanya ipenyeke kidogo zaidi sana na kuwa ngumu zaidi sana kuliko mtandao bora ungekuwa.

Chombo kwa ajili ya jeli halisi

Mbinu hii inahitaji ujazo wa pikolita tu badala ya mikrolita, hupima sampuli moja katika viwango vingi vya maji, na hutoa maelfu ya data kwa kila jaribio badala ya moja. Waandishi wanapanga kuipanua kwa vipande vya jeli kubwa — pamoja na nyenzo za kibiolojia — kwa miyeyusho ya polima na kwa yabisi zenye vitundu, na wanatoa wito wa nadharia mpya kuhusu jinsi maji yanavyosonga ndani ya jeli halisi.