திடப் பனிக்குள் ஊர்ந்து செல்லும் ஜெல் துகள்கள்

ஹைட்ரோஜெல்கள் என்பவை நீரில் ஊறிய பாலிமர் சங்கிலிகளின் வலைப்பின்னல்கள். அவை வியக்கத்தக்க அளவில் வீங்கவும் சுருங்கவும் முடியும்; அவை எங்கும் உள்ளன: சிந்திய திரவத்தை உறிஞ்சும் மிகை உறிஞ்சிகள், தம் மருந்தைக் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட வேகத்தில் வெளியிடும் மருந்து நிரப்பிய ஜெல்கள், மென் ரோபோக்கள், திசுப் பொறியியல், உணவு, அழகுசாதனப் பொருட்கள் — நம் மூட்டுகளிலுள்ள குருத்தெலும்புகூட ஒரு ஹைட்ரோஜெல் போலவே நடந்துகொள்கிறது.

இவை அனைத்தும் ஒன்றைச் சார்ந்துள்ளன: ஜெல்லின் வழியே நீர் எப்படி நகர்கிறது என்பது. மூன்று பண்புகள் அதை விவரிக்கின்றன — ஊடுருவுதிறன் (permeability), ஜெல் அழுத்தப்படும்போது அதன் விறைப்பு, வீக்கம் எவ்வளவு வேகமாகப் பரவுகிறது என்பதைத் தீர்மானிக்கும் நுண்துளை மீள்தன்மைப் பரவல்திறன் (poroelastic diffusivity). இவற்றை அளப்பது பெயர்போன கடினம், ஏனெனில் நீர் ஜெல்கள் வழியே மிக மிக மெதுவாக ஊர்கிறது. ஆசிரியர்கள் ஓர் உதாரணம் தருகின்றனர்: 1 மி.மீ. தடிமனுள்ள ஜெல் சவ்வின் வழியே 1 கிலோபாஸ்கல் அழுத்த வேறுபாட்டுடன் நீரைத் தள்ளினால், அது வினாடிக்குச் சுமார் ஒரு நானோமீட்டர் வேகத்தில் பாய்கிறது. 1 மி.மீ. மாதிரியில் விறைப்பை அளக்க ஒரு தரவுப் புள்ளிக்குச் சுமார் மூன்று மணி நேரம் ஆகிறது.

பனிக்குள் நகரும் துகள்கள்

ETH சூரிக்கில் ராபர்ட் ஸ்டைலின் குழு, PEGDA எனும் பொதுவான பாலிமரிலிருந்து 8 முதல் 14 மைக்ரோமீட்டர் ஆரமுள்ள ஜெல் துகள்களை உருவாக்கியது — நுண்ணிய மணல் துகளைவிட மிகச் சிறியவை. இரண்டு செப்புத் தொகுதிகளுக்கு இடையிலான ஒரு மெல்லிய அறையில் அவற்றை உறைய வைத்து, நுண்ணோக்கியின் கீழ் கவனித்தனர்.

முதல் ஆச்சரியம்: பனியில் துகள்கள் சுருங்குகின்றன. பனி ஒவ்வொரு துகளையும் சூழ்கிறது, ஆனால் அதன் நுண்துளைகளுக்குள் நுழைய முடிவதில்லை. மாறாக, உலர்ந்த காற்று செய்வது போலவே, ஜெல்லிலிருந்து நீரை இழுக்கிறது. இது உறைவு உறிஞ்சல் (cryosuction) எனப்படுகிறது; இது வலிமையானது: பூஜ்ஜியத்துக்குக் கீழே ஒவ்வொரு டிகிரிக்கும் உறிஞ்சல் சுமார் 1 மெகாபாஸ்கல் அதிகரிக்கிறது. 0 முதல் −2 °C வரை, துகள்கள் தம் ஆரத்தில் சுமார் 20 % — அதாவது தம் கனஅளவில் பாதியை — இழக்கின்றன.

இரண்டாவது ஆச்சரியம்: அறையின் ஒரு பக்கம் மற்றதைவிடச் சூடாக இருக்கும்போது, துகள்கள் திடப் பனிக்குள் சூடான பக்கத்தை நோக்கி நகரத் தொடங்குகின்றன — வினாடிக்குச் சுமார் 0.1 மைக்ரோமீட்டர் வேகத்தில், செல்லச் செல்ல வீங்கியபடி.

செயல்முறை: துகளின் குளிர்ந்த பக்கத்தில் உறிஞ்சல் வலிமையாக உள்ளது. சூடான பக்கத்தில் பனி உருகுகிறது, நீர் ஜெல்லின் வழியே பாய்ந்து குளிர்ந்த பக்கத்தில் மீண்டும் உறைகிறது. அந்தப் புதிய பனி துகளை முன்னோக்கித் தள்ளுகிறது. கட்டுப்பாட்டுச் சோதனை தெளிவானது: நீர் ஊடுருவ முடியாத துகள்கள் சற்றும் நகர்வதில்லை.

ஓர் அளவீட்டுக் கருவி

ஜெல்லின் வழியே நீர் எவ்வளவு எளிதாகப் பாய்கிறது என்பதே வேகத்தைத் தீர்மானிப்பதால், வேகத்தை அளந்தாலே ஊடுருவுதிறன் நேரடியாகக் கிடைக்கிறது. துகள்கள் குளிரக் குளிரச் சுருங்குவதால், ஒரே ஒரு துகளைப் பல்வேறு நீர் அளவுகளில் அளக்க முடிகிறது.

• கோட்பாடு கணித்தபடியே, வேகம் வெப்பநிலைச் சரிவுக்கு (gradient) நேர்விகிதத்தில் உள்ளது, துகளின் அளவைச் சார்ந்திருக்கவில்லை.
• பாலிமர் பங்கு 20 %-இலிருந்து 45 %-க்கு உயரும்போது ஊடுருவுதிறன் கிட்டத்தட்ட 100 மடங்கு குறைகிறது.
• அதே வரம்பில் விறைப்பு சுமார் 1-இலிருந்து சுமார் 30 மெகாபாஸ்கல் வரை உயர்கிறது.
• பரவல்திறன் ஏறக்குறைய மாறாமல், சுமார் 1.5 × 10⁻¹⁰ m²/s அளவில் இருக்கிறது.
• இம்மதிப்புகள், ஒத்த ஜெல்கள் மீது ஏற்கெனவே உள்ள சில அளவீடுகளுடன் ஒத்துப்போகின்றன.

பாடநூல் தவறு

உயர் தெளிவுத்திறன், ஒரு சீரான, இலட்சிய பாலிமர் வலையமைப்பை அனுமானிக்கும் மரபுவழிச் சூத்திரங்களைச் சோதிக்கக் குழுவுக்கு வாய்ப்பளித்தது. அவை பொருந்தவில்லை: அளக்கப்பட்ட போக்குகள் கணிக்கப்பட்டதைவிட மிகவும் செங்குத்தானவை. உண்மையான ஜெல்கள் சீரற்றவை, பெரிய மற்றும் சிறிய துளைகளைக் கொண்டவை என்பதே சாத்தியமான காரணம். ஜெல் உலரும்போது பெரிய துளைகள் முதலில் சரிகின்றன; இதனால் அது இலட்சிய வலையமைப்பைவிட மிகக் குறைவான ஊடுருவுதிறனும் மிக அதிக விறைப்பும் கொண்டதாகிறது.

உண்மையான ஜெல்களுக்கான கருவி

இந்த முறைக்கு மைக்ரோலிட்டர்களுக்குப் பதிலாக பிகோலிட்டர் கனஅளவுகளே போதும்; ஒரே மாதிரியைப் பல நீர் அளவுகளில் அளக்கிறது; ஒவ்வொரு சோதனையிலும் ஒன்றுக்குப் பதிலாக ஆயிரக்கணக்கான தரவுப் புள்ளிகளைத் தருகிறது. இதைப் பெருந்திரள் ஜெல்களின் துண்டுகள் — உயிரியல் பொருட்கள் உட்பட —, பாலிமர் கரைசல்கள், நுண்துளைத் திண்மங்கள் ஆகியவற்றுக்கு விரிவுபடுத்த ஆசிரியர்கள் திட்டமிட்டுள்ளனர்; உண்மையான ஜெல்களில் நீர் எப்படி நகர்கிறது என்பது குறித்த புதிய கோட்பாடுகளுக்கும் அழைப்பு விடுக்கின்றனர்.