छायाचित्र: जायेल वालेई, अनस्प्लॅश
अनेक बारीक स्फटिके (दाणे) एकजीव होऊन बनलेले बहुस्फटिक एकल स्फटिकांपेक्षा वेगळ्या गुणधर्मांचे असतात. उदाहरणार्थ, मायक्रोमिटर आकाराचे सिलिका किंवा पॉलिस्टायरिन कणांनी बनलेले बहुस्फटिक मृदू असतात आणि दाब किंवा गुरुत्वाकर्षणामुळे ते प्रवाही होतात. ह्या बहुस्फटिकातील कण एकमेकांशी खूप सौम्य बलाने बांधलेले असतात, त्यामुळे बाह्य बलाच्या प्रभावाखाली त्यांची हालचाल सहज होते. एकल स्फटिकांची रचना मात्र अखंड आणि घन असते आणि बहुस्फटिकांप्रमाणे त्यांना प्रवाह नसतो. बहुस्फटिकांच्या या विशेष गुणधर्मांमुळे संशोधकांना मागील काही दशकांमधे त्यांच्यात विशेष रस निर्माण झाला असल्यास नवल नाही.
भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई (आयआयटी मुंबई) आणि गणितीय विज्ञान संस्था, चेन्नई येथील संशोधकांनी मृदू बहुस्फटिक, विविध रूंदीच्या वाहिन्यांमधून बलाच्या प्रभावाखाली कसे वाहतात हे त्यांच्या अभ्यासात दाखवले. हे संशोधन कार्य भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबईच्या औद्योगिक संशोधन आणि सल्लगारी केंद्राच्या निधीतून करण्यात आले आणि फिझिकल रिव्ह्यू लेटर्स मध्ये प्रकाशित झाले.
संशोधकांनी मायक्रोमिटर आकाराच्या कणांनी बनवलेल्या मृदू बहुस्फटिकांचे संगणकिय अनुरूपण बनवले आणि दोन खडबडित भिंतीं असलेल्या वाहिनीमधून त्यांना वाहित केले. “अणूंची कुठलीही निश्चित रचना नसणाऱ्या अस्फटिकी पदार्थांवर—जसे जेल, टूथपेस्ट—अश्या प्रकारचे प्रयोग केले गेले आहेत. पण बहुस्फटिकांवर केले गेलेले नाहीत,” असे आयआयटी मुंबईच्या प्रा.अनिर्बन सेन यांनी सांगितले. गणितीय विज्ञान संस्था, चेन्नई येथील प्रा. पिनाकी चौधरी यांच्या सहकार्याने केलेल्या या अभ्यासाचे प्रा.सेन हे प्रमुख होते.
अनुरूपणात संशोधकांना असे दिसून आले की बहुस्फटिक ढकलले गेले तरी सुरुवातीला वाहिनीमधे अडकून राहतात. जेव्हा पुरेसे बल लावून बहुस्फटिक ढकलले जातात, तेव्हाच ते जागेवरून हलू लागतात. त्याशिवाय वाहिनीच्या रूंदीप्रमाणे त्यांचे वर्तन बदलते.
संशोधकांनी पाहिले की ज्या वाहिन्या साधारण दहा ते नव्वद मायक्रोमीटर रुंदीच्या असतात त्यांतून वाहिनीच्या मध्यभागी असलेले बहुस्फटिकांचे दाणे सावकाश आणि स्थिर वेगाने पुढे जातात, साधारण घन ठोकळे पुढे जातील त्याप्रमाणे. पण दाण्यांचे जे भाग मार्गाच्या आतील भिंतींना लागून असतात ते भिंतींमुळे असलेल्या घर्षणापायी जवळजवळ जागचे हलतच नाहीत.
“बहुस्फटिकांच्या दाण्यांतील कण जेव्हा वेगवेगळ्या वेगाने गतिमान होतात, तेव्हा दाणे तुटतात”, असे स्पष्टीकरण अनुरूपणावर काम केलेल्या आयआयटी मुंबईच्या डॉ. तन्मय सरकार यांनी दिले. भिंतींलगत असलेले कण इतर कणांप्रमाणे वेगाने हलू शकत नव्हते त्यामुळे बहुस्फटिकांचे दाणे तुटून त्यांचे लहान कण बनलेले दिसले. ह्या लहान कणांचे गुणधर्म द्रव पदार्थासारखे दिसले आणि भिंतींलगत ते जवळजवळ गतिशून्य होते.
साहजिकच, अरूंद वाहिनीमधून बहुस्फटिकांचे बहुतेक सर्व दाणे लहान कणांमधे विघटित झाले आणि वाहिनीच्या मध्यभागातून काही मोजक्या बहुस्फटिकांच्या अविघटित दाण्यांबरोबर वाहू लागले. कण जेवढे आतील भिंतींपासून दूर तेवढा त्यांचा वेग आधिक होता.
बहुस्फटिकांच्या गतिमान दाण्यांच्या काहीशा अस्ताव्यस्त चलनातून एक विशिष्ट धाटणी उलगडली. हे घन दाणे जसजसे द्रव पदार्थातून पुढे मार्गस्थ होतात तसतसे त्यांच्या पाठीमागील भागात नवीन लहान कण जोडले जातात आणि पुढील भागातून काही कण वेगळे होतात. ह्या सततच्या पुनर्रचनेमुळे बहुस्फटिकांचे दाणे जरी प्रत्यक्षात बलामुळे पुढे सरकत असले तरी ते जणू मागे मागे जात असल्यासारखे भासतात!
“अश्या प्रकारचे निरीक्षण पुर्वी अस्फटिक पदार्थ अरूंद वाहिनीतून जाताना नोंदवण्यात आले होते. पण बहुस्फटिकांमध्ये ह्याच प्रकारचे वर्तन द्रव-घन मिश्रणात दिसते हे निरीक्षण नवीन आहे,” असे प्रा.सेन यांनी सांगितले.
नवीन पदार्थ निर्माण करण्यासाठी अशा प्रकारच्या संशोधनातून मिळणारी माहिती खूप महत्वाची ठरते. उदाहरणार्थ, वैज्ञानिकांनी मृदू बहुस्फटिकांच्या रचनेचा उपयोग करून प्रकाशाच्या काही ठराविक वारंवारता वगळू शकणारे फोटॉनिक स्फटिक तयार केले आहेत. पदार्थांच्या चलनासारख्या गुणधर्मांचा सखोल अभ्यास भविष्यात नवीन अनुप्रयोगांना वाट करून देऊ शकतो.
प्रा.सेन शेवटी सांगतात, “आमच्या कार्यातून कलिल बहुस्फटिकांच्या प्रवाह पद्धतीचे प्रयोगांतून समन्वेषण करण्यासाठी प्रेरणा मिळेल.”