एक किलो पेलणारे जेल

बहुवारिकाची एकच साखळी, दोन्ही टोकांनी ओढली तर, आधी उलगडते, सरळ होत जाते तसतशी अचानक ताठ होते, आणि शेवटी एक मजबूत सहसंयुज बंध तोडते. तरीही अशा साखळ्यांपासून बनलेले जाळे — जेल किंवा रबर — एका साखळीपेक्षा कितीतरी पटींनी दुर्बल असते. शोधनिबंधात उद्धृत केलेली अलीकडील संगणकीय सिम्युलेशन याचे कारण दाखवतात: जाळे ताणले जाते तेव्हा ताण अतिशय असमानपणे वाटला जातो. काही उच्च-ताणाचे मार्ग तयार होतात आणि एकामागून एक तुटतात, तर बहुतेक धागे गुंडाळलेलेच राहतात आणि त्यांच्यावर जेमतेम भार येतो.

हार्वर्ड विद्यापीठातील यू झोउ (Yu Zhou), चेंगहाय ली (Chenghai Li), झेची चेन (Zheqi Chen), शियानयांग बाओ (Xianyang Bao) आणि झिगांग सुओ (Zhigang Suo) दोष देतात तो आडव्या बंधांना (cross-links) — धाग्यांना एकत्र बांधणाऱ्या सांध्यांना. प्रत्येक आडवा बंध चार धागे जोडतो, पण त्यांपैकी फक्त दोनच उच्च ताण वाहतात. आडवे बंध भार एकवटतात.

कमी गाठी, अधिक गुंते

त्यांचा उपाय म्हणजे ताण विकेंद्रित करणे. आडवे बंध खूपच कमी असल्यास, धागे लांब आणि गुंतलेले होतात. लेखकांच्या कल्पनेत भार “उच्च-ताणाचे दंडगोल” — गुंतलेल्या धाग्यांचे संपूर्ण जुडगे — वाहतात. धाग्यांमधील बले दुर्बल असल्याने, गुंते कप्पीसारखे सरकतात: एखादा गुंता चार भागांना गुंतवतो तेव्हा चारही भाग भार वाहतात. लांब धागे जाळ्याचा अधिक भाग कामाला लावतात.

त्यांनी हे पॉलिॲक्रिलामाइड हायड्रोजेलवर तपासले — बहुतांश पाण्यापासून बनलेले मऊ घन पदार्थ, प्रत्येक चाचणीपूर्वी समतोलापर्यंत फुगवलेले, जसे ते वापरात असताना असतात. जाळे दोन कळांनी ठरते: आडवे-बंधक पदार्थाचे प्रमाण आणि संश्लेषणादरम्यानचे पाण्याचे प्रमाण.

• बहुवारिकाच्या प्रति एककानुसार मोजलेले बल — लेखकांचे “परिणामी बल” (effective strength) — आडवे बंध विरळ होत गेले तसतसे वाढले, एका साध्या नियमानुसार: ते आडवे-बंधकाच्या प्रमाणाच्या व्यस्त प्रमाणात वाढते, आणि सुमारे 100 मेगापास्कलपर्यंत पोहोचते.
• पाण्याचे, आणि त्यामुळे गुंत्यांचे, प्रमाण बदलल्याने ते दोनपटींपेक्षा कमी बदलले. आडवे बंध ताण एकवटतात; गुंते तसे करत नाहीत.

फुगवा, दाबा, पुन्हा करा

याचे रूपांतर एका मजबूत पदार्थात करण्यासाठी, संघाने आधी ताणलेली परस्पर-गुंफलेली जाळी (prestretched interlocking networks) बांधली. विरळ आडवे बंध असलेले जेल त्याच सुरुवातीच्या मिश्रणात भिजवले जाते, चपटे दाबले जाते जेणेकरून ते बाजूंना ताणले जाईल, आणि मग अतिनील प्रकाशात ठेवले जाते: पहिल्या जाळ्याच्या आत दुसरे जाळे तयार होते आणि पहिल्याला त्याच्या ताणलेल्या स्थितीत जखडून ठेवते. हे पुन्हा एकदा केल्याने तिहेरी जाळे मिळते.

तीन पॉलिॲक्रिलामाइड हायड्रोजेल: सामान्य, अत्यंत गुंतलेले आणि आधी ताणलेले परस्पर-प्रवेशी. सामान्य जेल सुमारे 10 ग्रॅम पेलते; आधी ताणलेले 1,000 ग्रॅम पेलते. — आकृती 3, Zhou, Li, Chen, Bao & Suo (2026), arXiv:2610.11837, CC BY 4.0.

• बल सामान्य हायड्रोजेलच्या सुमारे 0.05 मेगापास्कलवरून अत्यंत गुंतलेल्या जेलसाठी सुमारे 1 आणि तिहेरी जाळ्यासाठी सुमारे 10 पर्यंत चढते.
• तिहेरी-जाळ्याचे जेल सामान्य जेलपेक्षा सुमारे शंभरपट जड वजन पेलते.
• ते लवचीक राहते: ताणणे आणि सोडणे या एका आवर्तनात फक्त 8.4% ऊर्जा गमावली जाते.
• लेखकांच्या माहितीनुसार, नोंदवलेल्यांपैकी हे सर्वांत मजबूत पॉलिॲक्रिलामाइड हायड्रोजेल आहे.

ही कृती पाण्याशिवायही काम करते. पॉली(इथाइल ॲक्रिलेट) नावाच्या, पाणी नसलेल्या रबरासारख्या पदार्थात — एका इलास्टोमरमध्ये — कमी आडव्या बंधांमुळे बल सुमारे 1 वरून 4 मेगापास्कलपर्यंत वाढले, आणि आधी ताणल्यानंतर सुमारे 25 मेगापास्कलपर्यंत, फक्त काही टक्के ऊर्जा-हानीसह.

अजूनही फक्त 1% धागे

100 मेगापास्कलसुद्धा सहसंयुज बंध सहन करू शकणाऱ्या साधारण 10 गिगापास्कलपेक्षा खूप कमी आहे. लेखकांच्या अंदाजानुसार, फक्त सुमारे 1% धागे त्या मर्यादेपर्यंत पोहोचतात; बाकीचे अजूनही खूपच कमी भार वाहतात. उरलेल्या 99% धाग्यांना कामाला कसे लावायचे, हा त्यांच्या मते एक खुला प्रश्न आहे, ज्यासाठी कदाचित जाळ्यांच्या पूर्णपणे नव्या रचना लागतील.