గట్టి మంచు గుండా పాకే జెల్ కణాలు
హైడ్రోజెల్‌లు అంటే నీటితో తడిసిన పాలిమర్ గొలుసుల వలలు. అవి విపరీతంగా ఉబ్బగలవు, కుంచించుకుపోగలవు, అన్నిచోట్లా ఉన్నాయి: ఒలికిన ద్రవాలను పీల్చుకునే అతి శోషక పదార్థాలు, నియంత్రిత వేగంతో మందును విడుదల చేసే ఔషధ జెల్‌లు, మెత్తని రోబోలు, కణజాల ఇంజినీరింగ్, ఆహారం, సౌందర్య సాధనాలు — మన కీళ్లలోని మృదులాస్థి కూడా ఒక జెల్‌లానే ప్రవర్తిస్తుంది.
ఇదంతా ఒకే విషయంపై ఆధారపడి ఉంటుంది: జెల్ గుండా నీరు ఎలా కదులుతుంది. దాన్ని మూడు లక్షణాలు వివరిస్తాయి — పారగమ్యత, జెల్‌ను నొక్కినప్పుడు దాని దృఢత్వం, ఉబ్బడం ఎంత వేగంగా వ్యాపిస్తుందో నిర్ణయించే పోరోఎలాస్టిక్ వ్యాపకత (poroelastic diffusivity). వీటిని కొలవడం చాలా కష్టమని పేరుంది, ఎందుకంటే నీరు జెల్‌ల గుండా అత్యంత నెమ్మదిగా పాకుతుంది. రచయితలు ఒక ఉదాహరణ ఇస్తారు: 1 మి.మీ. జెల్ పొర గుండా 1 కిలోపాస్కల్ పీడన వ్యత్యాసంతో నీటిని నెడితే, అది సెకనుకు సుమారు ఒక నానోమీటర్ వేగంతో ప్రవహిస్తుంది. 1 మి.మీ. నమూనాపై దృఢత్వాన్ని కొలవడానికి ఒక్కో డేటా పాయింట్‌కు సుమారు మూడు గంటలు పడుతుంది.
మంచు గుండా కదిలే కణాలు
ETH జ్యూరిక్‌లోని రాబర్ట్ స్టైల్ బృందం PEGDA అనే సాధారణ పాలిమర్‌తో 8 నుంచి 14 మైక్రోమీటర్ల వ్యాసార్ధం గల జెల్ కణాలను తయారుచేసింది — సన్నని ఇసుక రేణువు కంటే చాలా చిన్నవి. వాటిని రెండు రాగి దిమ్మల మధ్య ఉన్న పలుచని గదిలో గడ్డకట్టించి, సూక్ష్మదర్శిని కింద గమనించారు.
మొదటి ఆశ్చర్యం: మంచులో కణాలు కుంచించుకుపోతాయి. మంచు ప్రతి కణాన్నీ చుట్టుముడుతుంది కానీ దాని సూక్ష్మ రంధ్రాల్లోకి ప్రవేశించలేదు. బదులుగా, పొడి గాలి లాగే అది జెల్ నుంచి నీటిని బయటకు లాగుతుంది. దీన్ని క్రయోసక్షన్ (శీతల చూషణ) అంటారు, అది బలమైనది: సున్నా కంటే తక్కువ ప్రతి డిగ్రీకి చూషణ సుమారు 1 మెగాపాస్కల్ పెరుగుతుంది. 0 నుంచి −2 °C మధ్య కణాలు తమ వ్యాసార్ధంలో సుమారు 20 % — అంటే ఘనపరిమాణంలో సగం — కోల్పోతాయి.
రెండో ఆశ్చర్యం: గది ఒక వైపు మరో వైపు కంటే వెచ్చగా ఉన్నప్పుడు, కణాలు గట్టి మంచు గుండా వెచ్చని వైపుకు కదలడం మొదలుపెడతాయి, సెకనుకు సుమారు 0.1 మైక్రోమీటర్ వేగంతో, వెళ్తూ వెళ్తూ ఉబ్బుతాయి.
యంత్రాంగం: కణం చల్లని వైపు చూషణ బలంగా ఉంటుంది. వెచ్చని వైపు మంచు కరుగుతుంది, ఆ నీరు జెల్ గుండా ప్రవహించి చల్లని వైపు మళ్లీ గడ్డకడుతుంది. ఆ కొత్త మంచు కణాన్ని ముందుకు నెడుతుంది. నియంత్రణ ప్రయోగం స్పష్టంగా ఉంది: నీరు దాటలేని కణాలు అసలు కదలవు.
ఒక కొలత సాధనం
వేగం అనేది జెల్ గుండా నీరు ఎంత సులభంగా ప్రవహిస్తుందో దానిపై ఆధారపడుతుంది కాబట్టి, వేగాన్ని కొలిస్తే పారగమ్యత నేరుగా వస్తుంది. కణాలు చల్లబడే కొద్దీ కుంచించుకుపోతాయి కాబట్టి, ఒకే ఒక్క కణాన్ని అనేక వేర్వేరు నీటి శాతాల వద్ద కొలవవచ్చు.
- వేగం ఉష్ణోగ్రత ప్రవణతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది, కణం పరిమాణంపై ఆధారపడదు, సిద్ధాంతం అంచనా వేసినట్లే.
- పాలిమర్ శాతం 20 % నుంచి 45 % కి పెరిగినప్పుడు పారగమ్యత దాదాపు 100 రెట్లు తగ్గుతుంది.
- అదే పరిధిలో దృఢత్వం సుమారు 1 నుంచి సుమారు 30 మెగాపాస్కల్‌లకు పెరుగుతుంది.
- వ్యాపకత దాదాపు స్థిరంగా, సుమారు 1.5 × 10⁻¹⁰ m²/s వద్ద ఉంటుంది.
- ఈ విలువలు ఇలాంటి జెల్‌లపై ఇప్పటికే ఉన్న కొన్ని కొలతలతో సరిపోలుతున్నాయి.
పాఠ్యపుస్తకం తప్పు
అధిక విభేదన సామర్థ్యం వల్ల, ఆదర్శవంతమైన, ఏకరీతి పాలిమర్ వలను ఊహించే సాంప్రదాయ సూత్రాలను బృందం పరీక్షించగలిగింది. అవి పనిచేయవు: కొలిచిన ధోరణులు అంచనా కంటే చాలా ఏటవాలుగా ఉన్నాయి. సంభావ్య కారణం, నిజమైన జెల్‌లు అసమానంగా ఉంటాయి, వాటిలో పెద్ద, చిన్న రంధ్రాలు ఉంటాయి. జెల్ ఎండిపోతున్నప్పుడు పెద్ద రంధ్రాలు ముందుగా కూలిపోతాయి, దాంతో అది ఆదర్శ వల కంటే చాలా తక్కువ పారగమ్యంగా, చాలా ఎక్కువ దృఢంగా మారుతుంది.
నిజమైన జెల్‌ల కోసం ఒక సాధనం
ఈ పద్ధతికి మైక్రోలీటర్లకు బదులు కేవలం పికోలీటర్ ఘనపరిమాణాలు చాలు, ఒకే నమూనాను అనేక నీటి శాతాల వద్ద కొలుస్తుంది, ప్రతి ప్రయోగంలో ఒక్కదానికి బదులు వేలాది డేటా పాయింట్లు ఇస్తుంది. రచయితలు దీన్ని పెద్ద జెల్‌ల ముక్కలకు — జీవ పదార్థాలతో సహా — పాలిమర్ ద్రావణాలకు, రంధ్రయుత ఘనపదార్థాలకు విస్తరించాలని యోచిస్తున్నారు, నిజమైన జెల్‌ల గుండా నీరు ఎలా కదులుతుందో వివరించే కొత్త సిద్ధాంతాలు కావాలని పిలుపునిస్తున్నారు.