भौतिकविदों ने पाया कि छोटे बूंदों की स्थिरता सतह के विद्युत आवेश द्वारा सुनिश्चित होती है

बूंदों की अस्थिरता के तंत्र

पानी में तेल मिलाने और जोर से हिलाने पर शुरू में बड़ी संख्या में छोटी तेल की बूंदें बनती हैं। हालांकि, यह प्रणाली अस्थिर है: सतह की ऊर्जा को कम करने के लिए, छोटी बूंदें गायब होने की कोशिश करती हैं, जबकि बड़ी बूंदें आकार में बढ़ती हैं। बड़े होने की दो मुख्य प्रक्रियाएं हैं: बूंदें ब्रौनियन गति के कारण संपर्क में आने पर मिल सकती हैं, या ओस्टवाल्ड राइपनिंग होता है, जिसमें छोटी बूंदें घुल जाती हैं और मुक्त हुआ पदार्थ बड़ी बूंदों में चला जाता है।

जैविक प्रणालियों में नैनोबूंदों की स्थिरता

यह ज्ञात है कि प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड और अन्य बायोमॉलिक्यूल्स वाली नैनोबूंदें (लगभग दसियों नैनोमीटर व्यास की) जीवित कोशिकाओं में कई घंटों या यहां तक कि दिनों तक अपनी स्थिरता बनाए रख सकती हैं। पहले वैज्ञानिकों ने अनुमान लगाया था कि यह स्थिरता जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं, साइटोस्केलेटन और सर्फेक्टेंट प्रोटीनों के प्रभाव के कारण होती है, लेकिन इस प्रश्न का पूर्ण उत्तर अनुपस्थित था।

स्थिरीकरण का नया तंत्र

हॉन्गकॉंग विश्वविद्यालय के चेन फेयपेन के नेतृत्व में अमेरिकी, चीनी और जापानी भौतिकविदों की टीम ने नैनोबूंदों के स्थिरीकरण का एक अतिरिक्त तंत्र खोजा। शोधकर्ताओं ने विपरीत आवेश वाले दो पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स—धनात्मक रूप से चार्ज किए गए PDDA और ऋणात्मक रूप से चार्ज किए गए PMA—के जलीय घोल का अध्ययन किया। इन प्रणालियों का अक्सर प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड के घोल में बनने वाले बायोमॉलिक्यूलर कंडेनसेट का अनुकरण करने के लिए एक सरलीकृत मॉडल के रूप में उपयोग किया जाता है।

भौतिकविदों ने विभिन्न प्रारंभिक सांद्रता के साथ घोल तैयार किए, जिसमें प्रत्येक घोल में PMA और PDDA का अनुपात 1:1 बनाए रखा गया था। परिणामस्वरूप, जलीय माध्यम में पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बूंदें बनीं, और अधिक सांद्रित नमूनों में बूंदें शुरू में बड़े आकार की थीं। गतिशील प्रकाश प्रकीर्णन विधि का उपयोग करके बारह घंटों में इन बूंदों के बढ़ने का निरीक्षण किया गया। पता चला कि वृद्धि की दर प्रारंभिक आकार पर निर्भर करती थी: सबसे बड़ी बूंदें (500 नैनोमीटर से अधिक व्यास की) तेजी से बढ़ीं। मध्यम बूंदों ने पहले बहुत धीमी वृद्धि दिखाई, लेकिन 250-300 नैनोमीटर व्यास तक पहुंचने के बाद वे बड़ी बूंदों की तरह ही तेजी से बढ़ने लगीं। सबसे छोटी बूंदें (200 नैनोमीटर से कम) सबसे कम सक्रिय रूप से बढ़ीं और अवलोकन की पूरी अवधि में लगभग अपना आयतन नहीं बदल पाईं।

इलेक्ट्रोस्टैटिक अवरोध की भूमिका

गणना के लेखकों ने निष्कर्ष निकाला कि इतने बड़े अणुओं के लिए ओस्टवाल्ड राइपनिंग अत्यंत धीमी गति से होता है, इसलिए प्रमुख प्रक्रिया टकराव पर संलयन होनी चाहिए। हालांकि, इस संलयन को इलेक्ट्रोस्टैटिक बाधा द्वारा अवरुद्ध किया जाता है। चूंकि धनात्मक रूप से चार्ज की गई श्रृंखला PDDA ऋणात्मक रूप से चार्ज की गई PMA की तुलना में काफी लंबी है, इसलिए PMA की छोटी श्रृंखलाओं के लिए आसपास के तरल पदार्थ में रहना अधिक फायदेमंद होता है, जहां उन्हें अधिक गतिशीलता और मोड़ मिलता है, बजाय इसके कि वे एक सघन बूंद के अंदर रहें। इसके कारण कुछ ऋणात्मक आवेश बूंद के बाहर रह जाते हैं, जिससे उसकी सतह पर सकारात्मक आवेश की थोड़ी अधिकता हो जाती है। ज़ेटा-पोटेंशियल माप और कंप्यूटर सिमुलेशन से प्राप्त डेटा ने पुष्टि की कि सतह पर आवेश घनत्व सबसे छोटे बूंदों में अधिकतम होता है। नतीजतन, एक ऐसी प्रणाली में जहां छोटी बूंदें प्रमुख हैं, इलेक्ट्रोस्टैटिक बाधा उनके संयोजन को रोकती है। जैसे-जैसे बूंदों का आकार बढ़ता है, यह बाधा कमजोर होती जाती है, जिससे कुछ बूंदें मिल सकती हैं, आकार में बढ़ सकती हैं, और उनका बाद का विकास लगभग असीमित हो जाता है।

तरल पदार्थों में अनुसंधान

2024 में, अमेरिका, यूके, नीदरलैंड और जर्मनी के वैज्ञानिकों के एक समूह ने तेल की बूंदों के जमने की प्रक्रिया का अध्ययन किया। पाया गया कि तेजी से ठंडा होने पर तेल की बूंदें बर्फ को उस तरह से विकृत करती हैं जैसा अपेक्षित नहीं था: बाहर धकेलने के बजाय, वे बर्फीली परत में धंस जाती हैं। लेखकों ने इसे मारंगोनी प्रभाव के रूप में समझाया: सिलिकॉन तेल के सतह तनाव गुणांक में अचानक परिवर्तन से बूंद का अगला हिस्सा मजबूत सतह तनाव का अनुभव करता है, जिससे गर्म क्षेत्रों से ठंडे क्षेत्रों में तरल पदार्थ का स्थानांतरण होता है।

हाइड्रोडायनामिक घटनाएँ

भौतिकविदों ने पानी में सील के मूंछों की गति का भी अनुकरण किया और पाया कि मूंछ के मुड़ने के कारण उस पर कारमैन भंवर धाराएं बनती हैं। ये धाराएं स्व-प्रेरित शोर में वृद्धि और संभावित संवेदनशीलता में कमी का कारण बनती हैं। फिजिक्स ऑफ फ्लूइड्स में प्रकाशित लेख के लेखकों ने उल्लेख किया कि प्राप्त परिणाम पनडुब्बी वाहनों के लिए हाइड्रोडायनामिक सेंसर विकसित करने में उपयोगी हो सकते हैं।