वैज्ञानिकों ने तरल पदार्थों को ऑप्टिकल फाइबर में लपेटकर नकारात्मक दबाव में उनके रूपांतरण का अध्ययन करने के लिए एक अभिनव विधि विकसित की है। यह तकनीक प्रकाश और ध्वनि तरंगों का उपयोग करके दबाव को मापने का एक सरल तरीका प्रदान करती है, जिससे थर्मोडायनामिक्स और रासायनिक प्रतिक्रियाओं में नई खोजों का मार्ग प्रशस्त होता है। एक भौतिक मात्रा के रूप में, दबाव विभिन्न क्षेत्रों में मौजूद है: मौसम विज्ञान में वायुमंडलीय दबाव, चिकित्सा में रक्तचाप, और यहां तक कि दैनिक जीवन में प्रेशर कुकर और वैक्यूम-सीलबंद खाद्य पदार्थ।
तरल से भरी कांच की केशिका की कलात्मक छाप। ऑप्टिकल फाइबर में तरल पदार्थों को समाहित करके, वैज्ञानिकों ने सेंसर के रूप में ध्वनि तरंगों का उपयोग करके नकारात्मक दबाव प्रभाव को देखा और मापा। छवि स्रोत: ©LongHuyDao
दबाव को किसी ठोस, तरल या गैस की सतह पर सामान्य रूप से प्रति इकाई क्षेत्र पर लगने वाले बल के रूप में परिभाषित किया जाता है। एक बंद प्रणाली में बल की दिशा के आधार पर, चरम मामलों में अत्यधिक उच्च दबाव विस्फोटक प्रतिक्रियाओं का कारण बन सकता है, जबकि एक बंद प्रणाली में बेहद कम दबाव प्रणाली के विस्फोट का कारण बन सकता है।
अत्यधिक दबाव का तात्पर्य हमेशा एक गैस या तरल पदार्थ से होता है जो किसी कंटेनर की दीवारों को अंदर से निचोड़ता है, जैसे कि अधिक हवा डालने पर गुब्बारा फैलता है। उच्च दबाव या निम्न दबाव के बावजूद, सामान्य परिस्थितियों में, दबाव का संख्यात्मक मान हमेशा सकारात्मक होता है।
हालाँकि, तरल पदार्थों में एक विशेष गुण होता है। वे नकारात्मक दबाव मान के अनुरूप एक विशिष्ट परिवर्तनशील स्थिति में मौजूद हो सकते हैं। इस परिवर्तनशील स्थिति में, छोटे-छोटे बाहरी प्रभाव भी सिस्टम को एक या दूसरे स्थिति में ढहने का कारण बन सकते हैं। इसे ऐसे समझें जैसे कि आप एक रोलर कोस्टर के शीर्ष पर बैठे हैं: एक तरफ या दूसरी तरफ हल्का सा स्पर्श आपको ट्रैक से नीचे गिरा देता है।
वर्तमान अध्ययन में वैज्ञानिक नकारात्मक दबाव में तरल पदार्थों के कायापलट का अध्ययन कर रहे हैं। इस प्रयोजन के लिए, अनुसंधान दल ने नेचर फिजिक्स में प्रकाशित एक अध्ययन में विभिन्न थर्मोडायनामिक अवस्थाओं को मापने के लिए दो अनूठी तकनीकों को संयोजित किया।
सबसे पहले, तरल की छोटी (नैनोलीटर) मात्रा को पूरी तरह से बंद ऑप्टिकल फाइबर में समाहित किया जाता है, जिससे इसमें उच्च सकारात्मक और नकारात्मक दोनों दबाव हो सकते हैं। इसके बाद, तरल में प्रकाश और ध्वनि तरंगों की विशेष बातचीत के माध्यम से, तरल की विभिन्न अवस्थाओं में दबाव और तापमान के प्रभावों को संवेदनशील रूप से मापा जा सकता है। ध्वनि तरंगें सेंसर के रूप में कार्य करती हैं जो नकारात्मक दबाव मूल्यों का पता लगाती हैं, उच्च परिशुद्धता और विस्तृत स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ पदार्थ की इस अनूठी स्थिति की खोज करती हैं।
(बाएं से दाएं) प्रयोगशाला में एंड्रियास गिलेन और एलेक्जेंड्रा पोप के साथ अनुसंधान टीम के नेता बिरगिट स्टिलर। छवि स्रोत: ©फ्लोरियनरिटर,एमपीएल
नकारात्मक दबाव और मापन तकनीकों के प्रभाव
तरल पर नकारात्मक दबाव के प्रभाव की कल्पना इस प्रकार की जा सकती है: थर्मोडायनामिक्स के नियमों के अनुसार, तरल की मात्रा कम हो जाएगी, लेकिन ग्लास फाइबर केशिका में आसंजन बल से तरल प्रभावित होगा, जैसे पानी की बूंदें आपकी उंगलियों से चिपक जाती हैं। इससे तरल पदार्थ "खिंचाव" का कारण बनता है। तरल पदार्थ अलग हो जाता है, जैसे रबर बैंड खींचा जा रहा हो।
इस विदेशी स्थिति को मापने के लिए अक्सर परिष्कृत उपकरणों और बढ़ी हुई सुरक्षा सावधानियों की आवश्यकता होती है। उच्च दबाव एक खतरनाक काम है, खासकर जहरीले तरल पदार्थों के साथ। इस अध्ययन में शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किया गया कार्बन डाइसल्फ़ाइड एक ऐसा तरल है। इस जटिलता के कारण, नकारात्मक दबाव उत्पन्न करने और निर्धारित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पिछले माप उपकरणों के लिए बड़ी मात्रा में प्रयोगशाला स्थान की आवश्यकता होती थी और यहां तक कि स्थिर स्थिति में सिस्टम में गड़बड़ी भी होती थी।
इस लेख में वर्णित विधि का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक छोटा, सरल उपकरण विकसित किया है जो प्रकाश और ध्वनि तरंगों का उपयोग करके बहुत सटीक दबाव माप सकता है। इस उद्देश्य के लिए उपयोग किया जाने वाला ऑप्टिकल फाइबर केवल मानव बाल जितना मोटा होता है।
शोधकर्ताओं की टिप्पणियाँ
एमपीएल में क्वांटम फोटोकॉस्टिक्स अनुसंधान समूह के प्रमुख डॉ. बिरगिट स्टिलर ने कहा, "जब नई माप विधियों को नए प्लेटफार्मों के साथ जोड़ा जाता है, तो कुछ घटनाएं जो सामान्य और स्थापित तरीकों से तलाशना मुश्किल होती हैं, आश्चर्यजनक रूप से सुलभ हो जाती हैं। मुझे यह बहुत रोमांचक लगता है।" अनुसंधान टीम ने ध्वनि तरंगों का उपयोग किया जो ऑप्टिकल फाइबर के साथ तापमान, दबाव और तनाव में परिवर्तन का पता लगाने के लिए बहुत संवेदनशील हो सकती हैं। इसके अलावा, स्थानिक रूप से हल किए गए माप किए जा सकते हैं, जिसका अर्थ है कि ध्वनि तरंगें इसकी लंबाई के साथ सेंटीमीटर-स्तर के रिज़ॉल्यूशन के साथ फाइबर के अंदर क्या हो रहा है इसकी एक छवि प्रदान कर सकती हैं।
लेख के दो प्रमुख लेखकों में से एक एलेक्जेंड्रा पोप ने कहा, "हमारी पद्धति हमें इस अद्वितीय फाइबर ऑप्टिक प्रणाली की थर्मोडायनामिक निर्भरता की गहरी समझ हासिल करने की अनुमति देती है।"
एक अन्य प्रमुख लेखक, एंड्रियास गिलेन ने कहा: "माप से कुछ आश्चर्यजनक प्रभाव सामने आए। ध्वनि तरंगों की आवृत्ति को देखने पर नकारात्मक दबाव की स्थिति का अवलोकन बहुत स्पष्ट हो जाता है।"
संभावित अनुप्रयोग और समापन टिप्पणियाँ
कसकर सील किए गए केशिका फाइबर के साथ फोटोकॉस्टिक माप के संयोजन से माइक्रोरिएक्टरों में अध्ययन करने में मुश्किल सामग्री और जहरीले तरल पदार्थों की रासायनिक प्रतिक्रियाओं की निगरानी में नई खोज हो सकती है। यह थर्मोडायनामिक्स के नए और दुर्गम क्षेत्रों में प्रवेश कर सकता है।
आईपीएचटी जेना के प्रोफेसर मार्कस श्मिट और आईपीएचटी जेना के डॉ. मारियो चेमनित्ज़ भी इस बात पर जोर देते हैं: "पूरी तरह से सीलबंद तरल-कोर फाइबर का यह नया मंच उच्च दबाव और अन्य थर्मोडायनामिक वातावरण तक पहुंच की अनुमति देता है। इस फाइबर में नॉनलाइनियर ऑप्टिकल घटना का अध्ययन करना या यहां तक कि इसे और अधिक अनुकूलित करना बहुत सार्थक है।"
ये घटनाएं सामग्री की अद्वितीय थर्मोडायनामिक स्थिति में पहले से अज्ञात संभावित नए गुणों को अनलॉक कर सकती हैं।
बिरगिट स्टिलर ने निष्कर्ष निकाला: "एरलांगन और जेना में हमारे अनुसंधान समूह एक छोटे और आसानी से संचालित होने वाले ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म पर थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं और स्थितियों में नई अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए अपनी संबंधित विशेषज्ञता पर विशिष्ट रूप से सहयोग कर रहे हैं।"