सक्रिय पदार्थ का रोमांचक क्षेत्र सामूहिक व्यवहार की जटिलताओं को उजागर करने का प्रयास करता है

पक्षियों के झुंड और मछलियों के झुंड एक साथ सुंदर पैटर्न में कैसे चलते हैं? भीड़भाड़ वाले मुंबई रेलवे स्टेशन से उनमें क्या समानता है? ऐसे सवालों के जवाब सक्रिय पदार्थ के क्षेत्र में हैं।

सक्रिय पदार्थ कणों या इकाइयों के ऐसे संग्रह को कहते हैं जिनमें ऊर्जा को उपयोगी कार्य में बदलने की क्षमता होती है। भौतिकी विभाग में एसोसिएट प्रोफेसर प्रेरणा शर्मा हंसते हुए कहती हैं, “किसी संगीत समारोह में नाचते हुए मनुष्य सक्रिय पदार्थ होते हैं।” सक्रिय पदार्थ विभिन्न पैमानों पर मौजूद हो सकते हैं। “जीवित ऊतक जिसमें एक जीव बना होता है वह सक्रिय पदार्थ होता है, जो कोशिकाओं से बना होता है जो सक्रिय एजेंट होते हैं। भौतिकी विभाग में मानद प्रोफेसर और इस क्षेत्र के अग्रणी श्रीराम रामास्वामी बताते हैं, “पक्षियों के झुंड में, जीव स्वयं सक्रिय एजेंट होते हैं और झुंड सक्रिय पदार्थ होता है।”

सक्रिय पदार्थ के सिद्धांतों का उपयोग करते हुए, आईआईएससी के भौतिक विज्ञानी जैविक प्रणालियों के संगठन को नियंत्रित करने वाले सामान्य नियमों और सिद्धांतों को समझने की कोशिश कर रहे हैं: बैक्टीरिया के झुंड से लेकर पक्षियों के झुंड तक। आईआईएससी के जीवविज्ञानी कैंसर के प्रसार और शुक्राणु गतिशीलता जैसी घटनाओं को समझने के लिए सक्रिय पदार्थ का अध्ययन भी कर रहे हैं। माइक्रोचैनल में प्रवाह जैसी औद्योगिक और नैदानिक समस्याओं को बेहतर ढंग से समझने के लिए इंजीनियर सक्रिय पदार्थ का उपयोग कर रहे हैं।

लुप्त समीकरण

सक्रिय पदार्थ के क्षेत्र की शुरुआत लगभग 30 साल पहले नरम पदार्थ का अध्ययन करने वाले भौतिकविदों से की जा सकती है। कोई भी चीज़ जो नरम है और जिसे आसानी से विकृत किया जा सकता है, नरम पदार्थ के अंतर्गत आती है। नरम पदार्थ में विस्कोइलास्टिसिटी जैसे दिलचस्प गुण दिखाई देते हैं – तरल पदार्थ की तरह बहने की क्षमता लेकिन ठोस पदार्थ की तरह विरूपण के बाद भी आकार बनाए रखना। भौतिकशास्त्रियों की रुचि नरम पदार्थ में थी क्योंकि यह जीवित प्रणालियों में उत्पन्न होता है। जीवन स्वयं, तथा सजीव जगत में अनेक घटनाएं (जैसे भ्रूण विकास के दौरान विभिन्न ऊतकों का निर्माण करने के लिए कोशिकाओं की सामूहिक गति) उद्भव के उदाहरण हैं – सामूहिकता के ऐसे गुण, जिनका अनुमान व्यक्तिगत कणों के व्यवहार से नहीं लगाया जा सकता। भौतिकविदों ने सिद्धांत और प्रयोगों में, जीवित प्रणालियों के सामूहिक उभरते गुणों का अध्ययन किया, और कणों के एक संग्रह के लिए समीकरण लिखने की कोशिश की जो खुद को आगे बढ़ाने और स्थानांतरित करने के लिए ऊर्जा का उपभोग कर सकते हैं। इस प्रकार सक्रिय पदार्थ के क्षेत्र का जन्म हुआ।

वर्ष 1995 में एक बड़ी सफलता तब मिली जब आईबीएम के वाटसन रिसर्च सेंटर में संघनित पदार्थ भौतिक विज्ञानी जॉन टोनर और युहाई टू ने सक्रिय कारकों जैसे कि पक्षियों को एक सुसंगत झुंड के रूप में घूमते हुए स्थानीय घनत्व और वेग क्षेत्रों के संदर्भ में वर्णित करने के लिए समीकरण लिखे, न कि व्यक्तिगत प्राणियों के संदर्भ में। हालाँकि, समीकरणों में तरल माध्यम के भीतर एजेंटों के तैरने से उत्पन्न प्रवाह के माध्यम से उनके बीच हाइड्रोडायनामिक अंतःक्रियाओं को ध्यान में नहीं रखा गया। श्रीराम के समूह ने ऐसे समीकरण बनाए जिनमें ऐसी लुप्त तरल अंतःक्रियाएं शामिल थीं। उनके समीकरणों ने एक अप्रत्याशित परिणाम की भविष्यवाणी की: पक्षियों के झुंडों में देखी जाने वाली व्यवस्थित व्यवस्था, चिपचिपे हाइड्रोडायनामिक इंटरैक्शन के कारण काफी हद तक बाधित हो जाती है।

धीरे चलना ही बुद्धिमानी है

प्रेरणा, जो पेशे से भौतिक विज्ञानी हैं, जैविक प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए सक्रिय पदार्थ के ढांचे का भी उपयोग करती हैं। उनका समूह अध्ययन करता है कि क्लैमाइडोमोनस रेनहार्ड्टी, एककोशिकीय शैवाल, प्रकाश की ओर कैसे बढ़ते हैं। जबकि जीवविज्ञानी व्यक्तिगत कोशिकाओं में शैवाल की इस “फोटोटैक्टिक” प्रकृति का अध्ययन कर रहे हैं, प्रेरणा की प्रयोगशाला यह जानने में लगी हुई थी कि कोशिकाओं की संख्या प्रकाश की ओर उनकी गति को कैसे प्रभावित कर सकती है। प्रेरणा कहती हैं, “यदि आप कोशिकाओं के एक समूह को प्रकाश की ओर दौड़ते हुए देखें, तो आप देखेंगे कि एक निश्चित अंश गलत दिशा में दौड़ रहा है।”

घनत्व बढ़ने के साथ, गलत दिशा में चलने वाली कोशिकाओं की संख्या में वृद्धि होती है, लेकिन केवल एक निश्चित बिंदु तक। हालांकि, इष्टतम घनत्व के बाद, कोशिकाओं का एक बड़ा हिस्सा प्रकाश स्रोत की ओर सही ढंग से चलता है। प्रेरणा कहती हैं, “अर्थात्, कोशिकाएं तब बेहतर काम करती हैं जब एक साथ बहुत सारी कोशिकाएं हों।” उन्होंने अनुमान लगाया कि क्या कोरम सेंसिंग – बड़े समूहों में रसायनों के माध्यम से सामूहिक संवेदन – इसका कारण हो सकता है, लेकिन वे अपने परिणामों की व्याख्या करने के लिए कोई रासायनिक तंत्र नहीं खोज सके। प्रेरणा बताती हैं, “इसके बजाय, हमने पाया कि जब आप सांद्रता बढ़ाते हैं तो कोशिकाओं की गति की गति कम हो जाती है और गति में यह कमी उन्हें बेहतर प्रदर्शन करने में मदद करती है। गति में यह कमी कोशिकाओं द्वारा प्रकाश का पता लगाने के तरीके को प्रभावित करती है और उन्हें कम गलतियाँ करने में सक्षम बनाती है।”

वास्तविक दुनिया में

श्रीराम कहते हैं, “जैसे हम ठोस, तरल या शायद चुंबक और प्लाज्मा जैसे पदार्थों की अवस्थाओं का अध्ययन करते हैं, वैसे ही हम इस [सक्रिय पदार्थ] का अध्ययन भौतिकी की एक शाखा के रूप में करते हैं।” हालांकि, वे चेतावनी देते हैं कि उनके समीकरणों पर आधारित सभी भविष्यवाणियों का वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग नहीं होगा।

लेकिन कुछ इंजीनियरों का मानना ​​है कि इस तरह के निष्कर्ष औद्योगिक और नैदानिक ​​समस्याओं का समाधान प्रदान कर सकते हैं।

इंजीनियर के रूप में प्रशिक्षित, डैनी राज , रासायनिक इंजीनियरिंग विभाग में डीएसटी-इंस्पायर संकाय सदस्य, अपनी पीएचडी के दौरान माइक्रोचैनल के भीतर पानी में तेल की बूंदों की गतिशीलता का अध्ययन करते समय सक्रिय पदार्थ से मोहित हो गए। इंजीनियर आमतौर पर नेवियर स्टोक्स समीकरण का उपयोग करते हैं, लेकिन इन प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए इसका उपयोग करना कम्प्यूटेशनल रूप से कठिन था। डैनी कहते हैं, “मैंने सरल मॉडल खोजने के लक्ष्य के साथ शुरुआत की और ‘सामूहिक गतिशीलता’ शब्द पर ध्यान दिया, जो कि सक्रिय पदार्थ शोधकर्ताओं की भी रुचि का हिस्सा है।”

इंजीनियर यह समझने में भी रुचि रखते हैं कि समूह के भीतर एक व्यक्तिगत इकाई किस तरह से व्यवहार करती है। उदाहरण के लिए, हालांकि पक्षी झुंड के रूप में सामूहिक रूप से उड़ते हैं, लेकिन एक अकेला पक्षी अपनी दिशा कैसे तय करता है? अलग-अलग जानवर खो जाने से बचने और शिकारियों से सुरक्षित रहने के लिए समूह में ही रहते हैं, साथ ही एक-दूसरे से टकराने से भी बचते हैं।

डैनी का समूह ऐसे व्यक्तिगत व्यवहार को समझने पर काम कर रहा है। उनकी प्रयोगशाला सामूहिक डेटा को फिट करने और व्यक्तिगत स्तर की बातचीत का अनुमान लगाने के लिए कम्प्यूटेशनल टूल का उपयोग करती है। “अगर आप मुंबई रेलवे स्टेशन पर ऊपर से चलते हुए लोगों को देखें, तो हम यह पता नहीं लगा पाएंगे कि वे किस दिशा में जाना चाहते हैं, क्योंकि उन्हें सभी दिशाओं में धकेला जाता है। डैनी बताते हैं, “अगर हम सिर्फ़ एक व्यक्ति को देखें और वह दाईं ओर चले, तो हम सोच सकते हैं कि वह दाईं ओर जाना चाहता है। हो सकता है कि वह बाईं ओर जाना चाहता हो, लेकिन भीड़ ने उसे दाईं ओर धकेल दिया हो।” आंकड़ों की ऐसी गलत व्याख्याओं से बचने के लिए, आंकड़ों का विश्लेषण करते समय स्थानीय स्तर की अंतःक्रियाओं को स्पष्ट रूप से शामिल करना आवश्यक है।

डैनी जैसे इंजीनियर यह समझने में भी रुचि रखते हैं कि सक्रिय पदार्थ पर्यावरण में होने वाले बदलावों के अनुकूल कैसे हो सकते हैं। हाल ही में, स्विट्जरलैंड में इंजीनियरों की एक टीम ने चुंबकीय क्षेत्र द्वारा संचालित छोटी डिस्क के आकार में एक माइक्रोरोबोट कलेक्टिव बनाया। यह अलग-अलग ‘व्यवहार’ दिखा सकता है जैसे कि चैनलों के माध्यम से आगे बढ़ना और हवा-पानी के इंटरफेस में बाधाओं को पार करना। पारंपरिक रोबोटों के विपरीत, ऐसे माइक्रोरोबोट खुद को फिर से कॉन्फ़िगर कर सकते हैं और पर्यावरण में बदलाव के अनुसार एक विशिष्ट व्यवहार चुन सकते हैं, जिससे वे तेल रिसाव जैसे जटिल वातावरण के लिए उपयुक्त हो जाते हैं, जहाँ पारंपरिक रोबोट नेविगेट करने में सक्षम नहीं हो सकते हैं। सक्रिय पदार्थ को बेहतर ढंग से समझकर, शीघ्र ही ऐसी संश्लिष्ट प्रणालियों का निर्माण संभव हो सकेगा, जो जीवित प्रणालियों के समान ही आकर्षक व्यवहार प्रदर्शित करेंगी।