नवीन संशोधनाने सिद्ध केले की रंग किंवा शाईच्या वाळलेल्या डागाचा आकार त्यातील कणांच्या आकारमान व प्रमाणावर अवलंबून असते

इंकजेट प्रिंटरसाठी ठराविकच शाई वापरावी असे का बरं सांगितले जाते?  कुठला इतर रंग किंवा वेगळी शाई वापरली तर का चालत नसावी? शाई योग्य नसेल तर पूर्ण व एकसमान छ्पाई होत नाही. छापण्यासाठी वापरली जाणारी शाई एक कलिल असते - म्हणजे घनपदार्थाचे बारीक कण द्रव पदार्थात निलंबित असतात. कागदावर एकसमान छापले जावे अश्या रीतीने घन कणांचा आकार व संहती ठरवून शाई तयार केली जाते.

शाईप्रमाणेच द्रव रंग आणि काही औषधे ही देखिल कलिल असतात. रक्त सुद्धा एक कलिल आहे आणि त्याच्या वाळलेल्या डागावरून ज्या व्यक्तीचे ते आहे ती निरोगी आहे किंवा नाही हे ठरवता येऊ शकते. तांब्याचे कलिल इलेक्ट्रॉनिक्स सर्किट बोर्डवर निक्षेपित करून ट्रॅक (रेखापथ) बनवले जातात. ह्या कलिलातील तांब्याच्या कणांचे आकारमान आणि प्रमाण रेखापथाची जाडी सर्वठिकाणी एकसमान असेल अश्या रीतीने नियंत्रित करता येते.  

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई यथील प्रा. राजनीश भारद्वाज व त्यांचा गट, कलिल थरांचा आणि विविध घटकांचा त्यांच्या वैशिष्ट्यांवर होणाऱ्या परिणामांचा अभ्यास करतात. एखाद्या घन पृष्ठभागावर जेव्हा कलिलाचे थेंब वाळतात तेव्हा त्या निक्षेपणांना वैशिष्ट्यपूर्ण आकार आणि जाडी असते. कलिलातील निलंबित कणांचे प्रमाण आणि आकारमान ह्याचा अशा थरांवर कसा परिणाम होतो हे प्रा. भारद्वाज आणि त्यांच्या गटानी नुकत्याच मोनाश विद्यापीठासोबत केलेल्या सहकार्यात्मक अभ्यासात पाहिले. त्यांना असे दिसून आले की जर कलिलातील कणांचे प्रमाण जास्त असेल तर त्याच्या निक्षेपांना भेगा पडण्याची  शक्यता जास्त असते. कलिलातील कणांचे प्रमाण जास्त आणि आकारमान लहान असेल तर अनेक थर असेलेले निक्षेपण तयार होते.

प्रा. भारद्वाज यांनी उद्देशलेला प्रश्न हा  कॉफी-रिंग प्रश्नासारखाच आहे. कॉफीचे डाग मध्यभागापेक्षा परिघावर गडद असतात, हे तुम्ही पाहिले असेल. डाग वाळत असताना बरेचसे कण डागाच्या कडेला साठतात. बरेचसे कलिल, मग ते कुठल्याही घन आणि द्रव पदार्थांनी बनलेले असो, असे वलयाकृती अभिरंजक किंवा डाग तयार करतात.

सदर अभ्यासात संशोधकांनी पॉलिस्टायरिन कण व पाणी यांचे कलिल वापरले आणि ह्या कलिलाचे थेंब स्वच्छ काचेवर कसे निक्षेपित होतात त्याचे निरिक्षण केले. पॉलिस्टायरिनच का? “पॉलिस्टायरिनचे कण आदर्श आहेत. त्यांची घनता पाण्याच्या घनतेइतकी असते,” प्रा. भारद्वाज सांगतात. त्यामुळे ते कण पाण्यात एकसमान पद्धतीने पसरतात आणि तळाशी जाऊन बसत नाहीत.

संशोधकांच्या निरीक्षणात दिसले की जेव्हा कलिल जास्त संहत असते तेव्हा अभिरंजकाचे वलय रुंद असते. कण लहान असतील तर निक्षेपित थरातील भेगा अधिक सुस्पष्ट असतात.

“जेव्हा थेंब वाळू लागतात तेव्हा पॉलिस्टायरिन कण काचेच्या पृष्ठभागाला चिकटू लागतात. आणखी वाळले की ह्या कणांमध्ये प्रतिबल निर्माण होते ज्यामुळे निक्षेपित थराला तडे जाऊ लागतात. जर कण मोठे असतील तर त्यांच्यात आपापसात जास्त जागा असते, ज्यामुळे त्यांच्यात कमी प्रतिबल निर्माण होते आणि थर तडकत नाहीत”, असे प्रा. भारद्वाज यांनी स्पष्ट केले.

या शिवाय संशोधकांना निक्षेपाचे तीन प्रकार आढळून आले; एकेरी थर असलेली तुटक वलये, एकेरी थर असलेली एकसंध वलये आणि अनेक थर असलेली वलये. कलिलातील कण मोठे पण कमी प्रमाणात असल्यावर एकेरी थर असलेली तुटक वलये बनतात, तर प्रमाण जास्त असल्यावर एकेरी थर असलेली एकसंध वलये बनतात. कलिलात जास्त प्रमाणात लहान कण असतील किंवा खूप जास्त प्रमाणात मोठे कण असतील तर वलये अनेक थर असलेली बनतात. कणांचे प्रमाण जास्त असल्यास निक्षेपित वलयाची ऊंची आणि जाडी कश्या पद्धतीने वाढते हे संशोधकांच्या गटाने अभ्यासले. कलिलातील कणांचा वलयाच्या परिघाकडे निक्षेपित होण्याचा दर पण त्यांनी अभ्यासला आणि तो दर गणितीय प्रतिमानांप्रमाणे असल्याचा आढळला.

चिकट आणि पाण्याला आकर्षित करणाऱ्या काचेसारख्या पृष्ठभागावर पडणाऱ्या लहान थेंबाची (बिन्दुक) सीमा किंवा परिघ निश्चित राह्तो. याला “संपर्क रेषेचे पिनिंग किंवा टाचणे” म्हणतात. मात्र चिकट नसलेल्या किंवा पाण्यास प्रतिकर्षित करणाऱ्या पृष्ठभागांवर पाणी पडल्यास त्याला अशी टाचलेली संपर्क रेषा नसते.

“पिनिंग अर्थात परिघाचे टाचणे, पृष्ठभाग आणि द्रव यांच्यातील घर्षणामुळे घडते”, असे प्रा. भारद्वाज सांगतात. जेव्हा कलिलाची संपर्क रेषा पृष्ठभागावर टाचली जाते तेव्हा त्याचे निक्षेप वलयाकृती असतात. बिन्दुक मध्यभागी जाड असतात आणि कडेला पातळ. बिंन्दुकाच्या कडेने द्रवाचे बाष्पीभवन लवकर होते. “संपर्क रेषा निश्चित झाल्यामुळे थेंबाचा आकार कमी होऊ शकत नाही, त्यामुळे बिंदुकातील द्रव मध्याकडून परिघाकडे वाहतो. हा प्रवाह सूक्ष्म थेंबातील कण सोबत घेऊन जातो आणि त्यांचे वलय बनते”, असे प्रा. भारद्वाज स्पष्ट करतात.

एखाद्या कलिलाचा निक्षेप एक थर असलेला बनेल का अनेक थर असलेला, त्यास भेगा पडतील की नाही ह्याचे पूर्वानुमान करण्यासाठी संशोधकांनी कणांचे आकारमान आणि संहती यावर आधारित एक तक्ता बनविला. विशिष्ट अनुप्रयोगासाठी कलिलातील कणांचे गुणधर्म काय असावेत हे ठरवण्यासाठी ह्या तक्त्याचा उपयोग करता येऊ शकतो.

“इंकजेट प्रिंटर आणि जैव अमापनामध्ये वापरता येऊ शकेल असा निक्षेप एकसमान असावा लागतो, कॉफी-रिंग सारखा वलयाकृती नाही. असा निक्षेप तयार करता येऊ शकणे, हा या प्रकल्पाचा दीर्घकालीन हेतू आहे”, असेही प्रा. भारद्वाज सांगतात.

आता एखाद्या कोऱ्या भिंतीकडे बघताना, रंगाला (द्रव रंग एक कलिल असते) भेगा कशा पडलेल्या नाहीत असे तुम्हाला वाटेल, तेव्हा तुम्ही नक्की ओळखू शकाल की थराची इष्टतम जाडी राखण्याकरिता कणांचा आकार योग्य तितका मोठा आणि संहती योग्य तेवढी ठेवली गेली असेल.

एक रंजक बाब-

कॉफी-रींग प्रश्न हा गणितीय दृष्ट्या रोज पाहण्यात येणाऱ्या इतर अनेक प्रश्नांसारखा आहे, असे प्रा. भारद्वाज निदर्शनास आणून देतात. आपण पाहतो की फ्रेंच फ्राईज चा रंग कडांना जास गडद होतो. गरम तेलात तळताना उष्मांतरण आतील भागापेक्षा त्यांच्या कडांना जास्त होते. गणितीय दृष्ट्या, बाष्पीभवन होणाऱ्या एखाद्या सूक्ष्म थेंबालगतच्या बाष्पाचे प्रमाण जसे बदलते, तसेच हे उष्मांतरण होते. विद्युत अवरोधकाच्या कडेने होणारे प्रभाराचे एकत्रीकरण हे सुद्धा असेच असते. उष्मा, बाष्पाचे प्रमाण आणि प्रभार घनता हे तिन्ही शोधण्यासाठी लाप्लास समीकरण सोडवावे लागते. उष्मा, कलिल आणि प्रभार या भिन्न क्षेत्रातील शास्त्र हे समान धाग्यात गुंफलेले आहेत.