নরম পদার্থের পদার্থবিদ্যা: টুথপেস্টের প্রবাহ ও পিচ ড্রপ পরীক্ষার তাৎপর্য

প্রতিদিনের টুথপেস্ট ব্যবহারের সাধারণ কাজটি বাহ্যিক চাপের প্রতি পদার্থের প্রতিক্রিয়া নিয়ন্ত্রণকারী উন্নত পদার্থবিদ্যার নীতিগুলির একটি বাস্তব উদাহরণ। টুথপেস্ট এমন একটি উপাদান যা বাহ্যিক বল প্রয়োগে সহজে প্রবাহিত হয়, কিন্তু স্থির অবস্থায় একটি নির্দিষ্ট কাঠামো বজায় রাখে, যা এটিকে কঠিন ও তরল পদার্থের সরল শ্রেণিবিন্যাস থেকে আলাদা করে। এই ধরনের পদার্থ, যার মধ্যে জেল, ক্রিম এবং পেস্ট অন্তর্ভুক্ত, সেগুলিকে 'নরম পদার্থ' (soft matter) হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়, যা একই সাথে কঠিন ও তরল উভয় অবস্থার বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করতে সক্ষম। নরম পদার্থের এই দ্বৈত প্রকৃতি এর অভ্যন্তরীণ কাঠামোর কারণে উদ্ভূত হয়, যা একটি তরল মাধ্যমে স্থগিত থাকা বৃহৎ আণবিক উপাদান, যেমন ফোঁটা বা লম্বা ম্যাক্রোমলিকিউল দ্বারা গঠিত। এই কাঠামোগত উপাদানগুলি তুলনামূলকভাবে দুর্বল শক্তি দ্বারা একে অপরের সাথে যুক্ত থাকে, যা বাহ্যিক যান্ত্রিক চাপের সম্মুখীন হলে উপাদানটিকে ভঙ্গুর অথচ অত্যন্ত অভিযোজনক্ষম প্রতিক্রিয়া প্রোফাইল প্রদান করে।

পদার্থের এই স্থূল আচরণ প্রয়োগ করা বলের তীব্রতা এবং সেই বল প্রয়োগের সময়কাল বা টাইমস্কেলের উপর গভীরভাবে নির্ভরশীল। যখন একটি টিউবকে হঠাৎ জোরে চাপ দেওয়া হয়, তখন টুথপেস্টের ভেতরের কাঠামোগত জালিকা দ্রুত পুনর্বিন্যাসিত ও পুনর্গঠিত হয়, যা উপাদানটিকে অপেক্ষাকৃত সহজে প্রবাহিত হতে দেয়। শ্যাম্পুর বোতল ঝাঁকানোর সময়ও একই ধরনের ঘটনা ঘটে, যেখানে কীট-সদৃশ অণুগুলি সারিবদ্ধ হয়, ফলে প্রতিরোধ ক্ষমতা হ্রাস পায় এবং মসৃণভাবে ঢালা সহজ হয়। পদার্থবিজ্ঞানীরা এই সময় ও বল-নির্ভর উপাদান প্রতিক্রিয়াকে 'রিওলজি' (rheology) নামক বিশেষ ক্ষেত্রে পরিমাপ করেন, যা প্রযুক্ত বলের অধীনে পদার্থের বিকৃতি এবং প্রবাহের পরীক্ষার জন্য উৎসর্গীকৃত।

এই অবিরাম পরিবর্তনের ধারণাটি প্রাচীন গ্রীক দার্শনিক হেরাক্লিটাসের পর্যবেক্ষণকে স্মরণ করিয়ে দেয়: 'পান্তা রেই', যার অর্থ 'সবকিছুই প্রবাহিত হয়'। এই গভীর ধারণাটি তার সবচেয়ে স্থায়ী, দৃশ্যমান প্রকাশ খুঁজে পায় কুইন্সল্যান্ড বিশ্ববিদ্যালয়ে (University of Queensland) ১৯২৭ সালে অধ্যাপক টমাস পার্নেল দ্বারা শুরু হওয়া পিচ ড্রপ পরীক্ষায়, যা ছিল সেই প্রতিষ্ঠানের প্রথম পদার্থবিদ্যার অধ্যাপক। এই পরীক্ষাটি বিশেষভাবে শিক্ষার্থীদের বোঝানোর জন্য নকশা করা হয়েছিল যে কঠিন বলে মনে হওয়া পদার্থগুলিতেও আশ্চর্যজনকভাবে তরল বৈশিষ্ট্য থাকতে পারে। পার্নেল আলকাতরার একটি উপজাত, যা একসময় জলরোধী করার জন্য ব্যবহৃত হত, সেই পিচের একটি উত্তপ্ত নমুনা একটি কাঁচের ফানেলে ঢেলেছিলেন এবং এর কাণ্ডটি সিল করে দিয়েছিলেন, এরপর তিন বছর ধরে এটিকে ঠান্ডা ও স্থিতিশীল হতে দিয়েছিলেন এবং অবশেষে ১৯৩০ সালে কাণ্ডটি কেটে দেন। এই পিচকে এমন একটি তরল হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়েছে যার সান্দ্রতা ঘরের তাপমাত্রায় জলের চেয়ে ১০০ বিলিয়ন থেকে ২৩০ বিলিয়ন গুণ বেশি বলে অনুমান করা হয়, যা এটিকে পৃথিবীর সবচেয়ে ঘন পরিচিত তরল করে তুলেছে।

কাণ্ডটি বিচ্ছিন্ন করার পর থেকে, ফানেল থেকে মাত্র নয়টি ফোঁটা পড়ার রেকর্ড করা হয়েছে, যার মধ্যে সপ্তম ফোঁটাটি ১৯৮৮ সালের জুলাই মাসে পড়েছিল এবং নবম ফোঁটাটি ২০১৪ সালের এপ্রিলে অষ্টম ফোঁটার সাথে মিলিত হয়েছিল। এই প্রদর্শনীর প্রবাহের হার পরিবেষ্টিত অবস্থার প্রতি সংবেদনশীল, কারণ এটি সেন্ট লুসিয়া ক্যাম্পাসের পার্নেল বিল্ডিংয়ে (Building 7) একটি প্রদর্শনীর বাক্সে রাখা হয়, যার ফলে মৌসুমী তাপমাত্রার ওঠানামা ফোঁটা পড়ার হারকে প্রভাবিত করে। প্রয়াত অধ্যাপক জন মেইনস্টোন, যিনি ১৯৬১ সালে দ্বিতীয় তত্ত্বাবধায়ক হিসাবে দায়িত্ব গ্রহণ করেন এবং ৫২ বছর ধরে দায়িত্ব পালন করেন, দুর্ভাগ্যবশত কোনো ফোঁটা পড়তে দেখার আগেই মারা যান, যেমনটি পার্নেলও দেখেছিলেন। গিনেস ওয়ার্ল্ড রেকর্ডধারী এই দীর্ঘতম চলমান পরীক্ষাগার প্রদর্শনীর বর্তমান তত্ত্বাবধান করছেন তৃতীয় তত্ত্বাবধায়ক অধ্যাপক অ্যান্ড্রু হোয়াইট। হোয়াইটের তত্ত্বাবধানে, ২০১৪ সালের ২৪ এপ্রিল নবম ফোঁটাটি পর্যবেক্ষণ করা হয়, যখন তিনি সংগ্রহের বিকারটি প্রতিস্থাপন করেন, এই ঘটনাটি প্রায় ১৬০টি দেশের ৩৫,০০০ এরও বেশি নিবন্ধিত লাইভ স্ট্রিম দর্শক দেখেছিলেন। দশম ফোঁটাটি ২০২০-এর দশকে যেকোনো সময় পড়ার প্রত্যাশা করা হচ্ছে।

রিওলজি গবেষণা একটি প্রাণবন্ত, আন্তঃবিভাগীয় ক্ষেত্র হিসাবে রয়ে গেছে, যা ফার্মাসিউটিক্যালস, খাদ্য প্রযুক্তি এবং প্রসাধনী শিল্পের মতো খাতে প্রক্রিয়া এবং পণ্যের গুণমান অপ্টিমাইজ করার জন্য গুরুত্বপূর্ণ। টুথপেস্টের মতো পদার্থ অন্তর্ভুক্তকারী নরম পদার্থের অধ্যয়ন গঠন এবং উত্পাদনকে অনুকূল করার জন্য অপরিহার্য, যেমনটি থিক্সোট্রপি এবং ইয়েল্ড স্ট্রেসের মতো বৈশিষ্ট্যের ভিত্তিতে কমার্শিয়াল ব্র্যান্ড যেমন কোলগেট, ডার্লি এবং ইউনান বাইয়াও-এর তুলনামূলক গবেষণায় দেখা যায়। আইআইটি-ভুবনেশ্বরের সহকারী অধ্যাপক এবং এমআইটি-এর গবেষণা সহযোগী ডঃ ইন্দ্রেশ যাদবের মতো গবেষকরা মৌলিক ধারণাগুলিকে ব্যবহারিক প্রয়োগের সাথে সংযুক্ত করে নরম পদার্থের পদার্থবিদ্যার বোঝাপড়াকে এগিয়ে নিয়ে যাচ্ছেন। এই পরীক্ষাটি প্রমাণ করে যে আপাতদৃষ্টিতে কঠিন বস্তুও সময়ের সাথে সাথে তরল ধর্ম প্রদর্শন করতে পারে, যা প্রসাধনী এবং খাদ্য শিল্পে ব্যবহৃত জটিল পদার্থের আচরণ বোঝার জন্য রিওলজির গুরুত্বকে তুলে ধরে।