क्या आपने कभी ऐसा वीडियो देखा है जिसमें सर्दियों के किसी ठंडे दिन बरामदे में रखी पेयजल की बोतल निकालकर उसका ढक्कन खोलते ही सामान्य दिखने वाला पानी पल भर में सफेद बर्फ में बदल जाता है? तापमान निश्चित रूप से शून्य से नीचे था, फिर भी पानी बिना जमे तरल बना रहा और एक मामूली झटके से एक साथ जम गया।
हम पढ़ते हैं कि पानी 0℃ पर जमता है, लेकिन वास्तव में कभी-कभी वह 0℃ से भी अधिक ठंडा होने पर तुरंत नहीं जमता। किसी द्रव का अपने हिमांक से नीचे तक ठंडा होने के बावजूद ठोस में बदले बिना तरल अवस्था में बने रहना ‘अतिशीतलन (Supercooling)’ कहलाता है।
इस लेख में हम क्रम से समझेंगे कि अतिशीतलन क्या है, यह क्यों होता है, प्रकृति और रोजमर्रा के जीवन में यह किन रूपों में दिखाई देता है और अतिशीतलन के साथ काम करते समय किन बातों की जानकारी होनी चाहिए।
अतिशीतलन को समझना
हिमांक से नीचे भी न जमने वाला द्रव
अतिशीतलन वह घटना है जिसमें किसी पदार्थ की अवस्था बदलने का तापमान पार हो जाने के बाद भी उसकी मूल अवस्था बनी रहती है। पानी के मामले में इसका अर्थ है कि वह 0℃ से नीचे जाने पर भी बर्फ बने बिना पानी ही बना रहता है। इस अवस्था के पानी को ‘अतिशीतलित जल’ कहते हैं।
अतिशीतलित द्रव दिखने में सामान्य पानी से अलग नहीं लगता, लेकिन उसकी अवस्था बहुत अस्थिर होती है। ढलान पर किसी तरह रुकी हुई गेंद की तरह, एक छोटा-सा कारण मिलते ही वह अधिक स्थिर अवस्था, यानी बर्फ में तेजी से बदलने को तैयार रहता है। इसलिए बोतल हिलाने या उसमें बर्फ का टुकड़ा डालने पर बर्फ के क्रिस्टल पल भर में फैल जाते हैं।
अतिशीतलन केवल पानी में ही नहीं होता। यह धातुओं, काँच बनाने की सामग्री और विभिन्न विलयनों में भी दिखाई देता है तथा रसायन विज्ञान और पदार्थ अभियांत्रिकी में अध्ययन का एक महत्त्वपूर्ण विषय है।
अतिशीतलन का पहला लिखित विवरण दर्ज करने का श्रेय तापमान पैमाने के लिए प्रसिद्ध जर्मन मूल के वैज्ञानिक डैनियल गैब्रियल फ़ारेनहाइट (Daniel Gabriel Fahrenheit) को दिया जाता है। उन्होंने बताया कि 1724 में उन्होंने देखा कि हवा निकाले गए काँच के पात्र में रखा पानी हिमांक से अधिक ठंडा होने पर भी नहीं जमा, लेकिन पात्र हिलाते ही तुरंत जम गया। यह अवलोकन उन शुरुआती अभिलेखों में शामिल है जो दिखाते हैं कि पानी कब जमेगा, यह केवल तापमान से तय नहीं होता।
पानी तुरंत क्यों नहीं जमता?
अतिशीतलन इसलिए होता है क्योंकि किसी द्रव को ठोस बनने के लिए पहले एक ‘बीज’ की आवश्यकता होती है।
(1) जमने के लिए क्रिस्टल नाभिक चाहिए
पानी के जमने के लिए पहले पानी के कुछ अणुओं को बर्फ जैसी सुव्यवस्थित संरचना में इकट्ठा होकर एक छोटा समूह बनाना पड़ता है। इस समूह को क्रिस्टल नाभिक कहते हैं और इसके बनने की प्रक्रिया को नाभिकन (Nucleation) कहते हैं। यदि क्रिस्टल नाभिक बहुत छोटा हो, तो वह जल्दी ही फिर बिखर जाता है, इसलिए बर्फ तभी फैल सकती है जब वह एक निश्चित आकार से बड़ा हो जाए।
(2) अशुद्धियाँ और सतहें बीज का काम करती हैं
सामान्य पानी में धूल, छोटे बुलबुले और बर्तन की खुरदरी सतह जैसी चीजें होती हैं, जो क्रिस्टल नाभिक बनने के लिए आसानी से जगह उपलब्ध कराती हैं। इसके विपरीत, साफ पानी को चिकने पात्र में रखकर बिना हिलाए ठंडा करने पर बीज बनने की जगहें कम होती हैं, इसलिए अतिशीतलन आसानी से होता है।
(3) शुद्ध पानी बहुत कम तापमान तक बिना जमे रह सकता है
लगभग अशुद्धिरहित पानी की बहुत छोटी बूँदें शून्य से 30℃ नीचे के तापमान से भी कम पर बिना जमे रह सकती हैं और माना जाता है कि वे लगभग शून्य से 38~40℃ नीचे पहुँचने पर ही अपने आप जमती हैं।
प्रकृति और रोजमर्रा के जीवन में अतिशीतलन
अतिशीतलन हमारे आसपास हमारी सोच से कहीं अधिक बार होता है।
- बादल (Cloud): शून्य से नीचे के तापमान वाले बादलों में भी बहुत-सी अतिशीतलित पानी की बूँदें बिना जमे मौजूद रहती हैं। जब कोई विमान ऐसे बादलों से गुजरता है, तो बूँदें पंखों से टकराते ही जम सकती हैं और उन पर बर्फ की परत बन सकती है।
- जमने वाली वर्षा (Freezing Rain): ऊँचे आकाश में पिघलकर बारिश की बूँदें बना पानी, जमीन के पास शून्य से नीचे तापमान वाली वायु परत से गुजरते हुए अतिशीतलित अवस्था में गिरता है और जमीन या पेड़ की डालियों को छूते ही जमकर पारदर्शी बर्फ की परत बना देता है। सड़कों पर खतरनाक बर्फ की परत भी इसी तरह बन सकती है।
- स्लश पेय (Slush Drink): फ्रीजर में अतिशीतलित हुए पेय को निकालकर हिलाने या उँडेलने पर उसी समय उसमें बर्फ के महीन कण बन जाते हैं; लोग कभी-कभी मनोरंजन के लिए भी ऐसा करते हैं।
इसी तरह के सिद्धांत पर काम करने वाली वस्तुएँ भी हैं। क्लिक करके चालू होने वाले हैंड वार्मर में सोडियम एसीटेट के विलयन की उस अवस्था का उपयोग होता है जिसमें वह जमने के तापमान से नीचे होने पर भी तरल बना रहता है। भीतर मौजूद धातु की पट्टी को मोड़ने पर क्रिस्टल बनने लगते हैं और विलयन जमते हुए ऊष्मा छोड़ता है, जिससे हाथ गर्म होते हैं।
अतिशीतलन के साथ काम करते समय जानने योग्य बातें
अतिशीतलन एक उपयोगी तकनीक भी बन सकता है। खाद्य क्षेत्र में सामग्री को जमाए बिना उसके हिमांक से थोड़ा नीचे रखकर लंबे समय तक ताजा बनाए रखने पर शोध जारी है। इसका लाभ यह है कि बर्फ के क्रिस्टल नहीं बनते, इसलिए कोशिकाओं को कम क्षति पहुँचती है।
लेकिन यह याद रखना चाहिए कि अतिशीतलित अवस्था कभी भी टूट सकती है। हल्के कंपन या तापमान में मामूली बदलाव से भी द्रव एक साथ जम सकता है, इसलिए अतिशीतलन का उपयोग करने वाले उपकरणों में तापमान को बहुत सटीकता से नियंत्रित करना आवश्यक है। जिस दिन जमने वाली वर्षा का पूर्वानुमान हो, उस दिन रास्ता गीला दिखाई देने पर भी जमा हुआ हो सकता है, इसलिए वाहन चलाते और पैदल चलते समय अधिक सावधानी बरतना अच्छा है।
अतिशीतलन यह भी दिखाता है कि ‘0℃ होते ही पानी अवश्य जम जाता है’ जैसी सरल धारणा हमेशा सही नहीं होती। अतिशीतलन से मिलने वाली एक महत्त्वपूर्ण सीख यह है कि अवस्था बदलने के लिए केवल तापमान ही नहीं, बल्कि उस बदलाव को शुरू करने वाला कोई कारण भी आवश्यक होता है।
अतिशीतलन पदार्थ का वह आश्चर्यजनक रूप है जिसमें जमने का समय बीत जाने के बाद भी वह तरल बना रहता है। इस घटना को समझने पर सर्दियों के आकाश में बादलों और बर्फीले रास्तों से लेकर फ्रीजर में रखे पेय तथा हैंड वार्मर तक को एक नए नजरिए से देखा जा सकता है।
यह जानना कि बदलाव के लिए केवल उपयुक्त परिस्थितियाँ ही नहीं, बल्कि उसे शुरू करने वाला कोई कारण भी चाहिए, पदार्थ के परिवर्तनों को गहराई से समझने की वैज्ञानिक यात्रा का पहला कदम है।
