Synergistic effect of nano-silica and copper grains on the superhydrophobicity and corrosion resistance of silane coatings on carbon steel

धातु आधुनिक उद्योग का कंकाल है, जो पुलों, पाइपलाइनों और जहाजों को थामे रखता है, लेकिन इसमें एक घातक कमजोरी है: यह वापस पृथ्वी में मिलना चाहता है। जब स्टील पानी और हवा के संपर्क में आता है, तो यह धीरे-धीरे जंग में बदल जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो संरचनाओं को कमजोर करती है और महंगी विफलताओं का कारण बनती है। दशकों से, इंजीनियरों ने स्टील को सुरक्षात्मक परतों के साथ पेंट करके इसे रोकने की कोशिश की है, लेकिन ये कोटिंग्स अक्सर टूट जाती हैं, उखड़ जाती हैं या इन्हें बनाने के लिए जहरीले रसायनों की आवश्यकता होती है। एक बेहतर समाधान की खोज में, वैज्ञानिकों ने अपना ध्यान प्रकृति की ओर, विशेष रूप से कमल के पत्ते की ओर केंद्रित किया है। इस पौधे की सतह अत्यंत साफ और सूखी रहती है क्योंकि इसकी सतह छोटे-छोटे उभारों से ढकी होती है जो हवा की एक परत को फंसा लेते हैं, जिससे पानी भीगने से पहले ही बूंद बनकर लुढ़क जाता है। इस "लोटस इफेक्ट" (कमल प्रभाव) ने शोधकर्ताओं को ऐसी कृत्रिम सतहें बनाने के लिए प्रेरित किया है जो पानी को इतनी प्रभावी ढंग से दूर धकेलती हैं कि वे जंग बनने से भी रोक सकती हैं।

चीन के शानडोंग यूनिवर्सिटी ऑफ एयरोनॉटिक्स के शोधकर्ताओं के एक दल ने Q235B कार्बन स्टील पर ऐसी सतह बनाने का लक्ष्य रखा, जो निर्माण और बुनियादी ढांचे में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य और किफायती प्रकार का धातु है। उनका लक्ष्य एक ऐसी कोटिंग बनाना था जो न केवल जल-विकर्षक हो बल्कि टिकाऊ भी हो और जिसे महंगे उपकरणों या हानिकारक रसायनों के बिना आसानी से बनाया जा सके। उन्होंने एक विशिष्ट विधि पर ध्यान केंद्रित किया: स्टील पर सीधे तांबे की एक खुरदरी परत उगाना और फिर इसे एक ऐसे रसायन के साथ उपचारित करना जो इसकी सतह की ऊर्जा को कम करता है। सतह को पानी को दूर धकेलने में और भी बेहतर बनाने के लिए, उन्होंने मिश्रण में सिलिका के सूक्ष्म कण मिलाए, जो रेत में पाया जाने वाला एक पदार्थ है। हालांकि, उन्होंने पाया कि केवल इन कणों को जोड़ना पर्याप्त नहीं था; उन्हें जोड़ने का तरीका कणों के बजाय अधिक महत्वपूर्ण था।

शोधकर्ताओं ने कोटिंग में सिलिका मिलाने के दो अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया। पहले दृष्टिकोण में, उन्होंने स्टील पर तांबे की परत उगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले तरल घोल में सीधे सिलिका कण मिलाए। उन्होंने पाया कि यह विधि विफल रही। सिलिका के कण तरल में आपस में गुच्छे बन गए, जिससे सतह पर बड़े, अनियमित ढेर बन गए। इन गुच्छों ने तांबे को छोटे उभारों की एक चिकनी, समान परत के रूप में बढ़ने से रोक दिया। एक महीन, ऊबड़-खाबड़ बनावट (जो हवा को फंसा सके) के बजाय, सतह पैची और असमान हो गई। जब उन्होंने इन सतहों पर पानी के व्यवहार का परीक्षण किया, तो पानी लुढ़का नहीं; वह चिपक गया और फैल गया, जिसका अर्थ था कि कोटिंग ने संक्षारण (corrosion) के विरुद्ध बहुत कम सुरक्षा प्रदान की। गुच्छों ने उस संरचना को नष्ट कर दिया जो सतह को सुपरहाइड्रोफोबिक (अति-जल विकर्षक) बनाने के लिए आवश्यक थी।

दूसरे दृष्टिकोण में, टीम ने संचालन के क्रम को बदल दिया। उन्होंने पहले स्टील पर तांबे के सूक्ष्म दानों की एक समान परत उगाई, जिससे एक सुसंगत खुरदरी सतह तैयार हुई। तांबे की यह परत बनने के तुरंत बाद, उन्होंने स्टील को सिलिका कणों और ऑक्टाडेसिलट्राइमेथॉक्सीसिलेन नामक एक विशेष रसायन वाले घोल में डुबोया। यह रसायन एक गोंद की तरह कार्य करता है जो सब कुछ आपस में जोड़ता है और सतह की ऊर्जा को कम करता है। इस विधि में, सिलिका कण तांबे के दानों के बीच के अंतराल में समान रूप से बैठ गए, जिससे एक आदर्श "माइक्रो-नैनो" संरचना बन गई। तांबे के दानों ने बड़े उभार प्रदान किए, जबकि सिलिका कणों ने सूक्ष्म स्थानों को भर दिया, जिससे दो अलग-अलग पैमानों पर खुरदरी बनावट तैयार हुई। इस दोहरी-स्तरीय खुरदरापन वाली संरचना ने पानी के विरुद्ध हवा की एक निरंतर परत को फंसाने में सक्षम बनाया।

इस दूसरे तरीके के परिणाम आश्चर्यजनक थे। उपचारित स्टील पर 'वॉटर कॉन्टैक्ट एंगल' (जल संपर्क कोण) 160 डिग्री तक पहुँच गया, जो जल विकर्षण का वह स्तर है जो सतह को सुपरहाइड्रोफोबिक की श्रेणी में रखता है। इसे समझने के लिए, धातु के एक सपाट टुकड़े पर पानी की एक सामान्य बूंद लगभग पूरी तरह से फैल जाती है, लेकिन इस सतह पर, यह एक लगभग पूर्ण गोले के रूप में स्थित होती है, जो धातु को बहुत कम छूती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह संरचना केवल एक दृश्य भ्रम नहीं थी; इसने वास्तविक सुरक्षा प्रदान की। जब उन्होंने उपचारित स्टील को समुद्री वातावरण की नकल करने वाले एक नमकीन घोल में डुबोया, तो कोटिंग ने 500 घंटों से अधिक समय तक काम किया। इस दौरान, बिना कोटिंग वाले स्टील की तुलना में धातु के संक्षारण की दर आधी रह गई।

अध्ययन से पता चला कि यह सुरक्षा भौतिक और रासायनिक बाधाओं के संयोजन के माध्यम से काम करती है। फंसी हुई हवा की परत एक ढाल के रूप में कार्य करती है, जो पानी और नमक के आयनों को धातु की सतह तक पहुँचने से रोकती है। साथ ही, साइलेन उपचार द्वारा निर्मित रासायनिक बंधन एक सख्त, क्रॉस-लिंक्ड नेटवर्क बनाते हैं जो सतह को सील कर देते हैं। भले ही प्रयोग के दौरान कुछ फंसी हुई हवा अंततः घुल गई, कोटिंग तुरंत विफल नहीं हुई। इसके बजाय, जो संक्षारण हुआ उसने ठोस जंग उत्पादों का निर्माण किया जिसने कोटिंग के सूक्ष्म छिद्रों को भर दिया, जिससे प्रभावी रूप से छेद बंद हो गए और आगे होने वाले नुकसान को धीमा कर दिया। इस स्व-सीलिंग (self-sealing) व्यवहार ने कोटिंग को शुरुआती वायु परत के फीके पड़ने के लंबे समय बाद भी अपनी सुरक्षात्मक शक्ति बनाए रखने में सक्षम बनाया।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि सफलता की कुंजी केवल उपयोग की गई सामग्री नहीं थी, बल्कि सतह की परत-दर-परत बनाने की रणनीति थी। तांबे को पहले उगाने और फिर सिलिका जोड़ने से, वे उस गुच्छे बनने की समस्या से बच गए जिसने पहले प्रयास को खराब कर दिया था। यह सरल, कम लागत वाली विधि जटिल मशीनरी या जहरीले पदार्थों के बिना कठोर वातावरण में स्टील की सुरक्षा करने का एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है। यह कार्य दर्शाता है कि प्रकृति के अपने डिजाइनों की नकल करते हुए सूक्ष्म कणों को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, ऐसी सतहें बनाई जा सकती हैं जो जल-विकर्षक और जंग की धीमी, विनाशकारी शक्ति के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी हों।