Synthesis and Applications of thiophene-based poly(ether ether ketones)

कल्पना कीजिए कि आप लेगो (LEGO) ईंटों से एक किला बनाने की कोशिश कर रहे हैं। अधिकांश उच्च-प्रदर्शन वाले प्लास्टिक इन ईंटों की तरह होते हैं: वे अविश्वसनीय रूप से मजबूत होते हैं, अत्यधिक गर्मी को बिना पिघले झेल सकते हैं, और रासायनिक हमलों का विरोध करते हैं। लेकिन एक पेंच है: वे इतनी मजबूती से और सफाई से एक साथ पैक किए गए हैं कि वे किसी भी तरल में घुलने से इनकार कर देते हैं। आप उन पर पेंट नहीं कर सकते, उन्हें किसी चीज़ में डुबो नहीं सकते, और यदि वे टूट जाते हैं तो उन्हें आसानी से ठीक नहीं कर सकते। वे एक ऐसी ईंट की दीवार की तरह हैं जिसे केवल अत्यधिक उच्च तापमान पर एक-एक करके सूखी ईंटों को रखकर ही बनाया जा सकता है। यह उन्हें भारी-भरकम कामों के लिए तो बेहतरीन बनाता है, लेकिन हवाई जहाज के इंजन के हिस्से या एक नाजुक चिकित्सा उपकरण जैसे जटिल आकारों पर कोटिंग करने के लिए बहुत खराब बना देता है। वैज्ञानिक इन "सुपर-ईंटों" को घोलने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं ताकि उन्हें पेंट किया जा सके या उनमें डुबोया जा सके, लेकिन ऐसा करने से उनकी सुपर-ताकत कम न हो जाए।

यह शोध पत्र उच्च-प्रदर्शन वाले पॉलिमर की दुनिया में उतरता है, विशेष रूप से एक परिवार जो पॉली(इथर इथर कीटोन), या संक्षेप में PEEKs कहलाता है। PEEKs को प्लास्टिक की दुनिया के "मजबूत दिग्गजों" के रूप में सोचें, जो अत्यधिक गर्मी और कठोर रसायनों में जीवित रहने के लिए जाने जाते हैं। चुनौती यह है कि उनके आणविक शृंखलाएं (molecular chains) बिल्कुल सीधी, कठोर सैनिकों की तरह एक आदर्श तालमेल में मार्च करती हैं; यह व्यवस्था उन्हें मजबूत तो बनाती है लेकिन घोलने के लिए असंभव बना देती है। शोधकर्ताओं ने इस अध्ययन में एक सरल प्रश्न पूछा: क्या होगा यदि हम मार्चिंग लाइन में थोड़ा सा "अराजकता" (chaos) पेश कर सकें? उनके द्वारा अणु के सीधे, कठोर हिस्सों को बदलकर एक मुड़े हुए, डगमगाते आकार जिसे "थियोफीन" रिंग कहा जाता है (जो सल्फर परमाणु के साथ एक पांच-कोणीय बहुभुज जैसा दिखता है), में बदलने से क्या होगा? उन्हें उम्मीद थी कि इससे उस पूर्ण व्यवस्था को तोड़ा जा सकेगा। यदि वे ऐसा कर सके, तो प्लास्टिक सामान्य तरल पदार्थों में घुलनशील हो सकता है, जैसे कि नेल पॉलिश रिमूवर या ड्राई क्लीनिंग में उपयोग किए जाने वाले तरल पदार्थ, जिससे इसे लगभग किसी भी वस्तु पर सुरक्षात्मक कोटिंग के रूप में लगाया जा सके।

फेंग ली और जिमिंग सोंग के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने इन थियोफीन-आधारित PEEKs का एक नया परिवार संश्लेषित करने का प्रयास किया। उन्होंने अपने विशेष थियोफीन बिल्डिंग ब्लॉक को विभिन्न अन्य सामग्रियों के साथ मिलाकर पांच अलग-अलग संस्करण बनाए। लक्ष्य एक "गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) संस्करण ढूंढना था: जो इतना घुलनशील हो कि उसे पेंट या डुबोया जा सके, लेकिन इतना मजबूत भी हो कि भट्टी की गर्मी को झेल सके। परीक्षण की स्थितियों को सावधानीपूर्वक जांचने के बाद, उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट संस्करण, जिसे उन्होंने PEEK-3 नाम दिया, स्पष्ट विजेता था।

PEEK-3 प्लास्टिक की दुनिया में एक सुपरहीरो की तरह है। अपने चचेरे भाइयों (PEEK-2 और PEEK-4) के विपरीत, जो इतने कसकर पैक थे कि उन्होंने लगभग किसी भी चीज़ में घुलने से इनकार कर दिया, PEEK-3 टेट्राहाइड्रोफ्यूरान (THF) और क्लोरोफॉर्म जैसे कम क्वथनांक वाले तरल पदार्थों में खुशी-खुशी घुल जाता है। यह एक बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि आप प्लास्टिक का तरल समाधान बना सकते हैं और "डिप-कोटिंग" विधि का उपयोग कर सकते है—जैसे कि कुकी को चॉकलेट में डुबोना—जटिल धातु भागों को कोट करने के लिए। लेकिन यहाँ जादू है: भले ही यह आसानी से घुल जाता है, लेकिन यह अपनी मजबूती नहीं खोता है। जब शोधकर्ताओं ने PطEEK-3 को गर्म किया, तो यह 340 °C तक पहुँचने तक नहीं पिघला या विकृत नहीं हुआ। यह एक प्लास्टिक के लिए अत्यंत उच्च तापमान है, जिसका अर्थ है कि यह ठोस और सुरक्षात्मक बना रहता है, भले ही इसके नीचे की धातु को औद्योगिक भट्टी में पकाया जा रहा हो।

टीम ने केवल यह नहीं देखा कि प्लास्टिक क्या कर सकता है; उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि यह वास्तव में क्या कर सकता है। उन्होंने धातु के तारों को PEEK-3 के घोल में डुबोया, उन्हें सूखने दिया, और फिर औद्योगिक ताप उपचार का अनुकरण करने के लिए उन्हें दो घंटे के लिए 250 °C पर पकाया। परिणाम आश्चर्यजनक थे। बिना कोट वाले धातु के तार गहरे और खुरदरे हो गए, जो जंग और ऑक्सीकरण की एक मोटी परत से ढके हुए थे। हालांकि, PEEK-3 से कोट किए गए तार चमकदार, चिकने और उज्ज्वल रहे, जैसे कि उन्हें अभी-अभी पॉलिश किया गया हो। कोटिंग ने एक अदृश्य ढाल की तरह काम किया, ऑक्सीजन को धातु पर हमला करने से रोका। इसके अलावा, उन्होंने एसिड और बेस (जैसे कि तेज सिरका या ड्रेन क्लीनर) के प्रति प्लास्टिक के प्रतिरोध का परीक्षण किया। इन कठोर रसायनों में 12 घंटों तक भिगोने के बाद भी, PEEK-3 पाउडर का वजन बहुत कम (सबसे मजबूत एसिड में 5.1% से कम) हुआ और यह फूला या टूटा नहीं। इसने एक उत्कृष्ट विद्युत इन्सुलेटर के रूप में भी कार्य किया, जिसकी प्रतिरोधकता 160 MΩ थी, जो उस प्रकार के क्षरण को रोकने में मदद करता है जो तरल में धातु के माध्यम से बिजली बहने पर होता है।

शोध पत्र ने अन्य संस्करणों को भी देखा कि क्या उन्हें बदला जा सकता है। उन्होंने पाया कि जबकि कुछ अन्य संस्करणों (जैसे PEEK-5.x) को अधिक लचीला बनाया जा सकता था, वे अपनी ताप प्रतिरोध क्षमता खो देते थे, जिससे उनका गलनांक गिरकर 168 °C तक आ जाता था। अन्य (जैसे PEEK-2 और PEEK-4) अविश्वसनीय रूप से ताप-प्रतिरोधी थे लेकिन कोटिंग के लिए बेकार थे क्योंकि वे घुलते नहीं थे। PEEK-3, हालांकि, एक आदर्श संतुलन बनाता था। इसने तरल के रूप में आसानी से संसाधित होने की क्षमता और अत्यधिक गर्मी एवं रासायनिक हमलों का सामना करने की क्षमता को मिला दिया।

संक्षेप में, यह अध्ययन बताता है कि कठोर PEEK अणु में थोड़ा सा "मुड़ा हुआ" थियोफीन संरचना जोड़ने से, वैज्ञानिक एक ऐसी सामग्री बना सकते हैं जो उपयोग करने में आसान और अविश्वसनीय रूप से मजबूत दोनों है। PEEK-3 धातु के हिस्सों को जंग और गर्मी के नुकसान से बचाने का एक नया, कम लागत वाला तरीका प्रदान करता है, जो महंगे और जटिल तरीकों के बजाय एक सरल डिपिंग प्रक्रिया का उपयोग करता है। यह उन जटिल आकारों को सुरक्षित करने का द्वार खोलता है जिन्हें पहले कोट करना बहुत कठिन था, जिससे कार के पुर्जों से लेकर औद्योगिक मशीनरी तक सब कुछ बचाने में पैसा बच सकता है और जीवनकाल में सुधार हो सकता है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि यह विशिष्ट सामग्री उच्च-प्रदर्शन इंजीनियरिंग के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है, जो यह सिद्ध करती है कि कभी-कभी, आणविक डिजाइन में थोड़ी सी अव्यवस्था, एक बहुत ही व्यवस्थित, पूर्ण समाधान की ओर ले जाती है।