Cellulose microfibril interactions with water: A density functional theory study of H2O incorporation into the cellulose microfibril structure

सेलुलोज पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में उपलब्ध कार्बनिक पदार्थ है, जो पौधों का कठोर कंकाल और लकड़ी, कपास और घास के प्राथमिक संरचनात्मक घटक के रूप में कार्य करता है। यह एक लंबी, श्रृंखला जैसी अणु संरचना है जो आपस में जुड़ी हुई चीनी की इकाइयों से बनी होती है, और प्रकृति में, ये श्रृंखलाएं आपस में कसकर जुड़कर रस्सी जैसी संरचनाओं में बदल जाती हैं जिन्हें माइक्रोफाइब्रिल कहा जाता है। ये बंडल पूरी तरह से सूखे नहीं होते; वे पानी की दुनिया में अस्तित्व में रहते हैं, और पानी इनके साथ कैसे व्यवहार करता है, यह निर्धारित करता है कि पौधे कैसे बढ़ते हैं, नमी में लकड़ी कितनी मजबूती से टिकी रहती है, और हम कागज से लेकर बायोफ्यूल तक हर चीज़ के लिए पादप रेशों का उपयोग कैसे कर सकते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि पानी इन बंडलों के बाहरी हिस्से से चिपकता है, लेकिन इनके भीतर के संबंध में एक अनसुलझा रहस्य बना हुआ था। क्या पानी माइक्रोफाइब्रिल के तंग कोर (केंद्र) में प्रवेश करता है, या इसका आंतरिक भाग एक सीलबंद, सूखा किला है? इस अंतर को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि अंदर फंसा हुआ पानी सामग्री की मजबूती या इसके टूटने के तरीके को बदल सकता है, फिर भी इसके आंतरिक भाग का सीधा अवलोकन करना कठिन बना हुआ है।

हाल ही में, एक अध्ययन में, टेक्सास विश्वविद्यालय एट एल पासो के एक शोधकर्ता ने इन सूक्ष्म रस्सियों के भीतर झांकने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। माइक्रोस्कोप का उपयोग करने के बजाय, वैज्ञानिक ने चीनी की श्रृंखलाओं की एक विशिष्ट व्यवस्था पर आधारित सेलुलोज माइक्रोफाइब्रिल का एक डिजिटल मॉडल बनाया, जिसे 234432 मॉडल के रूप में जाना जाता है। यह मॉडल पौधों की प्राथमिक कोशिका दीवारों में श्रृंखलाओं के स्टैकिंग (एक के ऊपर एक जमने) के तरीके को दर्शाता है। शोधकर्ता ने जटिल गणनाएँ चलाईं यह देखने के लिए कि यदि पानी के अणुओं को अलग-अलग स्थानों पर रखा जाए तो क्या होगा: बाहर, माइक्रोफाइब्रिल के गहरे केंद्र में, या दोनों जगह। इसका लक्ष्य यह देखना था कि क्या संरचना बिना टूटे पानी को अपने भीतर समाहित कर सकती है और पानी के अंदर आने और बाहर जाने के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापना था। अध्ययन ने उन अदृश्य बलों पर ध्यान केंद्रित किया जो परमाणुओं को एक साथ थामे रखते हैं, विशेष रूप से हाइड्रोजन बॉन्ड जो पानी को चीनी की श्रृंखलाओं से जोड़ने वाले छोटे चुंबकों की तरह कार्य करते हैं।

परिणामों ने दिखाया कि माइक्रोफाइब्रिल का आंतरिक भाग कोई सूखा शून्य नहीं है। कंप्यूटर मॉडलों ने प्रदर्शित किया कि संरचना अपने समग्र आकार को बाधित किए बिना अपने भीतर काफी मात्रा में पानी को समायोजित कर सकती है। जब पानी के अणुओं को कोर में रखा गया, तो उन्होंने श्रृंखलाओं को अलग नहीं किया या बंडल को नहीं तोड़ा; इसके बजाय, उन्होंने सेलुलोज श्रृंखलाओं के ऑक्सीजन और हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ मजबूत संबंध बनाए। ये आंतरिक जल अणु एक स्थिरीकरण एजेंट (stabilizing agent) के रूप में कार्य करते हैं, जो श्रृंखलाओं के बीच के अंतराल को पाटकर माइक्रोफाइब्रिल को मजबूत करते हैं। यह खोज इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देती है कि आंतरिक भाग पूरी तरह से दुर्गम है। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि अंदर का पानी बॉन्ड्स का एक ऐसा नेटवर्क बनाता है जो सतह के पानी से अलग है, जिससे यह संकेत मिलता है कि कोर एक हाइड्रेटेड वातावरण है न कि सूखा।

अध्ययन ने यह भी देखा कि बंडल के बाहर पानी कैसे व्यवहार करता है। गणनाओं से पता चला कि माइक्रोफाइब्रिल की सतह एक समान नहीं है; इसके कुछ हिस्से दूसरों की तुलना में पानी के प्रति बहुत अधिक स्वागत योग्य हैं। (110) सतह के रूप में ज्ञात पक्ष ने पानी के साथ कई मजबूत बंधन बनाए, जबकि (200) सतह बहुत कम हाइड्रोफिलिक (जल-स्नेही) थी, जिसका अर्थ है कि वह पानी को उतना मजबूती से आकर्षित नहीं करती थी। यह अंतर स्पष्ट करता है कि पानी माइक्रोफाइब्रिल के कुछ हिस्सों को दूसरों की तुलना में अधिक क्यों ढकता है। इसके अलावा, शोध ने इस बात की जांच की कि क्या पानी चीनी की श्रृंखलाओं को एक साथ जोड़ने वाले रासायनिक लिंक को तोड़ सकता है, जिसे हाइड्रोलिसिस कहा जाता है। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि हालांकि पानी चीनी की इकाइयों को जोड़ने वाले ईथर लिंक्स से जुड़ सकता है, लेकिन ये बंधन दुर्लभ और अपेक्षाकृत कमजोर होते हैं, जो यह समझाने में मदद करते हैं कि सेलुलोज प्रकृति में इतना टिकाऊ और टूटने के प्रति प्रतिरोधी क्यों है।

इस जांच का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह परीक्षण करना था कि पानी कैसे चलता है। शोधकर्ता ने एक एकल पानी के अणु की यात्रा का अनुकरण किया जो बंडल के बाहर से अंदर की ओर जाने की कोशिश कर रहा था। गणनाओं ने एक विशाल ऊर्जा अवरोध (energy barrier) का खुलासा किया, जो एक ऊंचे पहाड़ के समान है जिसे पानी के अणु को चढ़ना होगा। यह सुझाव देता है कि एक बार माइक्रोफाइब्रिल बनने के बाद, नया पानी अंदर घुसना अत्यंत कठिन होता है, और फंसे हुए पानी का बाहर निकलना भी उतना ही कठिन होता है। यह उच्च अवरोध यह स्पष्ट करता है कि माइक्रोफाइब्रिल के अंदर पाया जाने वाला पानी संभवतः पादप कोशिका दीवार के प्रारंभिक निर्माण के दौरान वहां फंस गया था, न कि बाद में कमरे के तापमान पर विसरित (diffuse) होकर आया है। हालांकि, अध्ययन ने उल्लेख किया कि उच्च तापमान पर, संरचना इतनी शिथिल हो सकती है कि गति की अनुमति मिल सके, जो एक ऐसी संभावना है जिसके लिए आगे के परीक्षण की आवश्यकता है।

ये निष्कर्ष एक ऐसी घटना पर नया दृष्टिकोण प्रदान करते हैं जिसे वैज्ञानिक वर्षों से देख रहे हैं: सेलुलोज में "नॉन-फ्रीजेबल" (जो जमता नहीं है) पानी का अस्तित्व। प्रयोगों में, कुछ पादप रेशों में पानी बहुत कम तापमान पर भी बर्फ में नहीं बदलता है, जिससे शोधकर्ताओं को विश्वास हुआ कि यह सतह से मजबूती से जुड़ा हुआ है। यह अध्ययन सुझाव देता है कि इस जिद्दी, गैर-जमने वाले पानी का कुछ हिस्सा वास्तव में माइक्रोफाइब्रिल के अंदर स्थित हो सकता है, जो बाहर के मुख्य पानी से अलग है। क्योंकि ये आंतरिक अणु मजबूत बंधनों द्वारा स्थिर हैं और बर्फ के क्रिस्टल बनाने के लिए स्वतंत्र रूप से हिल नहीं सकते, इसलिए वे ठंडे वातावरण में भी तरल-वत बने रहते हैं। यह उस व्यवहार के लिए एक संरचनात्मक स्पष्टीकरण प्रदान करता जिसे पहले सटीक रूप से पहचानना कठिन था।

शोध ने ड्यूटेरियम (हाइड्रोजन का एक भारी संस्करण जिसका अक्सर वैज्ञानिक ट्रेसिंग के लिए उपयोग किया जाता है) के साथ हाइड्रोजन परमाणुओं के आदान-प्रदान पर भी चर्चा की। पिछले अध्ययनों में इस बात पर बहस हुई थी कि क्या भारी पानी से ड्यूटेरियम माइक्रोफाइब्रिल के भीतर प्रवेश करके सेलुलोज श्रृंखलाओं में मौजूद हाइड्रोजन के साथ स्थान बदल सकता है। इस अध्ययन में पाए गए उच्च ऊर्जा अवरोध इस विचार का समर्थन करते हैं कि कमरे के तापमान पर ऐसा आदान-प्रदान आसानी से नहीं होता है क्योंकि पानी के अणु भौतिक रूप से अंदर नहीं जा सकते। इसके बजाय, कोई भी आदान-प्रदान सतह पर होता है जहाँ बंधन अधिक सुलभ होते हैं। यह स्पष्ट करने में मदद करता है कि क्यों कुछ प्रयोग बाहर तेजी से आदान-प्रदान दिखाते हैं लेकिन अंदर बहुत कम परिवर्तन दिखाते हैं।

अंततः, यह कार्य एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है कि पौधों के जीवन के मौलिक निर्माण खंडों के भीतर पानी कहाँ रहता है। यह पुष्टि करता है कि एक सेलुलोज माइक्रोफाइब्रिल का आंतरिक भाग पानी को धारण कर सकता है, यह पानी संरचना को मजबूत करता है, और इसमें प्रवेश करना या बाहर निकलना एक कठिन प्रक्रिया है जिसके लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह दिखाकर कि माइक्रोफाइब्रिल एक सूखा, सीलबंद ट्यूब नहीं है बल्कि आंतरिक हाइड्रेशन को धारण करने में सक्षम एक संरचना है, यह अध्ययन पर्यावरण के साथ इन सामग्रियों के व्यवहार के बारे में हमारी समझ को नया रूप देता है। निष्कर्ष बताते हैं कि पता लगाया गया "नॉन-फ्रीजेबल" पानी केवल एक सतही प्रभाव नहीं है, बल्कि माइक्रोफाइब्रिल की आंतरिक वास्तुकला की एक विशेषता है, जो एक स्थिर, बंधित अवस्था में फंसी हुई है जो जमने और विसरण (diffusion) का विरोध करती है।