Bio-Inspired Lock-and-Key Lamellar Membranes for Selective CO2 Separation Using Confined CO2‑Philic Ionic Liquids

वायुमंडल कार्बन डाइऑक्साइड से भरा हुआ है, एक ऐसी गैस जो गर्मी को रोकती है और जलवायु परिवर्तन को बढ़ावा देती है, फिर भी यह एक मूल्यवान संसाधन है जिसे उद्योगों को नाइट्रोजन या मीथेन जैसी अन्य गैसों से अलग करने की आवश्यकता होती है। इसे कुशलतापूर्वक अलग करना आधुनिक इंजीनियरिंग की सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक है। पारंपरिक तरीके अक्सर ऊर्जा-गहन प्रक्रियाओं पर निर्भर करते हैं जो भारी मात्रा में बिजली की खपत करते हैं, लेकिन वैज्ञानिकों ने बेहतर तरीके के लिए लंबे समय से प्रकृति की ओर देखा है। जैविक प्रणालियाँ, जैसे कि हमारी कोशिकाओं के चारों ओर की झिल्लियाँ (मेम्ब्रेन), अणुओं को छाँटने में माहिर हैं, जो कुछ को गुजरने देती हैं जबकि दूसरों को अविश्वसनीय सटीकता और बहुत कम ऊर्जा के साथ रोक देती हैं। ये प्राकृतिक फिल्टर विशिष्ट रासायनिक समूहों से बनी छोटी, कठोर नलिकाओं (चैनलों) का निर्माण करके काम करते हैं जो सही अणुओं को पहचानते हैं और उन्हें पकड़ते हैं, जिससे वे एक विशेष द्वारपाल की तरह कार्य करते हैं। इंजीनियरों का लक्ष्य इस जैविक भव्यता की नकल करने वाले कृत्रिम पदार्थ बनाना रहा है, ऐसी झिल्लियाँ बनाना जो तेज़ और चयनात्मक दोनों हों, और उस लंबे समय से चले आ रहे 'ट्रेड-ऑफ' (समझौते) को पार कर सकें जहाँ जो सामग्रियाँ गैस को तेज़ी से गुजरने देती हैं वे आमतौर पर उसे अच्छी तरह से छानने में विफल रहती हैं, और इसके विपरीत।

बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ केमिकल टेक्नोलॉजी और त्सिंगहुआ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने एक नई प्रकार की झिल्ली (मेम्ब्रेन) डिजाइन की है जो इस बात से प्रेरित है कि जैविक आयन चैनल कैसे काम करते हैं। उन्होंने एक पतली, परतदार सामग्री बनाई है जो एक परिष्कृत छलनी की तरह कार्य करती है, लेकिन केवल गैसों को छाँटने के लिए छिद्रों के आकार पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने उन छिद्रों के अंदर एक विशेष तरल बिछाया है जो सक्रिय रूप से कार्बन डाइऑक्साइड की तलाश करता है। टीम ने एक खनिज से शुरुआत की जिसे लेयर्ड डबल हाइड्रोक्साइड कहा जाता है, जो स्वाभाविक रूप से सपाट, षट्कोणीय (हेक्सागोनल) शीट बनाता है जो ताश के पत्तों की गड्डी की तरह एक के ऊपर एक जमा होते हैं, जिससे उनके बीच छोटे अंतराल रह जाते हैं। ये अंतराल गैस के यात्रा करने के मार्ग के रूप में कार्य करते हैं। हालाँकि, एक मानक ढेर में, ये मार्ग असमान हो सकते हैं, और दीवारें रासायनिक रूप से तटस्थ होती हैं, जिसका अर्थ है कि वे सभी गैसों के साथ लगभग एक जैसा व्यवहार करती हैं। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक "लॉक-एंड-की" (ताला-चाबी) प्रणाली पेश की। उन्होंने खनिज की परतों के बीच के अंतराल को एक विशिष्ट प्रकार के आयनिक तरल से भर दिया, जो एक ऐसा नमक है जो कमरे के तापमान पर तरल होता है और इसमें पॉलीऑक्सोमेटलेट्स नामक बड़े, ऋणात्मक रूप से आवेशित क्लस्टर होते हैं।

यह डिज़ाइन सामग्रियों के बीच एक शक्तिशाली आकर्षण पर निर्भर करता है। खनिज की परतें धनात्मक विद्युत आवेश ले जाती हैं, जबकि इसके भीतर का तरल तीव्र ऋणात्मक आवेश ले जाता है। यह इलेक्ट्रोस्टैटिक खिंचाव तरल को संकीर्ण चैनलों के भीतर मजबूती से थामे रखता है, जिससे इसे बाहर निकलने या इधर-उधर घूमने से रोका जा सके। एक बार सीमित होने के बाद, तरल खाली स्थान को एक अत्यधिक चयनात्मक वातावरण में बदल देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि तरल के भीतर मौजूद ऋणात्मक रूप से आवेशित क्लस्टर "लॉक" (ताले) के रूप में कार्य करते हैं, जो विशेष रूप से कार्बन डाइऑक्साइड को पहचानने और उससे जुड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जो कि "की" (चाबी) है। कार्बन डाइऑक्साइड अणुओं की एक अनूठी विद्युत आकृति होती है जो उन्हें इन क्लस्टरों के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करने की अनुमति देती है, जबकि नाइट्रोजन और मीथेन जैसी अन्य सामान्य गैसें इस रासायनिक प्रोफाइल में फिट नहीं होती हैं और प्रभावी रूप से अनदेखी कर दी जाती हैं। यह अंतःक्रिया इतनी विशिष्ट है कि झिल्ली गैसों के बीच अंतर कर सकती है जो लगभग एक ही आकार की हैं, एक ऐसा कार्य जिसे मानक फिल्टर करने में संघर्ष करते हैं।

जब टीम ने इस नई झिल्ली का परीक्षण किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। शुद्ध कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करते हुए प्रयोगों में, इस सामग्री ने गैस को 1882.0 बैरर (Barrer) की दर से गुजरने दिया, जो एक माप है कि एक गैस झिल्ली के माध्यम से कितनी तेज़ी से चलती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह अन्य गैसों को बाहर रखने में अविश्वसनीय रूप से सक्षम थी। कार्बन डाइऑक्साइड और नाइट्रोजन के मिश्रण के सामने परीक्षण करने पर, झिल्ली ने नाइट्रोजन की तुलना में कार्बन डाइऑक्साइड को लगभग 100 गुना अधिक आसानी से गुजरने दिया। मीथेन के विरुद्ध परीक्षण करने पर, जो प्राकृतिक गैस का एक सामान्य घटक है, झिल्ली और भी अधिक चयनात्मक पाई गई, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड 186 गुना तेज़ी से गुजर सकी। ये संख्याएँ केवल सुधार नहीं हैं; ये उन सैद्धांतिक सीमाओं को पार करती हैं जिन्हें वैज्ञानिकों ने पहले झिल्ली के प्रदर्शन के लिए निर्धारित किया था, जिन्हें रोबसन अपर बाउंड्स (Robeson upper bounds) के रूप में जाना जाता है। यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने एक वास्तविक मिश्रण के साथ परीक्षण किया जिसमें आधा कार्बन डाइऑक्साइड और आधा मीथेन था, तो प्रदर्शन मजबूत बना रहा, जिसने उच्च पृथक्करण गति और 177.3 की चयनात्मकता बनाए रखी। यह स्थिरता बताती है कि यह सामग्री केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासा नहीं है, बल्कि औद्योगिक उत्सर्जन को साफ करने या प्राकृतिक गैस को शुद्ध करने के लिए एक व्यवहार्य विकल्प है।

यह समझने के लिए कि यह वास्तव में कैसे काम करता है, शोधकर्ताओं ने झिल्ली के भीतर होने वाली आणविक अंतःक्रियाओं को बारीकी से देखा। उन्होंने गैसों के व्यवहार और सामग्रियों की प्रतिक्रिया को देखने के लिए विभिन्न उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने देखा कि जब कार्बन डाइऑक्साइड झिल्ली में प्रवेश करती है, तो यह तरल के रासायनिक बंधों के कंपन में विशिष्ट परिवर्तन करती है, जिससे पुष्टि होती है कि गैस तरल के क्लस्टरों के साथ मजबूत संबंध बना रही है। इसके विपरीत, नाइट्रोजन और मीथेन ने ऐसी कोई प्रतिक्रिया नहीं दिखाई, जिससे सिद्ध हुआ कि उन्हें पकड़ा नहीं गया। कंप्यूटर सिमुलेशन ने भी इन निष्कर्षों का समर्थन किया, जिससे पता चला कि हालांकि कार्बन डाइऑक्साइड तरल के साथ अंतःक्रिया करने के लिए लगातार रुकने के कारण अपेक्षाकृत धीमी गति से चलती है, लेकिन इसके झिल्ली में घुलने की संभावना भी बहुत अधिक है। उच्च घुलनशीलता और एक 'हॉपिंग मैकेनिज्म' (कूदने की प्रक्रिया) का यह संयोजन, जहाँ गैस का अणु एक बाइंडिंग साइट से दूसरी साइट तक कूदता है, इसे अन्य गैसों को पीछे छोड़ते हुए झिल्ली के माध्यम से कुशलतापूर्वक यात्रा करने की अनुमति देता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि एक कठोर, व्यवस्थित संरचना को एक रासायनिक रूप से सक्रिय, सीमित तरल के साथ जोड़कर, ऐसी झिल्ली बनाना संभव है जो प्रकृति की सटीकता की नकल करती है, जो अधिक कुशल और ऊर्जा-बचत गैस पृथक्करण प्रौद्योगिकियों की ओर एक नया मार्ग प्रदान करती है।