Preparation and Pore Structure Characterization of Balsa Wood (Ochroma pyramidale)/GO Composites

लकड़ी एक प्राकृतिक सामग्री है जो एक जटिल आंतरिक वास्तुकला के साथ निर्मित होती है, जो सूक्ष्म चैनलों और खोखले स्थानों का एक नेटवर्क है जिसने कभी एक जीवित पेड़ में पानी और पोषक तत्वों को ऊपर की ओर पहुँचाया था। बालसा जैसे तेजी से बढ़ने वाले पेड़ों में, यह नेटवर्क विशेष रूप से खुला और विशाल होता है, लेकिन लकड़ी स्वयं अक्सर कई संरचनात्मक उपयोगों के लिए बहुत नरम और कमजोर होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस सामग्री को मजबूत करने या इसे नई क्षमताएं देने के तरीके खोज रहे हैं, जैसे कि बिजली का संचालन करना या ऊर्जा संग्रहीत करना। इन रूपांतरणों की कुंजी लकड़ी के आंतरिक छिद्रों को समझने और उन्हें नया आकार देने में निहित है। लकड़ी के रेशों को एक साथ जोड़ने वाले कुछ प्राकृतिक गोंद को सावधानीपूर्वक हटाकर और फिर खाली हुई जगहों को उन्नत सामग्रियों से भरकर, शोधकर्ता ऐसे कंपोजिट बना सकते हैं जो मूल लकड़ी की तुलना में अधिक मजबूत और कार्यात्मक होते हैं। चुनौती सही संतुलन खोजने में है: बहुत अधिक संरचना हटाने से सामग्री कमजोर हो जाती है, जबकि छिद्रों को बहुत सघनता से भरने से वे मार्ग अवरुद्ध हो जाते हैं जिनकी नए कार्यों के लिए आवश्यकता होती है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शानक्सी डातोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने बालसा लकड़ी और ग्राफीन ऑक्साइड नामक एक सामग्री का उपयोग करके इस प्रक्रिया को अनुकूलित करने के तरीके का पता लगाया। ग्राफीन ऑक्साइड कार्बन की एक पतली, द्वि-आयामी शीट है जो ऑक्सीजन-आधारित रासायनिक समूहों से समृद्ध है, जो इसे अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और अन्य सतहों से चिपकने में सक्षम बनाती है। टीम यह देखना चाहती थी कि क्या वे लकड़ी की प्राकृतिक मजबूती को नष्ट किए बिना इसकी आंतरिक छिद्र संरचना को संशोधित करने के लिए इस सामग्री का उपयोग कर सकती है। उन्होंने बालसा लकड़ी के स्लाइसों को सोडियम हाइड्रोक्साइड और सोडियम सल्फाइट के मिश्रण के साथ उपचारित करना शुरू किया, जिसे एक विशिष्ट तापमान पर गर्म किया गया था। यह रासायनिक स्नान एक सौम्य विलायक की तरह कार्य करता है, जो लिग्निन और हेमिसेलुलोज—लकड़ी में मौजूद प्राकृतिक बंधन—को घोलकर मौजूदा छिद्रों को चौड़ा करता है और उन्हें अधिक प्रभावी ढंग से जोड़ता है। विभिन्न सांद्रता और तापमानों का परीक्षण करने के बाद, टीम ने पाया कि प्रत्येक रसायन के पचास ग्राम प्रति लीटर के विशिष्ट मिश्रण ने, जिसे सत्तर डिग्री सेल्सियस पर दो घंटे तक गर्म किया गया था, सर्वोत्तम परिणाम दिए। इस उपचार ने औसत छिद्र के आकार को काफी बढ़ा दिया और आंतरिक मार्गों को खोल दिया, जिससे लकड़ी अगले चरण के लिए अधिक सुलभ हो गई।

एक बार जब लकड़ी तैयार हो गई, तो शोधकर्ताओं ने ग्राफीन ऑक्साइड को पेश किया। उन्होंने अलग-अलग मात्रा में सामग्री युक्त घोल में उपचारित लकड़ी को भिगोया, और तरल को लकड़ी के गहरे आंतरिक भाग में खींचने के लिए वैक्यूम का उपयोग किया। लक्ष्य यह देखना था कि ग्राफीन ऑक्साइड छिद्रों के भीतर कैसे बैठता है और अलग-अलग मात्रा लकड़ी की संरचना को कैसे बदलती है। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, टीम ने देखा कि ग्राफीन ऑक्साइड सफलतापूर्वक लकड़ी में प्रवेश कर गया और वाहिकाओं (vessels) की भीतरी दीवारों को कोट कर दिया, जिससे रासायनिक आकर्षण के माध्यम से लकड़ी के रेशों के साथ एक स्थिर बंधन बनाया। महत्वपूर्ण रूप से, इस उपचार ने लकड़ी की मौलिक क्रिस्टलीय संरचना को नुकसान नहीं पहुँचाया, जिसका अर्थ है कि सेलुलोज रेशों की प्राकृतिक मजबूती बरकरार रही। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि ग्राफीन ऑक्साइड मिलाने से लकड़ी उच्च तापमान पर जलने के प्रति अधिक प्रतिरोधी हो गई, क्योंकि इस सामग्री ने गर्मी के दौरान लकड़ी को एक अधिक स्थिर सुरक्षात्मक परत बनाने में मदद की।

सबसे महत्वपूर्ण खोज इस संबंध में थी कि ग्राफीन ऑक्साइड की मात्रा ने छिद्रों के आकार और कनेक्टिविटी को कैसे बदला। जब सांद्रता बहुत कम थी, तो सामग्री मैक्रोपोर के गले (throats) पर जमा होने लगी, जिससे एक अवरोधक परत बन गई जिसने प्रभावी रूप से उपयोगी स्थान को छोटा कर दिया। जब सांद्रता बहुत अधिक थी, तो ग्राफीन ऑक्साइड की शीटों ने बड़े छिद्रों को पूरी तरह से भर दिया, जिससे मार्ग अवरुद्ध हो गए और खुली संरचना नष्ट हो गई। हालांकि, तीन भाग प्रति हजार की विशिष्ट सांद्रता पर, शोधकर्ताओं ने एक "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल बिंदु) पाया। इस स्तर पर, कंपोजिट ने एक पदानुक्रमित (hierarchical) छिद्र संरचना विकसित की, जिसका अर्थ है कि इसने बड़े, मध्यम और छोटे छिद्रों का मिश्रण बनाए रखा। बड़े छिद्र, जो मूल रूप से हजारों नैनोमीटर चौड़े थे, खुले और जुड़े रहे, जबकि मध्यम छिद्रों का आकार थोड़ा कम हुआ लेकिन वे कार्यात्मक बने रहे। इस विशिष्ट संतुलन ने सामग्री को पूरे लकड़ी में उत्कृष्ट कनेक्टिविटी बनाए रखने की अनुमति दी और साथ ही इसमें जोड़ा गया ग्राफीन के लाभ भी प्राप्त किए। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि रासायनिक उपचार और ग्राफीन ऑक्साइड की मात्रा को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, लकड़ी को एक परिष्कृत आंतरिक वास्तुकला के साथ इंजीनियर करना संभव है जो उन्नत अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी हो सकता है, बशर्ते कि सही सांद्रता का उपयोग किया जाए ताकि उन चैनलों को अवरुद्ध होने से बचाया जा सके जिनकी सामग्री को कार्य करने के लिए आवश्यकता होती है।