Freeze-induced gelation of dilute alginate suspensions enables encapsulation of suspended microparticles
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विरल एल्जिनेट/Ca²⁺ सस्पेंशन का धीमा फ्रीजिंग, फ्रीज-प्रेरित सांद्रता के माध्यम से अपरिवर्तनीय हाइड्रो जेल निर्माण को प्रेरित करता है, जो अतिरिक्त पोस्ट-प्रोसेसिंग चरणों की आवश्यकता के बिना निलंबित सूक्ष्म कणों के कुशल एनकैप्सुलेशन को सक्षम बनाता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ पानी, जब बर्फ में बदलता है, तो वह न केवल एक ठोस बनाने वाले के रूप में बल्कि एक संकेंद्रक (concentrator) के रूप में भी कार्य करता है। कई तरल मिश्रणों में, जब बर्फ के क्रिस्टल बढ़ने लगते हैं, तो वे इस बात को लेकर बहुत चयनात्मक होते हैं कि वे अपनी ठोस संरचना में किसे प्रवेश करने दें। वे शुद्ध जल अणुओं को प्राथमिकता देते हैं और नमक, चीनी या पॉलिमर जैसे घुले हुए पदार्थों को बाहर धकेल देते हैं। जैसे-जैसे बर्फ का विस्तार होता है, यह इन अस्वीकृत सामग्रियों को क्रिस्टल के बीच बचे तरल के घटते जेबों (pockets) में दबा देता है। यह प्रक्रिया, जिसे 'फ्रीज-इंड्यूस्ड कंसंट्रेशन' (freeze-induced concentration) के रूप में जाना जाता है, भौतिकी में एक अच्छी तरह से समझ में आने वाली घटना है, लेकिन इसका उपयोग बहुत कम बार उस विशिष्ट रासायनिक परिवर्तन को ट्रिगर करने के लिए किया गया है जो अपने आप बदलने के लिए बहुत कमजोर शुरुआती बिंदु से शुरू हुआ हो। शोधकर्ता यह सवाल पूछ रहे थे कि क्या यह प्राकृतिक दबाव शक्ति एक बहुत ही पतले, जलीय घोल को एक ठोस जेल में बदलने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकती है, और यदि ऐसा है, तो उस परिवर्तन के दौरान उस पानी में तैरती छोटी वस्तुओं का क्या होता है।
यह प्रश्न महत्वपूर्ण है क्योंकि आधुनिक पदार्थ विज्ञान (materials science) में जेल हर जगह मौजूद हैं, जिनका उपयोग दवाओं को रोकने, कोशिकाओं की रक्षा करने या नए ऊतकों के लिए मचान (scaffolds) बनाने के लिए किया जाता है। आमतौर पर, इन जेलों को बनाने के लिए सामग्री को आपस में जोड़ने के लिए रसायनों को मिलाने या गर्मी लगाने की आवश्यकता होती है। यदि प्रकृति इस जुड़ाव को मिश्रण को जमाने मात्र से कर सके, तो यह सामग्रियों के निर्माण का एक अधिक कोमल और सरल तरीका होगा। इसके अलावा, यदि यह प्रक्रिया निर्माण के दौरान सूक्ष्म कणों को उस जेल के भीतर फंसा सकती है, तो यह सामग्रियों को बिना नुकसान पहुँचाए उन्हें स्थिर करने का एक नया तरीका प्रदान कर सकती है। चुनौती यह रही है कि अधिकांश शुरुआती मिश्रण इतने विरल (dilute) होते हैं कि वे अपने आप जेल नहीं बन पाते; उन्हें उस महत्वपूर्ण बिंदु तक पहुँचने के लिए एक धक्के की आवश्यकता होती है जहाँ वे आपस में जुड़कर लॉक हो सकें।
हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, ब्राजील के फेडरल यूनिवर्सिटी ऑफ साओ कार्लोस के शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि धीमी गति से जमना (slow freezing) ठीक वही धक्का प्रदान कर सकता है। उन्होंने सोडियम एल्जिनेट (जो समुद्री शैवाल से प्राप्त एक सामान्य पदार्थ है) और कैल्शियम क्लोराइड (एक नमक जो एल्जिनेट श्रृंखलाओं को आपस में चिपकाने में मदद करता है) का एक बहुत ही विरल मिश्रण लिया। अपने तरल अवस्था में, यह मिश्रण जेल बनाने के लिए बहुत कमजोर था; यह पानी की तरह बहता था और अपने आप कभी ठोस नहीं होता। इस जलीय घोल में, उन्होंने नीले रंग के सूक्ष्म कण डाले, जो महीन धूल के आकार के समान थे, ताकि वे किसी भी निलंबित सामग्री के मॉडल के रूप में कार्य कर सकें जिसे वे लटकाना चाहते हों। टीम ने फिर इन कंटेनरों को एक मानक फ्रीजर में रखा और उन्हें तीन घंटों में धीरे-धीरे जमने दिया।
जैसे-जैसे बर्फ के क्रिस्टल बढ़े, उन्होंने एल्जिनेट और कैल्शियम आयनों को बाहर धकेल दिया, जिससे वे शेष तरल स्थानों में केंद्रित हो गए। यह सांद्रता इतनी तीव्र हो गई कि मिश्रण ने जेल बनने की दहलीज को पार कर लिया। कैल्शियम आयनों ने पुलों (bridges) के रूप में कार्य किया, जिससे एल्जिनेट श्रृंखलाएं आपस में जुड़कर एक स्थायी, त्रि-आयामी नेटवर्क में बदल गईं। महत्वपूर्ण रूप से, यह तब हुआ जब मिश्रण अभी भी जम रहा था। जब शोधकर्ताओं ने बाद में नमूनों को पिघलाया, तो उन्होंने पाया कि तरल एक ठोस, अपरिवर्तनीय हाइड्रो जेल में बदल गया था। अन्य विधियों के विपरीत, जिनमें ठोस संरचना छोड़ने के लिए बर्फ को सुखाना पड़ता है, यह जेल केवल इसलिए बरकरार और स्थिर रहा क्योंकि जमने की प्रक्रिया ने स्वयं रासायनिक बंधन को सक्रिय कर दिया था।
प्रयोग ने यह भी खुलासा किया कि मिश्रण में तैरते नीले कणों के साथ क्या हुआ। क्योंकि बर्फ के क्रिस्टल हर चीज़ को अपने रास्ते से हटा देते थे, इसलिए कणों को जेल बनाने वाली सामग्रियों के साथ केंद्रित कर दिया गया। जैसे ही जेल नेटवर्क उनके चारों ओर बना, कण उनके भीतर फंस गए। शोधकर्ताओं ने पाया कि निलंबित कणों का लगभग 91 प्रतिशत सफलतापूर्वक जेल संरचना के भीतर कैद हो गया। उन्होंने देखा कि कणों का आकार मायने रखता था: बड़े कणों की तुलना में छोटे कण अधिक कुशलता से पकड़े गए। ऐसा संभवतः इसलिए है क्योंकि छोटे कण घटते तरल जेबों के भीतर अधिक स्वतंत्र रूप से घूम सकते थे, जिससे वे जेल के बनने तक निलंबित रहने में सक्षम रहे, जबकि बड़े कण जेल द्वारा पकड़ने से पहले ही तरल से नीचे बैठने लगे।
यह अध्ययन इसे प्रदूषण को साफ करने या पर्यावरण से माइक्रोप्लास्टिक्स को हटाने के एक नए तरीके के रूप में प्रस्तावित नहीं करता है। इसके बजाय, लेखक इसे एक मौलिक खोज के रूप में प्रस्तुत करते हैं कि कैसे भौतिक बल रासायनिक परिवर्तनों को संचालित कर सकते हैं। उन्होंने दिखाया कि केवल जमना ही एक कमजोर, तरल मिश्रण को एक मजबूत, ठोस जेल में बदलने के लिए पर्याप्त है, और साथ ही निलंबित पदार्थों को भी लॉक कर देता है। यह खोज एक सीधा, कम-तकनीकी तंत्र प्रदान करती है जिससे ऐसे मिश्रित सामग्रियाँ बनाई जा सकती हैं जहाँ कण एक जेल नेटवर्क के भीतर अंतर्निहित होते हैं, जिसमें जटिल मशीनरी या अतिरिक्त रासायनिक उपचारों की आवश्यकता नहीं होती है। यह सुझाव देता है कि केवल अपने मिश्रण के जमने के तरीके को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक विशिष्ट गुणों वाली नई सामग्रियाँ बना सकते हैं, जो विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए जेल बनाने और सूक्ष्म कणों को स्थिर करने के लिए भविष्य के कार्यों हेतु एक सरल मार्ग खोलता है।
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