Synthesis of a superabsorbent with low residual monomer content by gamma irradiation and improving gel strength through surface treatment

एक ऐसे पदार्थ की कल्पना करें जो स्पंज की तरह काम करता है, लेकिन एक ऐसा स्पंज जो बिना टूटे अपने वजन से सैकड़ों गुना अधिक पानी सोख सकता है। ये सुपरएब्जॉर्बेंट पॉलिमर (superabsorbent polymers) हैं, जो आधुनिक डायपर, मेडिकल ड्रेसिंग और कृषि मृदा संशोधक (agricultural soil conditioners) के भीतर छिपे अदृश्य नायक हैं। ये पॉलिमर चेन का एक विशाल, त्रि-आयामी जाल बनाकर पानी के अणुओं को फँसाकर काम करते हैं। इन जालों को बनाने के लिए, वैज्ञानिक आमतौर पर एक तरल मोनोमर (monomer) को एक रासायनिक स्टार्टर या इनीशिएटर (initiator) के साथ मिलाते हैं ताकि अणुओं को आपस में जुड़ने के लिए मजबूर किया जा सके। हालाँकि, इस पारंपरिक रासायनिक विधि में अक्सर बिना प्रतिक्रिया वाले शुरुआती पदार्थ के सूक्ष्म अंश पीछे रह जाते हैं। उन उत्पादों के लिए जो संवेदनशील त्वचा को छूते हैं या मानव शरीर में प्रवेश करते हैं, इन बचे हुए रसायनों कीแม้ सूक्ष्म मात्रा भी समस्यात्मक हो सकती है। यह इन सामग्रियों को बनाने के एक स्वच्छ तरीके की आवश्यकता पैदा करता है, एक ऐसा तरीका जो पूरी तरह से रासायनिक स्टार्टर्स से बचता है और अंतिम उत्पाद को यथासंभव शुद्ध बनाता है।

तेहरान के न्यूक्लियर साइंस एंड टेक्नोलॉजी रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक ऐसा ही करने का तरीका खोज लिया है। रासायनिक स्टार्टर्स का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने अपने सुपरएब्जॉर्बेंट पॉलिमर को बनाने के लिए गामा विकिरण (gamma radiation) का सहारा लिया, जो उच्च-ऊर्जा वाली रोशनी का एक रूप है। एक नियंत्रित खुराक में एक्रिलिक एसिड के घोल को गामा विकिरण के संपर्क में लाकर, उन्होंने अणुओं को आपस में जुड़ने और एक ठोस जेल बनाने के लिए प्रेरित किया, जिसमें किसी भी अतिरिक्त रसायन को मिलाने की आवश्यकता नहीं पड़ी। यह प्रक्रिया न केवल सामग्री का निर्माण करती है, बल्कि इसे स्टरलाइज़ (sterilize) भी करती है, जिससे इसके बनते समय ही बैक्टीरिया मर जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि विकिरण की शक्ति और तरल की सांद्रता (concentration) को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे एक ऐसा जेल बना सकते थे जो अविश्वसनीय रूप से शुद्ध था, जिसमें लगभग कोई भी अन-रिएक्टेड शुरुआती पदार्थ नहीं बचा था।

टीम ने एक्रिलिक एसिड को पानी और सोडियम हाइड्रोक्साइड की एक छोटी मात्रा के साथ मिलाकर शुरुआत की ताकि एसिड को न्यूट्रलाइज (neutralize) किया जा सके, जिससे एक बहुलकीकरण (polymerization) के लिए तैयार घोल बन सके। उन्होंने इन मिश्रणों को शीशियों में डाला और उन्हें 10 से 25 किलोरे (kilograys) की सीमा में गामा विकिरण के अधीन किया। उन्होंने जल्दी ही सीख लिया कि एसिड की सांद्रता अत्यंत महत्वपूर्ण थी। जब घोल बहुत पतला था, तो विकिरण एक ठोस नेटवर्क बनाने में विफल रहा, जिसके परिणामस्वरूप जेल के बजाय एक जलीय तरल प्राप्त हुआ। हालाँकि, जब उन्होंने 15 प्रतिशत एक्रिलिक एसिड की सांद्रता का उपयोग किया, तो विकिरण ने सफलतापूर्वक अणुओं को एक मजबूत, लचीले जेल में बुन दिया। उन्होंने पाया कि 15 किलोरे की खुराक ने सबसे अच्छे परिणाम दिए, जिससे एक ऐसा जेल बना जहाँ लगभग 86 प्रतिशत सामग्री ने एक ठोस नेटवर्क बनाया। इससे कम खुराक ने पर्याप्त अणुओं को जोड़ने में विफलता दिखाई, जबकि इससे अधिक खुराक ने श्रृंखलाओं को तोड़ना शुरू कर दिया, जिससे संरचना कमजोर हो गई।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह नई विधि सुरक्षित और प्रभावी है, शोधकर्ताओं ने सामग्री का विस्तार से विश्लेषण किया। उन्होंने जेल के भीतर रासायनिक बंधों (chemical bonds) को देखने के लिए 'फूरियर-ट्रांसफॉर्म इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी' नामक तकनीक का उपयोग किया। परिणामों ने पुष्टि की कि मूल एक्रिलिक एसिड के डबल बॉन्ड्स गायब हो गए थे, जिनका स्थान एक लंबे पॉलिमर चेन के सिंगल बॉन्ड्स ने ले लिया था, जिससे सिद्ध हुआ कि विकिरण ने सफलतापूर्वक सामग्री का निर्माण किया था। उन्होंने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे जेल का परीक्षण भी किया, जिससे एक अनियमित छिद्रों (pores) से ढकी सतह का पता चला। ये छोटे छेद सतह क्षेत्र को बढ़ाते हैं, जिससे जेल पानी को तेजी से सोख पाता है। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने एक हाई-परफॉर्मेंस लिक्विड क्रोमैटोग्राफी मशीन का उपयोग करके अंतिम उत्पाद की शुद्धता का परीक्षण किया। पारंपरिक रासायनिक विधियों में, बचे हुए मोनोमर्स अक्सर 200 पार्ट्स प्रति मिलियन (ppm) से अधिक होते हैं। इसके विपरीत, विकिरण-संश्लेषित जेल में एक भाग प्रति मिलियन से भी कम मात्रा थी, जो शुद्धता का एक ऐसा स्तर है जो इसे चिकित्सा और स्वच्छता अनुप्रयोगों के लिए असाधारण रूप से उपयुक्त बनाता है।

हालाँकि जेल शुद्ध था और पानी को अच्छी तरह से सोखता था, शोधकर्ताओं ने देखा कि दबाने पर यह अभी भी थोड़ा नरम था, जो इन सामग्रियों के लिए एक सामान्य समस्या है। एक नरम जेल वजन के नीचे ढह सकता है, जिससे डायपर या घाव की ड्रेसिंग में तरल को रोकने की इसकी क्षमता कम हो जाती है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने एक सतही उपचार (surface treatment) लागू किया। उन्होंने सूखे जेल कणों को एथिलीन ग्लाइकोल डाई-ग्लिडिसिल ईथर (ethylene glycol di-glycidyl ether) नामक एक विशिष्ट क्रॉस-लिंकिंग एजेंट वाले घोल में भिगोया और फिर उन्हें गर्म किया। इस प्रक्रिया ने नरम, शोषक कोर को बदले बिना प्रत्येक कण पर एक सख्त बाहरी परत बनाई। इसका प्रभाव नाटकीय था। 30 मिनट तक सतह के उपचार के बाद, दबाव में तरल सोखने की जेल की क्षमता दोगुनी से अधिक हो गई, जो लगभग 13 ग्राम तरल प्रति ग्राम जेल से बढ़कर लगभग 30 ग्राम हो गई। यह सुधार इसलिए हुआ क्योंकि उपचार ने पॉलिमर नेटवर्क की सतह पर अतिरिक्त लिंक जोड़ दिए, जिससे यह पानी को अंदर आने देने के साथ-साथ दबने से बचने के लिए पर्याप्त कठोर बन गया।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि गामा विकिरण का उपयोग उच्च-प्रदर्शन वाले सुपरएब्जॉर्बेंट्स का उत्पादन करने का एक शक्तिशाली, पर्यावरण के अनुकूल तरीका है। यह रासायनिक इनीशिएटर्स की आवश्यकता को समाप्त करता है, जहरीले अवशेषों को भारी रूप से कम करता है, और सामग्री की मजबूती पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है। इस स्वच्छ संश्लेषण पद्धति को एक सरल सतही उपचार के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो अविश्वसनीय रूप से शुद्ध और यांत्रिक रूप से मजबूत है। यह दृष्टिकोण स्वच्छता और स्वास्थ्य सेवा के लिए सुरक्षित, अधिक प्रभावी उत्पाद बनाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि कभी-कभी सबसे उन्नत समाधान प्रकृति की मौलिक शक्तियों का उपयोग करने से आते हैं।