Laser-Induced Surface Structuring of Silicon for Enhanced Antibacterial Performance of Silver Thin Films
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सिलिकॉन पर फेमटोसेकंड लेजर-प्रेरित आवधिक सतह संरचनाओं (LIPSS) पर सिल्वर थिन फिल्म जमा करने से गैर-समान (non-conformal) विकास होता है जो फ्लैट सबस्ट्रेट्स पर फिल्मों की तुलना में *E. coli* के विरुद्ध जीवाणुरोधी प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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बैक्टीरिया (जीवाणु) जुड़ाव के उस्ताद होते हैं। वे सतहों से चिपक जाते हैं, संख्या बढ़ाते हैं और ऐसे लचीले समुदाय बनाते हैं जिन्हें हटाना बेहद कठिन होता है। दशकों से, वैज्ञानिक समाधान के लिए प्राकृतिक दुनिया की ओर देख रहे हैं, यह देखते हुए कि कैसे कुछ कीट, जैसे कि सिकाडा (cicadas), अपने पंखों पर सूक्ष्म उभारों का उपयोग करके बैक्टीरिया की झिल्लियों को भौतिक रूप से फाड़ देते हैं। यह "कॉन्टैक्ट किलिंग" (संपर्क हत्या) का दृष्टिकोण उन रसायनों पर पूरी तरह निर्भर रहने के बिना संक्रमण को रोकने का एक तरीका प्रदान करता है जिनके प्रति बैक्टीरिया अंततः प्रतिरोध विकसित कर सकते हैं। साथ ही, चांदी जैसी सामग्रियां लंबे समय से सूक्ष्मजीवों से लड़ने के लिए जानी जाती हैं, जो अंदर से बैक्टीरिया की कोशिकाओं को बाधित करने के लिए आयन छोड़ती हैं। चुनौती इन दोनों रणनीतियों को संयोजित करने में है: एक ऐसी सतह बनाना जो न केवल चांदी छोड़े बल्कि बैक्टीरिया को इसके साथ अधिक तीव्रता से संपर्क करने के लिए भौतिक रूप से मजबूर भी करे।
फ्रांस के यूनिवर्सिटी ऑफ ऑरलियन्स के शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए हाथ डाला कि क्या वे एक ऐसी सतह इंजीनियर कर सकते हैं जो इस संपर्क को अधिकतम करती हो। उन्होंने 'लेजर-इंड्यूस्ड पीरियडिक सरफेस स्ट्रक्चरिंग' नामक तकनीक पर ध्यान केंद्रित किया, जो सामग्री में सूक्ष्म, लहरदार पैटर्न उकेरने के लिए प्रकाश के अत्यंत अल्प स्पंदों (ultra-short pulses) का उपयोग करती है। कल्पना कीजिए कि पत्थर फेंकने के बाद तालाब की सतह कैसी दिखती है, लेकिन वह जम गई है और बैक्टीरिया के आकार तक छोटी कर दी गई है। सिलिकॉन पर इन पैटर्न को बनाकर, टीम सिलिकॉन के प्रभाव को अलग कर सकती थी, क्योंकि सिलिकॉन स्वाभाविक रूप से बैक्टीरिया को नहीं मारता है। इसके बाद, उन्होंने इन पैटर्न वाली सतहों को चांदी की एक पतली परत से दो अलग-अलग तरीकों से ढका: एक जो चांदी के परमाणुओं को महीन धुंध की तरह छिड़कता है, और दूसरा जो सतह पर चांदी को दागने के लिए लेजर का उपयोग करता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या लहरदार परिदृश्य चांदी की फिल्म के बनने के तरीके को बदलेगा और अधिक महत्वपूर्ण रूप से, यह बैक्टीरिया को बढ़ने से रोकने में कितना प्रभावी होगा।
टीम ने एक फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर्स में गहरे, समानांतर लहरदार पैटर्न उकेरे। ये लहरें बहुत सटीक थीं, जिनमें प्रत्येक शिखर (peak) के बीच की दूरी लगभग 850 नैनोमीटर और ऊंचाई लगभग 650 नैनोमीटर थी। इस पैमाने को समझने के लिए, ये लहरें अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म हैं। एक बार जब सिलिकॉन को पैटर्न किया गया, तो शोधकर्ताओं ने चांदी की लगभग 100 नैनोमीटर मोटी परत जमा की। उन्हें उम्मीद थी कि चांदी लहरों की घाटियों में सुचारू रूप से बहेगी, और सतह के हर इंच को एक कंबल की तरह ढक लेगी। हालांकि, जब उन्होंने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे परिणामों का परीक्षण किया, तो उन्हें कुछ अलग मिला। चांदी लहरों के घुमावों का पूरी तरह से पालन नहीं कर पाई। इसके बजाय, यह लहरों के शीर्षों पर जमा होने लगी, जिससे गहरी घाटियाँ कम ढकी रह गईं। इस असमान कवरेज के बावजूद, चांदी पूरे सतह को ढकने में सफल रही, जिसमें लहरों के किनारे भी शामिल थे, और इसने धात्विक चांदी की विशिष्ट क्रिस्टलीय संरचना बनाई।
नमूने तैयार होने के बाद, टीम बैक्टीरिया की ओर मुड़ी। उन्होंने प्रत्येक सतह पर लाखों ई. कोलाई (Escherichia coli) कोशिकाओं वाला एक बूंद रखा और कई घंटों तक देखा कि क्या होता है। एक सपाट, बिना पैटर्न वाली सिलिकॉन सतह पर, बैक्टीरिया तेजी से बढ़े, जो घातांकीय विस्तार (exponential expansion) के मानक वक्र का पालन करते हैं। जब बैक्टीरिया को बिना चांदी वाले पैटर्न वाले सिलिकॉन पर रखा गया, तो उनकी वृद्धि थोड़ी धीमी हो गई, जिससे पता चला कि लहरदार बनावट अकेले ही उनके बैठने को थोड़ा कठिन बना देती है। हालांकि, असली अंतर तब आया जब चांदी मिलाई गई। चांदी से ढकी सपाट सिलिकॉन पर, बैक्टीरिया फिर भी बढ़े, हालांकि मैग्नेट्रोन-स्पटर (magnetron-sputtered) चांदी ने उन्हें मैग्नेट्रोन विधि की तुलना में अधिक धीमा किया। इस अंतर का कारण चांदी के दानों (grains) का आकार प्रतीत हुआ; मैग्नेट्रोन विधि ने छोटे दाने बनाए, जो बैक्टीरिया के स्पर्श के लिए अधिक सतह क्षेत्र प्रदान करते हैं।
सबसे नाटकीय परिणाम तब मिले जब लेजर-पैटर्न वाले सिलिकॉन पर चांदी जमा की गई। यहाँ, बैक्टीरिया केवल धीमे नहीं हुए; उन्हें लंबे समय तक नियंत्रित रखा गया। बैक्टीरिया की आबादी की वृद्धि सपाट सतहों की तुलना में लगभग आठ घंटे तक विलंबित हुई। यह विलंब इतना महत्वपूर्ण था कि पैटर्न वाली चांदी की सतहओं ने एक कॉपर (तांबा) संदर्भ नमूने के समान प्रदर्शन किया, जो बैक्टीरिया को मारने की अपनी मजबूत क्षमता के लिए जाना जाने वाला धातु है। शोधकर्ताओं ने देखा कि बैक्टीरिया की बूंद पैटर्न वाली सतह पर सपाट सतह की तुलना में बहुत अधिक फैल गई। क्योंकि सतह बनावट वाली थी, तरल समतल हो गया और एक बड़े क्षेत्र को कवर कर लिया, जिससे बैक्टीरिया और चांदी के बीच संपर्क दोगुना हो गया। इस बढ़े हुए संपर्क के साथ, यह तथ्य कि लहरदार सतह ने एक सपाट शीट की तुलना में तीन गुना अधिक कुल क्षेत्रफल प्रदान किया, इसका अर्थ था कि सूक्ष्मजीवों पर हमला करने के लिए चांदी के अधिक आयन घोल में छोड़े गए।
बैक्टीरिया को रोकने के अलावा, पैटर्न वाली सतहों ने एक व्यावहारिक समस्या को भी हल किया जो अक्सर चांदी की कोटिंग के साथ आती है: वे बेहतर तरीके से चिपकी रहीं। सपाट सिलिकॉन पर चांदी की फिल्में बेहद नाजुक होती हैं और धोने पर अक्सर निकल जाती हैं, जिसके लिए आमतौर पर उन्हें थामे रखने के लिए एक चिपचिपी मध्यवर्ती परत की आवश्यकता होती है। टीम ने पाया कि लेजर-पैटर्न वाले सिलिकॉन पर चांदी कभी नहीं उतरी, यहाँ तक कि जोरदार रिंसिंग (धोने) के बाद भी। चांदी के बढ़ने के असमान तरीके ने—लहरों के ऊपर जमा होकर निरंतर, तनावपूर्ण शीट बनाने के बजाय—आंतरिक तनाव को स्वाभाविक रूप से मुक्त करने में मदद की। इसका मतलब था कि कोटिंग पूरी परीक्षण प्रक्रिया के दौरान स्थिर और बरकरार रही।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि किसी सतह का आकार उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि वह किस सामग्री से बनी है। सिलिकॉन पर एक विशिष्ट, लहरदार बनावट बनाने के लिए लेजर का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने चांदी की प्राकृतिक जीवाणुरोधी शक्ति को बढ़ाया। बनावट ने बैक्टीरिया को फैलने के लिए मजबूर किया, जिससे चांदी के आयनों के प्रति उनका संपर्क बढ़ गया, जबकि इस अनूठी बनावट पर चांदी के बढ़ने के तरीके ने इसकी स्थायित्व में सुधार किया। निष्कर्ष बताते हैं कि किसी सतह के भौतिक परिदृश्य को इंजीनियर करना संक्रमण से लड़ने की उसकी क्षमता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकता है, जो चिकित्सा उपकरणों और अन्य उपकरणों के निर्माण के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है जो लंबे समय तक स्वच्छ रहते हैं।
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