Using Cellulose Nanofibers as the Sole Binder for Cement-Free Construction Materials
यह अध्ययन सीमेंट-मुक्त रेत सम्मिश्रों के लिए एकमात्र बाइंडर के रूप में सेलुलोज नैनोफाइबर्स के उपयोग की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है, जो रैम्ड-अर्थ (rammed-earth) स्तर की संपीड़न शक्ति प्रदर्शित करते हैं जो गीले और सूखने पर पूरी तरह से प्रतिवर्ती है, जो हल्के, कम कार्बन वाले और पुनर्चक्रण योग्य गैर-संरचनात्मक निर्माण सामग्री के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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कंक्रीट पृथ्वी पर सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली निर्माण सामग्री है, जो हमारे शहरों, सड़कों और पुलों का कंकाल बनाती है। फिर भी, इसे बनाने की कीमत दुनिया को भारी चुकानी पड़ती है। कंक्रीट को जोड़ने वाले चिपचिपे पेस्ट, जिसे सीमेंट कहा जाता है, को बनाने की प्रक्रिया भारी मात्रा में कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि कच्चे माल को अत्यधिक तापमान तक गर्म करना पड़ता है, और रासायनिक प्रतिक्रिया स्वयं भी गैस छोड़ती है। जैसे-जैसे दुनिया अधिक निर्माण कर रही है, इस सामग्री की मांग तेजी से बढ़ने वाली है, जिससे निर्माण की जरूरतों और एक स्वच्छ वातावरण के लक्ष्य के बीच की खाई चौड़ी होती जा रही है। दशकों से, वैज्ञानिक सीमेंट को किसी ऐसी चीज़ से बदलने के तरीके खोज रहे हैं जो खनन और जलाने के बजाय पृथ्वी से उगती हो, लेकिन ऐसी सामग्री खोजने में जो एक इमारत को थामे रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, सफलता मिलना कठिन रहा है।
एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने की दिशा में एक साहसी कदम उठाया है, यह सिद्ध करते हुए कि लकड़ी के रेशे (wood fibers) रेत के मिश्रण में सीमेंट की पूरी तरह से जगह ले सकते हैं। उन्होंने कंक्रीट में केवल थोड़ी सी लकड़ी नहीं जोड़ी; बल्कि उन्होंने सीमेंट को पूरी तरह से हटा दिया और रेत को बांधने के लिए केवल सेलुलोज नैनोफाइबर्स का उपयोग किया। ये रेशे लकड़ी से निकले अत्यंत सूक्ष्म धागे हैं, जो इतने छोटे हैं कि नग्न आंखों से दिखाई नहीं देते, फिर भी उनमें आपस में मजबूती से जुड़ने की प्राकृतिक क्षमता होती है। शोधकर्ताओं ने इन रेशों को विभिन्न अनुपातों में रेत के साथ मिलाया, मिश्रण को सुखाया, और परीक्षण किया कि परिणामी ब्लॉक भार को कितनी अच्छी तरह सहन कर सकते हैं। उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि बिना किसी सीमेंट के ठोस सामग्री बनाना संभव है, जो हल्के, कम-कार्बन वाले और संभावित रूप से पुनर्चक्रण योग्य गैर-संरचनात्मक (non-structural) सामग्रियों का मार्ग खोलता है।
टीम ने बारह अलग-अलग मिश्रण तैयार करके शुरुआत की, जिसमें उन्होंने लकड़ी के रेशों की मात्रा और रेत के प्रकार को बदला ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा संयोजन सबसे अच्छा काम करेगा। उन्होंने पाया कि रेत के कणों को आपस में जोड़ने के लिए रेशों की एक न्यूनतम मात्रा आवश्यक थी; यदि रेशे बहुत कम थे, तो सूखने पर मिश्रण बिखर जाता था। एक बार जब वे इस सीमा को पार कर गए, तो मिश्रण ने ठोस ब्लॉक बनाए जिन्हें संभाला जा सके और जिनका परीक्षण किया जा सके। सबसे मजबूत ब्लॉक, जिनमें रेशों की मात्रा सबसे अधिक थी, वे लगभग 3.73 मेगापास्कल के दबाव को सहन कर सके। हालांकि यह गगनचुंबी इमारतों के भारी वजन को सहारा देने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है, लेकिन यह 'रैम्ड अर्थ' (rammed earth) या एडोब (adobe) के समान है, जो ऐसी सामग्रियां हैं जिनका उपयोग हजारों वर्षों से दीवारें और घर बनाने के लिए किया जाता रहा है। यह सुझाव देता है कि यह नई सामग्री गैर-संरचनात्मक अनुप्रयोगों, जैसे कि बगीचे के किनारों के ब्लॉक, पथ के टाइल्स, या आंतरिक विभाजनों (interior partitions) के लिए उपयुक्त है।
अध्ययन में एक प्रमुख खोज इन ब्लॉकों के जुड़ने के तरीके को समझना था। सीमेंट के विपरीत, जो एक अपरिवर्तनीय रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से कठोर होता है जो एक स्थायी पत्थर जैसी संरचना बनाता है, लकड़ी के रेशे हाइड्रोजन बॉन्ड नामक भौतिक बलों के माध्यम से जुड़ते हैं। ये फाइबर अणुओं के जल-प्रेमी (water-loving) हिस्सों के बीच कमजोर आकर्षण हैं। चूंकि ये बंधन रेशों के करीब होने और सूखने पर निर्भर करते हैं, इसलिए ब्लॉक गीले होने पर अपनी लगभग सारी मजबूती खो देते हैं। जब शोधकर्ताओं ने ब्लॉकों को पानी में भिगोया, तो वे नरम और कमजोर हो गए, जिससे उनकी भार सहने की क्षमता में लगभग 95 प्रतिशत की कमी आई। हालांकि, इस सामग्री ने खुद को ठीक करने की उल्लेखनीय क्षमता दिखाई। जब गीले ब्लॉकों को फिर से सुखाया गया, तो उन्होंने न केवल अपनी मूल शक्ति वापस पा ली, बल्कि वे पहले से थोड़े अधिक मजबूत भी हो गए। गीला होने और फिर सूखने का यह चक्र रेशों को एक अधिक सघन और कुशल नेटवर्क में पुनर्गठित होने की अनुमति देता है, जो यह सिद्ध करता है कि बंधन की प्रक्रिया प्रतिवर्ती (reversible) और भौतिक है, न कि रासायनिक।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि ब्लॉकों को बनाने का तरीका उनकी मजबूती को प्रभावित करता है। जब मिश्रण को ब्लॉक बनाने के लिए दबाया गया, तो सूक्ष्म रेशों ने एक विशिष्ट दिशा में खुद को संरेखित (align) कर लिया, ठीक वैसे ही जैसे मेज पर सपाट रखी हुई पेंसिलों का ढेर। इसने एक ऐसी सामग्री बनाई जो एक दिशा में दूसरी दिशा की तुलना में अधिक मजबूत थी। इसके अतिरिक्त, उन्होंने पाया कि ब्लॉक का घनत्व (density) उस तरह से मजबूती का पूर्वानुमान नहीं लगाता जैसा कि पारंपरिक कंक्रीट के मामले में होता है। इस नई सामग्री में, अधिक रेशों का मतलब था कि ब्लॉक हल्का भी था और मजबूत भी, क्योंकि अतिरिक्त रेशों ने रेत के कणों के बीच अधिक बंधन बनाए। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि ब्लॉकों की सतह पर जल-विकर्षक (water-repellent) कोटिंग करने से उनके पानी सोखने की मात्रा को काफी कम किया जा सकता है, जो गीली स्थितियों में उनकी कमजोरी का एक संभावित समाधान प्रदान करता है।
ब्लॉकों की सूक्ष्म संरचना को देखते हुए, शोधकर्ताओं ने देखा कि रेशे एक जाल की तरह कार्य करते हैं। कम रेशों वाले मिश्रणों में, धागे व्यक्तिगत रेत के कणों के बीच के अंतराल को केवल पाटते (bridge) थे। अधिक रेशों वाले मिश्रणों में, धागों ने एक निरंतर, घने फिल्म का निर्माण किया जिसने रेत को पूरी तरह से लपेट लिया, जिससे एक ठोस मैट्रिक्स बन गया। रेशों के बढ़ते स्तर के साथ सामग्री के अधिक मजबूत होने के पीछे इस संक्रमण—कुछ जोड़ने वाले पुलों से लेकर पूर्ण आवरण तक—ने स्पष्टीकरण दिया। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि यह सामग्री अभी भी ऊंची इमारतों के निर्माण में कंक्रीट की जगह नहीं ले सकती है, फिर भी यह कई रोजमर्रा की निर्माण जरूरतों के लिए एक व्यवहार्य, कम-कार्बन विकल्प प्रदान करती है। यह सोचने के तरीके में एक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है, जो दिखाता है कि निर्माण का भविष्य के लिए शायद अतीत की भारी, कार्बन-गहन रसायन विज्ञान की आवश्यकता नहीं होगी, बल्कि यह दुनिया को थामे रखने के लिए लकड़ी के रेशों की सरल, नवीकरणीय शक्ति पर निर्भर हो सकता है।
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