Enhancing Toughness of Poly(L-lactic acid) for 3D-Printing Applications by Utilizing Long-chain Branching

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ मेडिकल इम्प्लांट से लेकर कार के पुर्जों तक सब कुछ बनाने के लिए इस्तेमाल होने वाला प्लास्टिक मक्का या गन्ने से बना हो। यह सामग्री, जिसे पॉली(एल-लैक्टिक एसिड) या PLLA के रूप में जाना जाता है, हरित क्रांति का एक सितारा है क्योंकि यह स्वाभाविक रूप से टूट जाती है और पर्यावरण के लिए सुरक्षित है। यह 3D प्रिंटिंग नामक एक लोकप्रिय तरीके से वस्तुएं बनाने के लिए पसंदीदा विकल्प बन गया है, जहाँ एक मशीन प्लास्टिक को पिघलाती है और आकार बनाने के लिए उसे पतली परतों में बिछाती है। हालाँकि, इस सामग्री के साथ एक बड़ी समस्या है: इससे बने हिस्से अक्सर भंगुर (brittle) होते हैं। एक सूखी टहनी की तरह जो दबाव पड़ने पर टूट जाती है, ये प्रिंट की गई वस्तुएं तनाव पड़ने पर मुड़ने के बजाय टूटने लगती हैं। यह नाजुकता वास्तविक इंजीनियरिंग में उनके उपयोग को सीमित करती है, जहाँ स्थायता अनिवार्य है। इस कमजोरी का कारण यह है कि ठंडा होने के दौरान प्लास्टिक के अणु खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं। जब पिघला हुआ प्लास्टिक सख्त होता है, तो वह व्यवस्थित, क्रिस्टल जैसी संरचनाएं बनाने की कोशिश करता है। यदि ये संरचनाएं बहुत बड़ी हो जाती हैं और आपस में जुड़ जाती हैं, तो सामग्री सख्त और टूटने के प्रति संवेदनशील हो जाती है।

इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्लास्टिक के अणुओं के आकार को बदलने के लिए एक शोध अभियान चलाया ताकि वे देख सकें कि क्या वे अंतिम उत्पाद को अधिक मजबूत बना सकते हैं। प्लास्टिक को अलग तरह से क्रिस्टलाइज करने के लिए बाहरी रसायनों को जोड़ने के बजाय, उन्होंने पॉलीमर श्रृंखलाओं की वास्तुकला (architecture) को ही संशोधित किया। उन्होंने मानक, सीधी PLLA श्रृंखलाओं को लिया और उनमें लंबी शाखाएं (branches) डालीं, जिससे एक ऐसी संरचना बनी जो एक साधारण रस्सी के बजाय पेड़ों की शाखाओं वाले पेड़ की तरह दिखती है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये शाखाएं प्लास्टिक को प्रिंट करते समय एक बहुत ही महीन और घनी आंतरिक संरचना बनाने के लिए मजबूर करेंगी, जो बड़े, भंगुर गुच्छों को बनने से रोक सके। टीम ने इस संशोधित प्लास्टिक के एकल धागे प्रिंट किए और उन्हें कठोर परीक्षणों के अधीन किया, जिसमें यह मापा गया कि वे कितनी तेजी से क्रिस्टलाइज होते हैं, सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे उनकी आंतरिक संरचना कैसी दिखती है, और टूटने से पहले वे कितना बल सहन कर सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इन लंबी शाखाओं को जोड़ने से प्लास्टिक कुल मिलाकर तेजी से क्रिस्टलाइज नहीं हुआ, जो कि इस क्षेत्र में पिछली कुछ धारणाओं को चुनौती देता है। इसके बजाय, शाखाओं ने क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया शुरू करने के लिए एक शक्तिशाली ट्रिगर के रूप में कार्य किया। अध्ययन की भाषा में, शाखाओं ने उन शुरुआती बिंदुओं, या 'न्यूक्लिआई' (nuclei) की संख्या में नाटकीय रूप रूप से वृद्धि की, जहाँ क्रिस्टल उगना शुरू हो सकते हैं। हालाँकि, जबकि शाखाओं ने इन शुरुआती बिंदुओं को अधिक संख्या में प्रकट होने के लिए प्रोत्साहित किया, उन्होंने साथ ही क्रिस्टल के विस्तार की गति को धीमा भी कर दिया। इस संयोजन ने एक अनूठा प्रभाव पैदा किया: क्योंकि कई क्रिस्टल एक साथ उगना शुरू हुए, लेकिन उनमें से कोई भी अपने पड़ोसियों से टकराने से पहले बहुत बड़ा नहीं हो सका, इसलिए अंतिम सामग्री बड़े और विशाल क्रिस्टल के बजाय छोटे क्रिस्टल के एक घने जंगल से भर गई। यह महीन-दाने वाली संरचना ही इस सामग्री की नई ताकत की कुंजी है।

जब टीम ने प्रिंट किए गए धागों के यांत्रिक गुणों का परीक्षण किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। मानक, बिना शाखा वाला प्लास्टिक सख्त था और आसानी से टूट जाता था, जो टूटने से पहले अपनी मूल लंबाई का केवल लगभग 1.6 प्रतिशत ही खिंच पाता था। इसके विपरीत, उच्चतम संख्या में शाखाओं वाले प्लास्टिक ने तीन गुना अधिक दूरी तक खिंचाव दिखाया, जो विफल होने से पहले 5.2 प्रतिशत तक पहुँच गया। यह खिंचाव की क्षमता, जिसे डक्टिलिटी (ductility) कहा जाता है, मजबूती का एक महत्वपूर्ण पैमाना है। टूटने के लिए आवश्यक ऊर्जा, जिसे स्ट्रेस कर्व के नीचे के क्षेत्र के रूप में गणना की गई थी, 0.2 इकाइयों के निम्न स्तर से उछलकर 2.3 इकाइयों तक पहुँच गई। इसका अर्थ है कि संशोधित सामग्री बिना टूटे काफी अधिक प्रभाव (impact) को अवशोषित कर सकती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह सुधार सीधे तौर पर परिष्कृत आंतरिक संरचना से आया था, क्योंकि सूक्ष्मदर्शी छवियों ने दिखाया कि मानक प्लास्टिक में क्रिस्टल का आकार लगभग 30 माइक्रोमीटर से घटकर सबसे अधिक शाखाओं वाले संस्करण में केवल 2 माइक्रोमीटर रह गया।

अध्ययन ने इस सुधार के अन्य संभावित कारणों को भी सावधानीपूर्वक खारिज कर दिया। शोधकर्ताओं ने सत्यापित किया कि प्लास्टिक इसलिए मजबूत नहीं हुआ क्योंकि अणु प्रिंटिंग के दौरान एक विशिष्ट दिशा में संरेखित (align) हो रहे थे, जिसे ओरिएंटेशन (orientation) नामक एक घटना कहा जाता है। उनके माप ने दिखाया कि क्रिस्टल बेतरतीब ढंग से उन्मुख (randomly oriented) थे, जिसका अर्थ है कि मजबूती शुद्ध रूप से क्रिस्टल के आकार और घनत्व से आई थी, न कि उनके संरेखण से। उन्होंने यह भी पुष्टि की कि शाखाएं बाहरी अशुद्धियों के रूप में कार्य नहीं करती थीं जो केवल क्रिस्टल शुरू करने के लिए सतह पर बैठी थीं; इसके बजाय, शाखाओं ने पिघल के भीतर अणुओं की गति और अंतःक्रिया के तरीके को बदल दिया ताकि प्राकृतिक रूप से अधिक शुरुआती बिंदु बन सकें। हालांकि बढ़े हुए गाढ़ेपन के कारण शाखाओं वाले प्लास्टिक को प्रिंटर नोजल से धकेलना थोड़ा कठिन था, टीम ने नोट किया कि इसे प्रवाह को समायोजित करने के लिए मानक प्लास्टिक के साथ मिलाकर आसानी से प्रबंधित किया जा सकता है।

अंततः, यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि केवल पॉलीमर श्रृंखलाओं के आकार को बदलकर, जिनमें लंबी शाखाएं शामिल हों, एक भंगुर, 3D-प्रिंटेड प्लास्टिक को बहुत अधिक मजबूत और लचीली सामग्री में बदला जा सकता है। इस प्रक्रिया के लिए जटिल एडिटिव्स या पूरी तरह से नए विनिर्माण उपकरणों की आवश्यकता नहीं है, बल्कि यह सामग्री की आणविक वास्तुकला के चतुर हेरफेर पर आधारित है। प्लास्टिक को कुछ बड़े, नाजुक क्रिस्टल के बजाय छोटे क्रिस्टल के घने नेटवर्क बनाने के लिए मजबूर करके, शोधकर्ताओं ने चुनौतीपूर्ण अनुप्रयोगों में जैव-आधारित प्लास्टिक के उपयोग को लंबे समय से बाधित करने वाली भंगुरता को दूर करने का एक व्यावहारिक मार्ग खोज लिया है। यह दृष्टिकोण सुझाव देता है कि टिकाऊ विनिर्माण का भविष्य केवल नई सामग्रियां खोजने में नहीं, बल्कि हमारे पास मौजूद सामग्रियों की संरचना को फिर से कल्पना करने में निहित है।