Analysis of the Mechanical Properties of Bioconcrete
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कंक्रीट में *Bacillus subtilis* और कैल्शियम लैक्टेट को शामिल करने से एक तकनीकी रूप से व्यवहार्य स्व-उपचार (self-healing) सामग्री निर्मित होती है, जिसमें आर्द्र परिस्थितियों में बढ़ी हुई संपीड़न शक्ति और दरार-सीलिंग क्षमताएं होती हैं, हालांकि बैक्टीरिया की उच्च खुराक कठोरता को कम करती है, जो इक्वाडोर जैसे भूकंपीय क्षेत्रों में प्रदर्शन और स्थायित्व के बीच संतुलन बनाने के लिए 1% कैल्शियम लैक्टेट और 2.5% बायोप्रोडक्ट की इष्टतम खुराक का सुझाव देती है।
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कंक्रीट आधुनिक बुनियादी ढांचे की रीढ़ है, एक ऐसा पदार्थ जो इतना व्यापक है कि यह लगभग हर शहर के क्षितिज को आकार देता है और लगभग हर सड़क की नींव बनाता है। फिर भी, अपनी मजबूती के बावजूद, कंक्रीट में एक घातक दोष है: इसमें दरारें पड़ जाती हैं। ये दरारें, जो अक्सर एक बाल जितनी भी चौड़ी नहीं होतीं, पानी और हानिकारक रसायनों को गहराई तक रिसने देती हैं, जिससे इसके भीतर मौजूद स्टील सुदृढीकरण (reinforcement) संक्षारित होता है और संरचना धीरे-धीरे कमजोर हो जाती है। दशकों से, इसका समाधान मानवीय हस्तक्षेप रहा है, जिसमें कर्मियों को रेजिन इंजेक्ट करने या पैच लगाने की आवश्यकता होती है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो महंगी, दोहराव वाली और अक्सर अस्थायी होती है। एक ऐसी इमारत का सपना जो खुद की मरम्मत कर सके, अपने घावों को उसी तरह भर सके जैसे मानव शरीर एक कट को भरता है, लंबे समय से इंजीनियरों को मंत्रमुग्ध करता रहा है। यह अवधारणा एक जैविक युक्ति पर निर्भर करती है: अंतराल को भरने के लिए एक खनिज का उत्पादन करने हेतु जीवित बैक्टीरिया का उपयोग करना।
इक्वाडोर के उनीवर्सीडाड डे लास फुएर्ज़ास अरमाडास स्पेश (Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस सपने को एक विशिष्ट, व्यावहारिक लक्ष्य के साथ परखने का निर्णय लिया। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे अपनी संरचनात्मक शक्ति खोए बिना दरारों को खुद भरने वाले कंक्रीट के निर्माण के लिए एक सामान्य मिट्टी के बैक्टीरिया, जिसे बैसिलस सबटिलिस (Bacillus subtilis) के रूप में जाना जाता है, को कंक्रीट में मिला सकते हैं। इसे सफल बनाने के लिए, उन्हें बैक्टीरिया के लिए भोजन के स्रोत की आवश्यकता थी, जिसे उन्होंने कैल्शियम लैक्टेट के रूप में प्रदान किया, जो एक पोषक तत्व है जिसे सूक्ष्मजीव कैल्शियम कार्बोनेटेट बनाने के लिए उपभोग करते हैं। यह सफेद, चट्टान जैसा पदार्थ वही सामग्री है जिससे चूना पत्थर और चाक बना होता है, और कंक्रीट के संदर्भ में, यह एक प्राकृतिक सीमेंट के रूप में कार्य करता है जो दरारों को भर देता है। शोधकर्ता विशेष रूप से यह जानने में रुचि रखते थे कि यह जीवित मिश्रण उनके क्षेत्र की विशिष्ट परिस्थितियों में कैसा व्यवहार करेगा, जहाँ उच्च आर्द्रता और बार-बार आने वाले भूकंप लगातार इमारतों पर दबाव डालते हैं। उनका लक्ष्य एक आदर्श संतुलन खोजना था: दरारों को प्रभावी ढंग से भरने के लिए पर्याप्त बैक्टीरिया, लेकिन इतना अधिक नहीं कि कंक्रीट बहुत कमजोर या बहुत लचीला हो जाए जिससे इमारत को थामे रखने में कठिनाई हो।
टीम ने अपने बैक्टीरियल घटक की गुणवत्ता को सत्यापित करके शुरुआत की, जो एक फंगीसाइड (कवकनाशी) के रूप में बेचा जाने वाला एक व्यावसायिक उत्पाद था। उन्होंने पुष्टि की कि तरल में जीवित बैक्टीरिया की सही संख्या थी और वे शुद्ध थे, अन्य दूषित पदार्थों से मुक्त थे। इसके बाद उन्होंने कंक्रीट के मिश्रणों की एक श्रृंखला तैयार की, जिसकी शुरुआत एक मानक नुस्खे से हुई और फिर उसमें कैल्शियम लैक्टेट पोषक तत्व की विभिन्न मात्रा जोड़ी गई। उन्होंने इस पोषक तत्व के तीन स्तरों का परीक्षण किया, और पाया कि सीमेंट के वजन का एक प्रतिशत जोड़ने से कंक्रीट की कुचलने वाले बलों (crushing forces) का प्रतिरोध करने की क्षमता में काफी वृद्धि हुई। यह मिश्रण, बिना किसी बैक्टीरिया के, 28 दिनों के बाद 336.14 किलोग्राम/सेमी² की मजबूती तक पहुँच गया, जो मानक मिश्रण की तुलना में एक बड़ा सुधार है। इससे पता चला कि पोषक तत्व न केवल बैक्टीरिया के लिए भोजन है, बल्कि एक लाभकारी योज्य (additive) भी है जो कंक्रीट को अधिक सघन और मजबूत बनाता है।
इसके बाद, शोधकर्ताओं ने मिश्रण में बैक्टीरिया को पेश किया, और पोषक तत्व के स्तर को उस इष्टतम एक प्रतिशत पर रखा। उन्होंने बैक्टीरिया के तरल की मात्रा को बदला, कुल जल आयतन का 2.5%, 5% और 10% खुराक का परीक्षण किया। यहाँ, परिणामों ने एक नाजुक समझौते (trade-off) को प्रकट किया। जबकि बैक्टीरिया स्व-उपचार प्रक्रिया के लिए आवश्यक थे, उनकी अत्यधिक मात्रा डालने से कंक्रीट कमजोर होने लगा। जैसे-जैसे बैक्टीरिया की खुराक बढ़ती गई, सामग्री की कुचलने वाले बलों का प्रतिरोध करने की क्षमता गिरती गई, हालांकि यह सुरक्षा मानकों को पूरा करने के लिए पर्याप्त मजबूत बनी रही। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने बैक्टीरिया जोड़ने का एक छिपा हुआ मूल्य खोजा: सामग्री कम कठोर (stiff) हो गई। कठोरता इस बात का माप है कि कोई सामग्री टूटने से पहले भार के तहत कितनी झुकती या खिंचती है। मानक कंक्रीट कठोर था और अपना आकार अच्छी तरह बनाए रखता था, लेकिन बैक्टीरिया वाले मिश्रण अधिक लचीले हो गए। सबसे कम बैक्टीरियल खुराक वाले मिश्रण की कठोरता अभी भी उस मजबूती के लिए भवन कोड द्वारा अनुमानित कठोरता से लगभग 28% कम थी, और उच्चतम खुराक वाले मिश्रण की कठोरता लगभग 50% कम थी। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि हालांकि कंक्रीट भार सह सकता था, लेकिन यह उस भार के तहत अधिक आसानी से झुकेगा, जो भूकंप के दौरान इमारत के डगमगाने के तरीके को प्रभावित कर सकता है।
यह देखने के लिए कि क्या बैक्टीरिया वास्तव में अपने इच्छित कार्य के रूप में काम करते हैं, टीम ने सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले मिश्रण—एक प्रतिशत कैल्शियम लैक्टेट और 2.5% बैक्टीरिया—को लिया और जानबूझकर कंक्रीट के सिलेंडरों में दरारें डालीं। फिर उन्होंने इन दरार वाले टुकड़ों को पानी में रखा, जो उन गीली स्थितियों का अनुकरण करता है जहाँ उपचार की आवश्यकता होगी। 21 दिनों की अवधि में, एक उल्लेखनीय परिवर्तन हुआ। पानी की उपस्थिति में जागने वाले बैक्टीरिया, और अपने पोषक तत्व के भोजन के साथ, बढ़ने लगे और कैल्शियम कार्बोनेट का उत्पादन करने लगे। यह सफेद खनिज दरारों के भीतर विकसित हुआ, उन्हें पूरी तरह से भर दिया और अंतराल को सील कर दिया। जब शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे ठीक हुई दरारों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पुष्टि की कि सफेद जमाव वास्तव में कैल्शियम कार्बोनेट था, वही खनिज जो कंक्रीट का हिस्सा है। हालाँकि, यह उपचार प्रक्रिया पूरी तरह से नमी पर निर्भर थी। जब उन्होंने समान दरार वाले नमूनों को शुष्क हवा में रखा, तो कोई उपचार नहीं हुआ, जिससे सिद्ध हुआ कि बैक्टीरिया को जागने और अपना काम करने के लिए निरंतर पानी की आवश्यकता होती है।
अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि बायोकंक्रीट इक्वाडोर जैसे क्षेत्रों के लिए एक व्यवहार्य तकनीक है, जहाँ आर्द्रता अधिक है और भूकंपीय गतिविधि आम है, लेकिन इसके लिए सावधानीपूर्वक प्रबंधन की आवश्यकता है। शोधकर्ताओं द्वारा पाया गया आदर्श नुस्खा एक प्रतिशत कैल्शियम लैक्टेट के साथ बैक्टीरिया की एक छोटी खुराक को जोड़ता है। यह मिश्रण मजबूती में महत्वपूर्ण वृद्धि और दरारों को पूरी तरह से सील करने की क्षमता प्रदान करता है, बशर्ते कि संरचना गीली रहे। हालाँकि, यह सामग्री सभी प्रकार के कंक्रीट के लिए पूर्ण प्रतिस्थापन नहीं है। चूंकि बैक्टीरिया सामग्री की कठोरता को कम करते हैं, इसलिए यह बायोकंक्रीट गैर-संरचनात्मक तत्वों जैसे फुटपाथ, सुरक्षात्मक परतों या पानी के टैंकों के लिए सबसे उपयुक्त है, जहाँ अत्यधिक कठोरता के बजाय रिसाव को रोकना अधिक महत्वपूर्ण है। प्रमुख संरचनात्मक बीम या स्तंभों के लिए, इंजीनियरों को मानक गणनाओं पर भरोसा करने के बजाय विशिष्ट मिश्रण की कठोरता को मापने की आवश्यकता होगी, क्योंकि जीवित बैक्टीरिया की उपस्थिति सामग्री के व्यवहार को बदल देती है जिसे मानक सूत्र अनुमानित नहीं कर पाते हैं। अनुसंधान पुष्टि करता है कि प्रकृति वास्तव में हमारे निर्मित वातावरण की मरम्मत करने में मदद कर सकती है, लेकिन यह हमें यह भी याद दिलाता है कि निर्माण सामग्री में जीवन को शामिल करने से उसका मौलिक चरित्र बदल जाता है, जिसके लिए इन संरचनाओं के प्रदर्शन को समझने के लिए एक नए दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है।
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