Solvent effect on film microstructure
यह अध्ययन इस बात की जांच करता है कि पारंपरिक विलायकों को एथिल लैक्टेट और डाइमिथाइल कार्बोनेट जैसे टिकाऊ विकल्पों से बदलने से नॉन-सॉल्वेंट-इंड्यूस्ड फेज सेपरेशन के माध्यम से निर्मित सेलुलोज एसीटेट झिल्लियों की सूक्ष्म संरचना, आकृति विज्ञान और गुणों पर क्या प्रभाव पड़ता है, जिसमें झिल्ली निर्माण को नियंत्रित करने में विलायक की अस्थिरता और विलायक-नॉन-सॉल्वेंट अंतःक्रियाओं की महत्वपूर्ण भूमिका पर जोर दिया गया है।
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सामग्री विज्ञान की दुनिया में, एक तरल का ठोस फिल्म में बदलना एक सूक्ष्म संतुलन का खेल है। कल्पना कीजिए कि एक सतह पर तरल पॉलीमर की एक पतली परत रखी हुई है; इसे एक उपयोगी झिल्ली (मेम्ब्रेन) में बदलने के लिए, वैज्ञानिकों को इसे एक साथ थामे रखने वाले तरल विलायक (सॉल्वेंट) को पानी के साथ बदलना होगा। जैसे ही पानी अंदर आता है और विलायक बाहर निकलता है, सामग्री ठोस हो जाती है, जिससे इसके भीतर छिद्रों और चैनलों का एक विशिष्ट पैटर्न फंस जाता है। यह पैटर्न, जिसे सूक्ष्म संरचना (माइक्रोस्ट्रक्चर) कहा जाता है, यह निर्धारित करता है कि अंतिम फिल्म जल शोधन के लिए एक महीन छलनी की तरह काम करेगी या पैकेजिंग के लिए एक सघन अवरोध के रूप में। दशकों से, शोधकर्ता इन फिल्मों को बनाने के लिए शक्तिशाली, औद्योगिक विलायकों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन इनमें से कई रसायन विषाक्त और पर्यावरण के लिए हानिकारक हैं। चुनौती ऐसे सुरक्षित, "हरित" विकल्पों को खोजने की रही है जो फिल्म के कार्य करने के लिए आवश्यक जटिल आंतरिक संरचना से समझौता किए बिना उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री बना सकें।
टेक्निकल यूनिवर्सिटी ऑफ ओस्ट्रावा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, स्पेन और बेल्जियम के सहयोगियों के साथ मिलकर, सेलुलोज एसीटेट का उपयोग करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया, जो कि पौधों के रेशों से प्राप्त एक बहुमुखी सामग्री है और जिसका उपयोग वाटर फिल्टर से लेकर चिकित्सा उपकरणों तक हर जगह किया जाता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे पारंपरिक, कठोर रसायनों को एथिल लैक्टेट और डाइमिथाइल कार्बोनेट जैसे अधिक टिकाऊ विकल्पों से बदल सकते हैं। ये हरित विलायक नवीकरणीय स्रोतों से प्राप्त होते हैं और इन्हें संभालना बहुत सुरक्षित है, लेकिन वैज्ञानिकों को यह जानने की आवश्यकता थी कि क्या वे एक तरल घोल को ठोस फिल्म में बदलते समय समान व्यवहार करेंगे। टीम ने पारंपरिक विलायकों और इन नए हरित विकल्पों के मिश्रण का उपयोग करके सेलुलोज एसीटेट के घोल तैयार किए, फिर उन्हें पतली फिल्मों के रूप में ढाला और ठोस होने की प्रक्रिया को शुरू करने के लिए उन्हें पानी में डुबो दिया। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे बनने वाली फिल्मों का सावधानीपूर्वक अवलोकन करके और उनके भौतिक गुणों को मापकर, उन्होंने पाया कि विलायक का चुनाव केवल सामग्री को घोलने तक ही सीमित नहीं है; यह मौलिक रूप से झिल्ली के भीतर छिद्रों के आकार और आकृति को निर्धारित करता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि विलायक के वाष्पीकरण की गति फिल्म की अंतिम संरचना निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है। जब उन्होंने टेट्राहाइड्रोफ्यूरान या एसीटोन जैसे अत्यधिक वाष्पशील विलायकों का उपयोग किया, तो तरल फिल्म के सतह से पानी के स्नान (बाथ) को छूने से पहले ही लगभग तुरंत गायब हो गया। इस तीव्र सुखाने की प्रक्रिया ने फिल्म के भीतर विलायक को पानी के साथ विनिमय करने के लिए बहुत कम समय छोड़ा, जिससे सामग्री एक सघन, कसकर पैक की गई संरचना में ठोस हो गई जिसमें बहुत कम छेद थे। इसके विपरीत, एन-मिथाइल-2-पायरोलिडोन या डाइमिथाइलफॉर्मामाइड जैसे विलायक, जो अधिक धीरे वाष्पित होते हैं, पानी को अंदर जाने और विलायक को बाहर धकेलने के लिए अधिक समय देते हैं। यह धीमी विनिमय प्रक्रिया एक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी नेटवर्क बनाने को प्रोत्साहित करती है जिसमें बड़े खुले स्थान होते हैं। अध्ययन से पता चला कि केवल एक विषाक्त विलायक को हरित विलायक से बदलना पर्याप्त नहीं है; नए विलायक में गुणों का सही संतुलन होना चाहिए ताकि यह नियंत्रित किया जा सके कि फिल्म कितनी तेजी से सूखती है और पानी इसके साथ कैसे क्रिया करता है।
परीक्षण किए गए हरित विलायकों में से, एथिल लैक्टेट और डाइमिथाइल कार्बोनेट ने स्पष्ट रूप से भिन्न परिणाम दिए, जिससे सिद्ध हुआ कि सभी टिकाऊ विकल्प एक जैसे व्यवहार नहीं करते हैं। एथिल लैक्टेट ने अपेक्षाकृत बड़े छिद्र और मध्यम सरंध्रता (पोरोसिटी) वाली फिल्म बनाई, जो यह सुझाव देती है कि यह उन अनुप्रयोगों के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार हो सकता है जिनमें पानी के आसानी से बहने की आवश्यकता होती है, जैसे कि फिल्ट्रेशन। दूसरी ओर, डाइमिथाइल कार्बोनेट ने बहुत अधिक सघन संरचना प्रदान की जिसमें सीमित सरंध्रता थी, जो इसे उन अनुप्रयोगों के लिए बेहतर बनाती है जहाँ एक कड़े अवरोध की आवश्यकता होती है। टीम ने ऊष्मा विश्लेषण और एक्स-रे तकनीकों का उपयोग करके सामग्री की आंतरिक व्यवस्था का भी परीक्षण किया, और पाया कि सभी फिल्में मुख्य रूप से अव्यवस्थित या एमोरफस (अक्रिस्टलीय) रहीं, लेकिन विशिष्ट विलायक ने इस बात को प्रभावित किया कि पॉलीमर श्रृंखलाएं खुद को कैसे व्यवस्थित करती हैं। इस व्यवस्था ने फिल्म के गलनांक और पानी को अवशोषित करने की इसकी क्षमता को प्रभावित किया, क्योंकि कुछ विलायक अन्य की तुलना में थोड़े अधिक व्यवस्थित ढांचे की ओर ले जाते हैं।
अंततः, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि हरित विनिर्माण का मार्ग रसायनों का सरल एक-से-एक प्रतिस्थापन नहीं है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि झिल्ली का अंतिम आकार इस बात के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया द्वारा शासित होता है कि विलायक कितनी तेजी से वाष्पित होता है, वह पानी के साथ कितनी अच्छी तरह मिश्रित होता है, और वह स्वयं पॉलीमर के साथ कैसे क्रिया करता है। जबकि पारंपरिक विलायकों ने सबसे अधिक छिद्रपूर्ण संरचनाएं प्रदान कीं, हरित विकल्पों ने विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए फिल्म के गुणों को अनुकूलित करने के अनूठे अवसर प्रदान किए। एथिल लैक्टेट छिद्रयुक्त झिल्लियों के निर्माण के लिए एक आशाजनक विकल्प के रूप में उभरा, जबकि डाइमिथाइल कार्बोनेट ने विषाक्त रसायनों का उपयोग किए बिना घनी फिल्में बनाने का एक तरीका प्रदान किया। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि विलायकों के भौतिक व्यवहार को समझकर, वैज्ञानिक बेहतर, अधिक टिकाऊ सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि हरित रसायन विज्ञान की ओर बढ़ते कदम प्रदर्शन की कीमत पर न हों।
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