Green Synthesis and Characterization of Titanium Containing Particles Using Leaf Extract of Indigofera argentea

प्रकृति ने लंबे समय से रसायनशास्त्रियों को पारंपरिक विनिर्माण की कठोर विलायक (solvents) और उच्च तापमान के मुकाबले एक सौम्य विकल्प प्रदान किया है। प्रतिक्रियाओं को चरम स्थितियों के साथ मजबूर करने के बजाय, वैज्ञानिक पौधों के अर्क की ओर मुड़ सकते हैं, जिनमें प्राकृतिक यौगिकों का एक जटिल मिश्रण होता है जो धातु परमाणुओं को ठोस संरचनाओं में निर्देशित करने में सक्षम होता है। यह दृष्टिकोण, जिसे 'ग्रीन सिंथेसिस' (हरित संश्लेषण) कहा जाता है, पत्तियों, जड़ों या फूलों के भीतर मौजूद रसायन विज्ञान पर निर्भर करता है, जो धातु लवणों को बदलने वाले अपचायक (reducing agent) और परिणामी कणों को स्थिर करने वाले कैपिंग एजेंट, दोनों के रूप में कार्य करते हैं। टाइटेनियम, एक धातु जिसे इसकी मजबूती और संक्षारण प्रतिरोध के लिए सराहा जाता है, अक्सर स्व-सफाई वाली सतहों से लेकर चिकित्सा प्रत्यारोपणों तक हर चीज़ में उपयोग के लिए सूक्ष्म कणों के रूप में मांगा जाता है। जबकि शोधकर्ताओं ने टाइटेनियम डाइऑक्साइड, धातु ऑक्साइड के एक विशिष्ट और सामान्य रूप को बनाने के लिए विभिन्न पौधों का सफलतापूर्वक उपयोग किया है, यह प्रक्रिया हमेशा सरल नहीं होती है। चुनौती यह पुष्टि करने में निहित है कि वास्तव में क्या बनाया गया है, क्योंकि केवल टाइटेनियम और ऑक्सीजन की उपस्थिति ही वांछित क्रिस्टल संरचना के निर्माण की गारंटी नहीं देती है।

हाल ही के एक अध्ययन में, द इस्लामिया यूनिवर्सिटी ऑफ बहावलपुर के एक शोधकर्ता ने यह पता लगाया कि क्या इंडिगोफेरा अर्जेंटिया (Indigofera argentea), जो इस क्षेत्र का एक मूल पौधा है, के पत्तों के अर्क का उपयोग टाइटेनियम युक्त कणों के संश्लेषण के लिए किया जा सकता है। प्रक्रिया की शुरुआत एक सरल मिश्रण के साथ हुई: टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड, जो टाइटेनियम रसायन विज्ञान के लिए एक सामान्य प्रारंभिक सामग्री है, के घोल को पौधे की सूखी पत्तियों को उबालकर बनाए गए जलीय अर्क के साथ मिलाया गया। इस मिश्रण को दो घंटे तक गर्म किया गया और हिलाया गया, जिसके दौरान तरल हल्के पीले रंग से बदलकर धुंधला सफेद हो गया, जो संकेत था कि एक ठोस बन गया है। परिणामी पाउडर को फिर तरल से अलग किया गया, सुखाया गया, और इसकी वास्तविक प्रकृति निर्धारित करने के लिए कठोर परीक्षणों की एक श्रृंखला से गुजारा गया। लक्ष्य केवल यह देखना नहीं था कि कण बने हैं या नहीं, बल्कि यह पहचानना था कि उनकी विशिष्ट रासायनिक पहचान और संरचना क्या है, वह भी उच्च स्तर की निश्चितता के साथ।

उत्पाद की भौतिक उपस्थिति को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के माध्यम से प्रकट किया गया, जो एक ऐसी तकनीक है जो सतहों की विस्तृत छवियां बनाने के लिए इलेक्ट्रॉनों की एक केंद्रित बीम का उपयोग करती है। छवियों ने दिखाया कि सामग्री में गोल से लेकर अंडाकार वस्तुएं शामिल थीं जो शाखित समूहों (clusters) में आपस में जुड़ी हुई थीं। जब शोधकर्ता ने सैकड़ों वस्तुओं को मापा, तो औसत आकार लगभग 0.247 माइक्रोमीटर आया। हालांकि यह मानव आंख के लिए अविश्वसनीय रूप से छोटा है, लेकिन यह नैनोकण की सख्त परिभाषा से तकनीकी रूप से बड़ा है, जिससे ये वस्तुएं सबमाइक्रोन श्रेणी में आती हैं। वे अलग-थलग, पूरी तरह से समान गोले होने के बजाय समुच्चय (aggregates), या आपस में चिपके हुए छोटे इकाइयों के समूहों के रूप में दिखाई दिए।

यह समझने के लिए कि ये कण किस चीज से बने हैं, टीम ने ऊर्जा-विक्षेपण एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (energy-dispersive X-ray spectroscopy) का उपयोग किया, जो एक नमूने में मौजूद तत्वों का पता लगाने की एक विधि है। विश्लेषण ने पुष्टि की कि टाइटेनियम प्रमुख तत्व था, जो वजन का लगभग 75 प्रतिशत था, ऑक्सीजन लगभग 20 प्रतिशत था और कार्बन का एक छोटा सा हिस्सा शेष था। हालांकि, टाइटेनियम और ऑक्सीजन परमाणुओं का अनुपात लगभग 1 से 1 था, जो शुद्ध टाइटेनियम डाइऑक्साइड में पाए जाने वाले 2 से 1 के अनुपात से काफी भिन्न है। यह विसंगति बताती है कि सामग्री वह मानक टाइटेनियम डाइऑक्साइड यौगिक नहीं थी जिसे कई ग्रीन सिंथेसिस अध्ययन बनाने का लक्ष्य रखते हैं। कार्बन की उपस्थिति संभवतः पौधे की सामग्री से या नमूने को तैयार करने के तरीके से आई थी, लेकिन इसने लक्षित ऑक्साइड के लिए अपेक्षित कम ऑक्सीजन सामग्री के मौलिक अवलोकन को नहीं बदला।

कणों की आंतरिक संरचना का परीक्षण एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके किया गया, जो एक ऐसी तकनीक है जो यह बताती है कि एक्स-रे पदार्थ से कैसे टकराते हैं और परमाणुओं को क्रिस्टल लैटिस में कैसे व्यवस्थित किया जाता है। परिणामी पैटर्न ने चार विशिष्ट शिखर (peaks) दिखाए, जो यह संकेत देते हैं कि सामग्री वास्तव में क्रिस्टलीय थी, जिसमें लगभग 41 से 70 नैनोमीटर के छोटे क्रिस्टल डोमेन थे। फिर भी, जब इन शिखरों की तुलना टाइटेनियम डाइऑक्साइड के दो सबसे सामान्य रूपों, एनाटेस (anatase) और रूटाइल (rutile), के ज्ञात पैटर्न से की गई, तो वे मेल नहीं खाए। एनाटेस के लिए सबसे मजबूत शिखर, जो आमतौर पर एक विशिष्ट कोण पर दिखाई देता है, गायब था, और देखे गए शिखर रूटाइल से भी मेल नहीं खाते थे। हालांकि कुछ उच्च-कोण वाले शिखरों में अन्य टाइटेनियम युक्त संरचनाओं के साथ एक धुंधली समानता थी, लेकिन साक्ष्य किसी मिलान की पुष्टि करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं थे। डेटा ने एक अज्ञात टाइटेनियम युक्त चरण (phase) की ओर इशारा किया, न कि किसी ज्ञात ऑक्साइड की ओर।

अतिरिक्त परीक्षणों ने सामग्री के सतही रसायन और प्रकाश अवशोषण गुणों के बारे में अतिरिक्त सुराग प्रदान किए। इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी, जो रासायनिक बंधों की पहचान उनके कंपन के आधार पर करती है, ने हाइड्रॉक्सिल समूहों और कार्बनिक यौगिकों के बैंड का पता लगाया, जिससे पुष्टि हुई कि पौधे से प्राप्त अणु अभी भी कणों की सतह से जुड़े हुए थे। स्पेक्ट्रम के निचले छोर के पास एक बैंड ने टाइटेनियम-ऑक्सीजन बंधों की उपस्थिति का सुझाव दिया, लेकिन स्कैन ने संरचना को सटीक रूप से परिभाषित करने के लिए पर्याप्त सिग्नल कैप्चर नहीं किया। इस बीच, सामग्री द्वारा प्रकाश अवशोषण के माप ने परीक्षण किए गए सबसे छोटे तरंग दैर्ध्य पर अवशोषण में तीव्र वृद्धि दिखाई, लेकिन डेटा इतना आगे तक नहीं बढ़ा कि सामग्री के 'बैंड गैप' का निर्धारण किया जा सके, जो एक प्रमुख गुण है कि वह प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। एक स्पष्ट अवशोषण किनारे (absorption edge) की कमी का अर्थ था कि शोधकर्ता उत्पाद के लिए एक विशिष्ट ऑप्टिकल गुण निर्धारित नहीं कर सके।

अंततः, अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि टाइटेनियम प्रिकर्सर की अभिक्रिया पत्तों के अर्क के साथ करने से सफलतापूर्वक एक ठोस, टाइटेनियम युक्त पाउडर प्राप्त हुआ जो सबमाइक्रोन कणों और नैनोक्रिस्टलाइन डोमेन से बना था। हालांकि, उपलब्ध साक्ष्य उत्पाद को टाइटेनियम डाइऑक्साइड या किसी अन्य विशिष्ट, सुस्थापित यौगिक के रूप में लेबल करने के लिए अपर्याप्त थे। तत्वों के अनुपात में बेमेल, विशिष्ट विवर्तन शिखरों की अनुपस्थिति, और एक परिभाषित ऑप्टिकल किनारे की कमी, सभी ने संकेत दिया कि सामग्री कुछ और ही थी। शोधकर्ताओं ने जोर दिया कि रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी या एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी अधिक उन्नत तकनीकों के बिना, इस चरण की सटीक पहचान एक रहस्य बनी रहेगी। यह कार्य एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करता है कि ग्रीन सिंथेसिस में, एक ठोस का बनना स्वतः ही एक विशिष्ट, इच्छित सामग्री का बनना नहीं है, और गलत पहचान से बचने के लिए बहुआयामी लक्षण वर्णन (characterization) आवश्यक है।