Preparation of Gelatin-Based Composite Aerogels with Uniform Multi-Level Porous Structure via the Inverse Temperature Response of Methylcellulose-Gelatin Gels
मिथाइलसेलुलोज और जिलेटिन के सहक्रियात्मक विपरीत तापमान-उत्तरदायी व्यवहार का लाभ उठाते हुए, इस अध्ययन ने सफलतापूर्वक एक समान बहु-स्तरीय छिद्रपूर्ण संरचना वाला एक डबल-क्रॉसलिंक्ड कंपोजिट एरो जेल निर्मित किया है जो काफी बढ़ी हुई यांत्रिक शक्ति, सरंध्रता और उत्कृष्ट सुगंध अधिशोषण एवं निरंतर-निकासी क्षमताओं को प्रदर्शित करता है।
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सुगंध हर जगह मौजूद है, ताजे फूल की खुशबू से लेकर सुबह की कॉफी की महक तक, फिर भी ये स्वभावतः क्षणभंगुर होती हैं। इन गंधों को ले जाने वाले अणु वाष्पशील होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे हवा में जल्दी वाष्पित हो जाते हैं, और वे रासायनिक रूप से अस्थिर होते हैं, जो अक्सर पूरी तरह से आनंद लेने से पहले ही टूट जाते हैं। खाद्य, व्यक्तिगत देखभाल और तंबाकू जैसे उद्योगों के लिए, इन नाजुक सुगंधों को पकड़ना और उन्हें समय के साथ धीरे-धीरे छोड़ना एक बड़ी चुनौती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर एयरोजेल (aerogels) की ओर मुड़ते हैं। ये अद्भुत सामग्रियां हैं जो जमी हुई धुंध की तरह दिखती हैं; ये अविश्वसनीय रूप से हल्की होती हैं, जो लगभग पूरी तरह से खाली स्थान से बनी होती हैं, और इनमें अन्य पदार्थों को पकड़ने के लिए एक विशाल आंतरिक सतह क्षेत्र होता है। जबकि पारंपरिक एयरोजेल इन्सुलेशन या तेल के रिसाव को साफ करने के लिए उत्कृष्ट हैं, शोधकर्ताओं ने लंबे समय से उन्हें प्राकृतिक, नवीकरणीय स्रोतों से बनाने की खोज की है जो सुरक्षित और सस्ते हों। जिलेटिन, जो कई खाद्य पदार्थों में पाया जाने वाला प्रोटीन है, एक आशाजनक उम्मीदवार है क्योंकि यह ठंडा होने पर जेल बना सकता है, जिससे एक छिद्रपूर्ण नेटवर्क बन जाता है। हालांकि, जिलेटिन एयरोजेल अक्सर एक संरचनात्मक दोष से ग्रस्त होते हैं: सुखाने की प्रक्रिया के दौरान उनकी आंतरिक दीवारें असमान हो सकती हैं या ढह सकती हैं, जिससे एक ऐसी सामग्री बन जाती है जो कमजोर और असंगत होती है।
चीन की शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अन्य सामान्य पदार्थ, मिथाइलसेलुलोज (methylcellulose) के साथ जिलेटिन को मिलाकर इस संरचनात्मक कमजोरी को ठीक करने का तरीका खोज लिया है। मिथाइलसेलुलोज, सेलुलोज का एक व्युत्पन्न है, जो पौधों की कोशिका भित्ति का मुख्य घटक है, और यह जिलेटिन के बिल्कुल विपरीत व्यवहार करता है। जहाँ जिलेटिन ठंडा होने पर ठोस जेल में बदल जाता है, वहीं मिथाइलसेलुलोज गर्म होने पर जेल में बदल जाता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि तापमान को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे मिथाइलसेलिलोज द्वारा बनाए गए गर्म जेल का उपयोग जिलेटिन के जमने से पहले उसे अपनी जगह पर थामे रखने के लिए एक मचान (scaffold) के रूप में कर सकते हैं। इस प्रक्रिया में मिथाइलसेलुलोज की प्रतिक्रिया को धीमा करने के लिए एक विशिष्ट सर्फेक्टेंट (surfactant) मिलाना शामिल है, जिससे दोनों सामग्रियां ठोस होने से पहले आपस में पूरी तरह से मिल पाती हैं। इसका परिणाम एक नए प्रकार का कंपोजिट एयरोजेल है जो अकेले जिलेटिन की तुलना में अधिक मजबूत, अधिक समान और सुगंध को पकड़ने में बेहतर है।
अपने प्रयोगों में, वैज्ञानिकों ने इन नए एयरोजेल को एक गर्म तापमान पर जिलेटिन और मिथाइलसेलुलोज को पानी में घोलकर बनाया। उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए एक सर्फेक्टेंट मिलाया कि मिथाइलसेलुलोज बहुत जल्दी जेल न बना ले, जिससे जिलेटिन को मिश्रण में समान रूप से फैलने का अवसर मिल सके। एक बार जब समाधान एकसमान हो गया, तो उन्होंने इसे ठंडा कर दिया। जैसे-जैसे तापमान गिरा, मिथाइलसेलुलोज का नेटवर्क ढीला होता गया जबकि जिलेटिन की श्रृंखलाएं एक ठोस संरचना में मुड़ने लगीं, जिससे दोनों सामग्रियां एक 'डबल-क्रॉसलिंक्ड' नेटवर्क में एक साथ लॉक हो गईं। इसके बाद टीम ने मिश्रण को जमा दिया और फ्रीज-ड्राइंग (freeze-drying) नामक प्रक्रिया के माध्यम से पानी को निकाल दिया, जिससे पीछे एक ठोस, छिद्रपूर्ण स्पंज रह गया। उन्होंने संरचना में बदलाव देखने के लिए मिथाइलसेलुलोज की विभिन्न मात्राओं के नमूनों का परीक्षण किया।
परिणामों ने सामग्री की वास्तुकला में स्पष्ट सुधार दिखाया। सूक्ष्मदर्शी से देखने पर, मूल जिलेटिन एयरोजेल असमान दीवारों वाले मधुमक्खी के छत्ते जैसा दिखता था और कुछ हिस्से बहुत घने थे। इसके विपरीत, नए कंपोजिट एयरोजेल ने बहुत अधिक संगठित संरचना प्रदर्शित की। मिथाइलसेलुलोज ने बड़े हनीकॉम्ब चैनलों के भीतर एक माध्यमिक, महीन नेटवर्क बनाया, जिसने प्रभावी रूप से पूरी संरचना को सुदृढ़ किया। इस परिवर्तन ने सामग्री को काफी मजबूत बना दिया। नए एयरोजेल अपने वजन से 1,250 गुना अधिक भार सह सकते थे, जो कि मूल जिलेटिन एयरोजेल के लिए संभव नहीं था। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि नया पदार्थ अधिक छिद्रपूर्ण था, जिसमें खाली स्थान की मात्रा जिलेटिन-मात्र संस्करण की तुलना में 15 प्रतिशत से अधिक बढ़ गई थी। इस अतिरिक्त सरंध्रता (porosity) का अर्थ था कि सुगंध अणुओं के छिपने के लिए अधिक जगह उपलब्ध थी।
हालाँकि, असली परीक्षण यह था कि ये एयरोजेल सुगंध को कितनी अच्छी तरह पकड़ और छोड़ सकते हैं। शोधकर्ताओं ने सुगंध की सीमा का प्रतिनिधित्व करने के लिए दो अलग-अलग सुगंध अणुओं का उपयोग किया: एथिल ब्यूटिरेट (ethyl butyrate), जो अत्यधिक वाष्पशील है और जल्दी वाष्पित हो जाता है, और 2-फेनिलएथेनॉल (2-phenylethanol), जो भारी है और धीरे वाष्पित होता है। कंपोजिट एयरोजेल बेहतर ट्रैप साबित हुए। उन्होंने मानक जिलेटिन एरोजेल की तुलना में एथिल ब्यूटिरेट का 52 प्रतिशत और 2-फेनिलएथेनॉल का 62 प्रतिशत अधिक अवशोषण किया। एक खुले वातावरण में छोड़ने पर, नया पदार्थ धीमी गति से वाष्पित होने वाली सुगंध को उल्लेखनीय रूप से थामे रखता है। 24 घंटे के बाद, 2-फेनिलएथेनॉल का 90 प्रतिशत से अधिक हिस्सा अभी भी एयरोजेल के भीतर सुरक्षित था, जबकि मूल जिलेटिन सामग्री ने अपनी सुगंध का एक बड़ा हिस्सा खो दिया था। शोधकर्ताओं ने देखा कि नए एयरोजेल के जटिल, बहु-स्तरीय छिद्र एक भूलभुलैया की तरह कार्य करते हैं, जो सुगंध अणुओं के बाहर निकलने की गति को धीमा कर देते हैं और उन्हें धीरे-धीरे रिलीज करने की अनुमति देते हैं।
इस अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि यह नई सामग्री टिकाऊ और पुन: प्रयोज्य है। लगातार सात बार सुगंध को अवशोषित और मुक्त करने के बाद भी, एयरोजेल ने अपनी सुगंध को पकड़ने की अधिकांश क्षमता बनाए रखी, जिससे पता चला कि इसके आंतरिक ढांचे में उपयोग के साथ कोई गिरावट या पतन नहीं हुआ। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि दो प्राकृतिक सामग्रियों के विपरीत तापमान व्यवहार का लाभ उठाकर, उन्होंने एक मजबूत, पर्यावरण के अनुकूल स्पंज बनाया है जो जिलेटिन एरोजेल की असमान संरचना की समस्या को हल करता है। यह सरल लेकिन प्रभावी रणनीति उच्च प्रदर्शन वाली सामग्रियां बनाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है जो सुगंध को लंबे समय तक ताजा और स्थिर रख सकती हैं, जिससे रोजमर्रा के उत्पादों में सुगंध के वितरण के तरीके को बदलने की संभावना है।
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