Preparation and Properties Research of Cellulose Nanocrystals from Flax Straw

प्रकृति अक्सर अपनी सबसे उपयोगी सामग्रियों को आँखों के सामने ही छिपा कर रखती है, जो फसलों की कटाई वाले खेतों में दबी होती हैं। उत्तर-पश्चिमी चीन के विशाल कृषि क्षेत्रों में, अलसी (फ्लैक्स) मुख्य रूप से उसके बीजों के लिए उगाई जाती है, जिन्हें तेल निकालने के लिए दबाया जाता है। एक बार जब बीजों की कटाई हो जाती है, तो बचे हुए डंठलों—जिन्हें स्ट्रॉ (पुआल) कहा जाता है—को अक्सर जला दिया जाता है, जो एक ऐसी प्रथा है जो प्राकृतिक फाइबर के समृद्ध स्रोत को बर्बाद करती है और हवा में धुआं छोड़ती है। यह स्ट्रॉ केवल कचरा नहीं है; यह सेलुलोज का एक भंडार है, जो वह कठोर, रेशेदार सामग्री है जो पौधों को उनकी संरचना प्रदान करती है। सेलुलोज चीनी के अणुओं की लंबी श्रृंखलाओं से बना होता है जो कुछ क्षेत्रों में बहुत कसकर पैक होते हैं और कुछ में ढीले व्यवस्थित होते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन प्राकृतिक रेशों को उनके सबसे छोटे, सबसे मजबूत निर्माण खंडों में तोड़ने का तरीका खोज रहे हैं, जिन्हें नैनोक्रिस्टल्स (nanocrystals) कहा जाता है। ये नन्ही छड़ें अविश्वसनीय रूप से मजबूत, हल्की और बहुमुखी होती हैं, जो प्लास्टिक को मजबूत करने से लेकर नए चिकित्सा सामग्रियां बनाने तक, सब कुछ करने की क्षमता रखती हैं। चुनौती उन्हें बिना उनके प्राकृतिक क्रम को नष्ट किए या ऐसी प्रक्रियाओं का उपयोग किए बिना निकालने में है जो बहुत महंगी या पर्यावरण के लिए हानिकारक हों।

इनर मंगोलिया यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह देखने के लिए काम शुरू किया कि क्या अलसी के स्ट्रॉ को एक ऐसे तरीके से इन मूल्यवान नैनोक्रिस्टल्स में बदला जा सकता है जो दक्षता और पर्यावरणीय देखभाल के बीच संतुलन बनाए। उन्होंने कच्चे स्ट्रॉ को लेकर उसे उपचार की एक श्रृंखला के अधीन किया, जिसे गैर-रेशेदार भागों, जैसे कि लिग्निन और हेमीसेलुलोज को हटाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो रेशों को आपस में जोड़ने वाले गोंद की तरह कार्य करते हैं। सबसे पहले, उन्होंने कटे हुए स्ट्रॉ को एक गर्म क्षारीय (alkaline) घोल में भिगोया ताकि इन बंधों को ढीला किया जा सके, जिसके बाद रंग और अशुद्धियों को हटाने के लिए ब्लीचिंग का चरण आया। इस प्रक्रिया ने उन्हें शुद्ध सेलुलोज फाइबर प्रदान किए, जिन्हें बाद में नैनोस्केल पर तोड़ना आवश्यक था। इसे करने के लिए, उन्होंने एसिड और ध्वनि के संयोजन का सहारा लिया। उन्होंने रेशों को विभिन्न प्रकार के एसिड—सल्फ्यूरिक, फॉस्फोरिक और हाइड्रोक्लोरिक—के साथ मिलाया और उच्च-तीव्रता वाली ध्वनि तरंगों का प्रयोग किया। ये ध्वनि तरंगें तरल में छोटी बुलबुले बनाती हैं जो अत्यधिक बल के साथ बढ़ती और ढहती हैं, जिससे लंबी रेशों को छोटी, समान छड़ों में काटने में मदद मिलती है।

शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया के कई विविधताओं का परीक्षण किया, जिसमें उपयोग किए जाने वाले एसिड के प्रकार और प्रतिक्रिया के समय को बदला गया। वे यह देखना चाहते थे कि ये विकल्प अंतिम उत्पाद के आकार, मजबूती और पानी में मिश्रित रहने की क्षमता को कैसे प्रभावित करते हैं। उपचार के बाद, उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के नीचे परिणामों का परीक्षण किया। छवियों ने खुलासा किया कि प्रक्रिया सफल रही थी: लंबे, उलझे हुए रेशों को स्पष्ट, छड़ जैसी कणों में बदल दिया गया था। ये नैनोक्रिस्टल्स लंबाई में 200 से 300 नैनोमीटर और चौड़ाई में लगभग 20 से 27 नैनोमीटर के थे। इस पैमाने को समझने के लिए, एक मानव बाल लगभग 50,000 नैनोमीटर चौड़ा होता है, जिसका अर्थ है कि ये कण एक अकेले बाल के रेशे से हजारों गुना पतले हैं। टीम ने पाया कि छड़ों की लंबाई और चौड़ाई इस बात पर निर्भर करती थी कि किस एसिड का उपयोग किया गया और उपचार कितने समय तक चला। उदाहरण के लिए, लंबे उपचार समय ने थोड़ी छोटी छड़ें बनाईं, क्योंकि एसिड के पास रेशों को उनके कमजोर बिंदुओं पर काटने के लिए अधिक समय था।

केवल आकार को देखने के अलावा, टीम ने नई सामग्री की आंतरिक संरचना और रासायनिक संरचना का भी विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि उपचार ने अनचाहे पौधों के घटकों को सफलतापूर्वक हटा दिया जबकि सेलुलोज की मूल क्रिस्टलीय संरचना को सुरक्षित रखा। वास्तव में, जैसे-जैसे प्रक्रिया आगे बढ़ी, सामग्री की शुद्धता और व्यवस्था में काफी सुधार हुआ। अनुपचारित स्ट्रॉ की क्रिस्टलिनिटी (crystallinity), या संरचनात्मक व्यवस्था, लगभग 57 प्रतिशत थी। प्रारंभिक सफाई चरणों के बाद, यह बढ़कर 78 प्रतिशत हो गई। अंतिम नैनोक्रिस्टल्स और भी अधिक व्यवस्थित थे, जिनकी क्रिस्टलिनिटी स्तर 81 से 86 प्रतिशत के बीच पहुँच गई। यह उच्च स्तर की व्यवस्था अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यही इन सामग्रियों को उनकी असाधारण मजबूती और स्थिरता प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि सामग्री गर्मी के प्रति कितनी अच्छी तरह टिकती है। उन्होंने पाया कि तापीय स्थिरता (thermal stability) उपयोग किए गए एसिड के आधार पर भिन्न होती है। एक नमूना, जिसे 30 मिनट के लिए सल्फ्यूरिक एसिड से उपचारित किया गया था, ने उच्चतम ऊष्मा प्रतिरोध दिखाया, जो केवल तब टूटना शुरू हुआ जब तापमान 300 डिग्री सेल्सियस के करीब पहुँचा। यह कच्चे स्ट्रॉ की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जो बहुत कम तापमान पर ही खराब होने लगता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि ये नन्ही छड़ें तरल में कितनी अच्छी तरह निलंबित (suspended) रह सकती हैं, जो विनिर्माण के लिए एक प्रमुख कारक है। छड़ों की सतह पर एक विद्युत आवेश (electrical charge) होता है जो उन्हें एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करने और अलग रहने में मदद करता है, जिससे उन्हें आपस में जुड़ने से रोका जा सके। शोधकर्ताओं ने इस आवेश को मापा और पाया कि सल्फ्यूरिक एसिड से उपचारित नमूनों में एक मजबूत नकारात्मक आवेश था, जिसने उन्हें लंबे समय तक घोल में स्थिर रखा। इसके विपरीत, अन्य एसिड या कम समय के लिए उपचारित नमूनों ने अलग व्यवहार दिखाया, जिनमें से कुछ एक दिन के बाद तरल से नीचे बैठने लगे। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि प्रक्रिया ने अच्छा काम किया, लेकिन अंतिम उत्पाद के गुण केवल क्रिस्टलिनिटी जैसे एकल कारक द्वारा निर्धारित नहीं होते हैं। इसके बजाय, आकार, आकार और स्थिरता, एसिड के प्रकार, उपचार की अवधि और प्रक्रिया द्वारा निर्मित सतह रसायन विज्ञान के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया का परिणाम थे।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि अलसी के स्ट्रॉ को, जो अक्सर फेंका जाने वाला संसाधन है, प्रभावी रूप से उच्च-मूल्य वाली नैनोमटेरियल्स में बदला जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि रासायनिक और भौतिक स्थितियों को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, ऐसे नैनोक्रिस्टल्स बनाना संभव है जो पौधे की प्राकृतिक शक्ति को बनाए रखते हुए नई कार्यात्मक विशेषताएं प्राप्त करते हैं। हालांकि इस अध्ययन में कार के पुर्जों या चिकित्सा उपकरणों जैसे अंतिम उत्पादों में इन सामग्रियों का परीक्षण नहीं किया गया, लेकिन इसने एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया है कि कैसे इन्हें प्रचुर मात्रा में उपलब्ध कृषि अपशिष्ट से बनाया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि और अधिक अनुकूलन (optimization) के साथ, यह विधि कचरे को कम करने, उन्नत उद्योगों के लिए कच्चे माल की लागत को कम करने में मदद कर सकती है, और सिंथेटिक सामग्रियों के लिए एक टिकाऊ विकल्प प्रदान कर सकती है। एक फेंके गए डंठल से एक उच्च-तकनीकी निर्माण खंड बनने का मार्ग अब स्पष्ट है, जो एक ऐसे भविष्य की झलक देता है जहाँ कृषि उपोत्पाद अगली पीढ़ी की सामग्रियों का आधार बनेंगे।