Enhancement in the yield and properties of cellulose nanocrystals by two- batch addition of ammonium persulfate

लकड़ी एक जटिल सामग्री है, एक प्राकृतिक सम्मिश्र (कंपोजिट) जहाँ सेलुलोज के लंबे, मजबूत रेशे लिग्निन नामक एक चिपचिपे, गोंद जैसे पदार्थ द्वारा एक साथ जुड़े रहते हैं। उच्च-तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए लकड़ी को उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को अक्सर इन शुद्ध सेलुलोज रेशों को अलग करने और उन्हें सेल्यूलोज नैनोक्रिस्टल नामक छोटी, सुई जैसी संरचनाओं में तोड़ने की आवश्यकता होती है। ये सूक्ष्म छड़ें अविश्वसनीय रूप से मजबूत और हल्की होती हैं, जो उन्हें प्लास्टिक को सुदृढ़ करने, लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने या चिकित्सा सामग्री को बेहतर बनाने के लिए मूल्यवान बनाती हैं। हालाँकि, उन्हें निकालना कठिन है। पारंपरिक रूप से, रसायनशास्त्री गोंद को घोलने और रेशों को अलग करने के लिए कठोर अम्लों का उपयोग करते हैं, लेकिन यह प्रक्रिया खतरनाक है, विषाक्त अपशिष्ट पैदा करती है, और अक्सर क्रिस्टल की नाजुक संरचना को नष्ट कर देती है। एक सौम्य विकल्प में अमोनियम पर्सल्फेट नामक रसायन का उपयोग करना शामिल है, जो एक हल्के ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है ताकि अन्य प्राकृतिक घटकों को पहले हटाए बिना सेलुलोज सामग्री को तोड़ा जा सके। चुनौती यह रही है कि जबकि यह विधि सुरक्षित है, यह ऐतिहासिक रूप से अक्षम रही है, जिससे कम क्रिस्टल प्राप्त होते हैं और वे असंगत आकार और आकार के बनते हैं।

नानजिंग वानिकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस दक्षता समस्या को हल करने के लिए लकड़ी के पल्प (लुगदी) में रसायन को पेश करने के तरीके को बदलकर प्रयास किया। पूरे अमोनियम पर्सल्फेट को शुरुआत में ही लकड़ी के पल्प में डालने के बजाय, उन्होंने इसे दो अलग-अलग चरणों में जोड़ने के साथ प्रयोग किया। उन्होंने पाया कि जोड़ने के समय और मात्रा में इस सरल समायोजन ने मौलिक रूप से इस तरीके को बदल दिया कि रसायन कैसे टूटता है और लकड़ी के साथ कैसे प्रतिक्रिया करता है। पहले जुड़ाव के चार घंटे बाद दूसरे हिस्से को पेश करके, उन्होंने एक ऐसा प्रतिक्रिया वातावरण बनाया जो काफी अधिक प्रभावी था। इस दो-चरणीय दृष्टिकोण ने न केवल प्रक्रिया को तेज किया; इसने बनने वाले क्रिस्टल की प्रकृति को भी बदल दिया, जिसके परिणामस्वरूप बहुत अधिक मात्रा में सामग्री प्राप्त हुई जो अधिक एकसमान थी और अन्य सामग्रियों को मजबूत करने के लिए बेहतर रूप से उपयुक्त थी।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जब रसायन को एक साथ डाला जाता था, तो यह अपेक्षाकृत धीरे-धीरे विघटित होता था, और इसके द्वारा बनाए गए प्रतिक्रियाशील कण तेजी से समाप्त हो जाते थे या लकड़ी के रेशों में पूरी तरह से प्रवेश करने से पहले आपस में प्रतिक्रिया कर लेते थे। जोड़ को विभाजित करके, उन्होंने दस घंटे की पूरी प्रक्रिया के दौरान इन प्रतिक्रियाशील कणों की अधिक सुसंगत और प्रभावी सांद्रता बनाए रखी। इसने रसायन को अधिक कुशलता से काम करने की अनुमति दी, जिससे लकड़ी को नैनोक्रिस्टल में तोड़ने की दर बहुत बढ़ गई। परिणाम स्वरूप, प्राप्त सामग्री की कुल मात्रा में नाटकीय वृद्धि हुई। अपने सबसे सफल प्रयोग में, नैनोक्रिस्टल की कुल प्राप्ति लगभग 42 प्रतिशत से बढ़कर लगभग 58 प्रतिशत हो गई, जिसका अर्थ है कि समान मात्रा में लकड़ी के पल्प से काफी अधिक उपयोगी सामग्री बनाई गई।

केवल अधिक क्रिस्टल बनाने के अलावा, दो-चरणीय विधि ने बेहतर भौतिक विशेषताएं वाले क्रिस्टल भी बनाए। शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत नैनोक्रिस्टल की लंबाई और चौड़ाई को मापा और पाया कि दो-चरणीय प्रक्रिया ने उन छड़ों को बनाया जो पारंपरिक एकल-चरण विधि द्वारा बनाई गई छड़ों की तुलना में स्पष्ट रूप से लंबी और पतली थीं। आकार में यह परिवर्तन महत्वपूर्ण है क्योंकि लंबी, पतली छड़ों का 'एस्पेक्ट रेशियो' (aspect ratio) अधिक होता है, जो इस बात का माप है कि कोई वस्तु अपनी चौड़ाई की तुलना में कितनी लंबी और पतली है। सर्वोत्तम मामलों में, क्रिस्टल की लंबाई में 100 प्रतिशत से अधिक की वृद्धि हुई, और उनका एस्पेक्ट रेशियो 140 प्रतिशत से अधिक सुधर गया। इसके अलावा, क्रिस्टल का आकार बहुत अधिक सुसंगत हो गया। पारंपरिक विधि में, क्रिस्टल की लंबाई और चौड़ाई में बहुत भिन्नता थी, लेकिन दो-चरणीय विधि ने एक ऐसा बैच तैयार किया जहाँ लगभग हर क्रिस्टल आकार में लगभग एक जैसा था। औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए यह एकरूपता आवश्यक है, क्योंकि यह सुनिश्चित करती है कि अंतिम सामग्री अनुमानित रूप से व्यवहार करे।

इन नए क्रिस्टल के रासायनिक गुणों ने भी आशाजनक सुधार दिखाए। इन क्रिस्टलों ने उच्च तापीय स्थिरता (thermal stability) बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि वे टूटने से पहले उच्च तापमान को सहन कर सकते हैं, जो अत्यंत महत्वपूर्ण है यदि उन्हें उन प्लास्टिकों में मिलाया जाना है जिन्हें विनिर्माण के दौरान पिघलाया जाता है। हालांकि दो-चरणीय विधि से प्राप्त क्रिस्टलों में आंतरिक व्यवस्था, या क्रिस्टलीयता (crystallinity) का स्तर पारंपरिक विधि की तुलना में थोड़ा कम था, लेकिन इससे उनके प्रदर्शन पर कोई बुरा प्रभाव नहीं पड़ा। वास्तव में, इसने मदद की होगी। जब शोधकर्ताओं ने इन नए क्रिस्टलों को पॉलीविनाइल अल्कोहल फिल्म (एक सामान्य प्रकार का प्लास्टिक) में मिलाया, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। फिल्म काफी मजबूत और सख्त हो गई। सबसे प्रभावशाली बात यह थी कि फिल्म बहुत अधिक 'टफ' (tougher) भी हो गई, जिसका अर्थ है कि यह टूटने से पहले अधिक ऊर्जा को अवशोषित कर सकती है। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले क्रिस्टल, जो दो-चरण की विधि से बने थे, ने प्लास्टिक फिल्म की मजबूती को 70 प्रतिशत से अधिक और उसकी कठोरता (toughness) को लगभग 80 प्रतिशत तक बढ़ा दिया, और वह भी केवल एक प्रतिशत की बहुत कम सांद्रता पर।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि किसी प्रतिक्रिया में रसायन को जोड़ने का तरीका स्वयं रसायन जितना ही महत्वपूर्ण हो सकता है। अमोनियम पर्सल्फेट को दो बैचों में विभाजित करके, शोधकर्ता लकड़ी के पल्प को अधिक सामग्री, बेहतर आकार, आकार और मजबूती देने के लिए प्रेरित करने में सक्षम हुए। निष्कर्ष बताते हैं कि यह विधि उच्च गुणवत्ता वाले सेलुलोज नैनोक्रिस्टल के उत्पादन को अधिक कुशल और लागत प्रभावी बना सकती है, जो मजबूत पैकेजिंग से लेकर उन्नत चिकित्सा उपकरणों तक, हर चीज़ में इन टिकाऊ, लकड़ी-आधारित सामग्रियों के व्यापक उपयोग का मार्ग खोल सकती है। यह कार्य पुष्टि करता है कि रासायनिक प्रतिक्रिया के समय में सावधानीपूर्वक समायोजन करके अंतिम उत्पाद की गुणवत्ता और मात्रा में महत्वपूर्ण सुधार किया जा सकता है।