Structural and Morphological Characterization of Tussar and Bivoltine Silk Fibers

तकनीकी सारांश: टसर और बाइवोल्टाइन रेशम तंतुओं का संरचनात्मक और रूपात्मक लक्षण वर्णन

समस्या विवरण
रेशम के तंतु, जो मुख्य रूप से फाइब्रोइन और सेरिसिन से बने होते हैं, अपनी अद्वितीय यांत्रिक शक्ति, लचीलेपन और जैव-अनुकूलता के संयोजन के लिए मूल्यवान हैं। हालांकि, विभिन्न रेशम किस्मों में उनके विशिष्ट अमीनो एसिड प्रोफाइल और आणविक संगठन के कारण विशिष्ट भौतिक-रासायनिक गुण होते हैं। जबकि टसर रेशम (वन जंगली, Antheraea प्रजातियों से) और बाइवोल्टाइन रेशम (पालतू, Bombyx mori से) दोनों ही तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण हैं, बाहरी भौतिक उत्तेजनाओं, विशेष रूप से विद्युत चुम्बकीय विकिरण के प्रति उनकी मौलिक प्रतिक्रियाएं सूक्ष्म संरचनात्मक स्तर पर अच्छी तरह से समझ में नहीं आई हैं। मौजूदा साहित्य मुख्य रूप से एकल रेशम प्रकारों या रासायनिक रूप से संसाधित फिल्मों पर केंद्रित है, जो समान विकिरण स्थितियों के तहत प्राकृतिक टसर और बाइवोल्टाइन तंतुओं की तुलनात्मक प्रतिक्रिया के संबंध में एक ज्ञान अंतराल छोड़ देता है। यह अध्ययन उन्नत वस्त्र इंजीनियरिंग, बायोमेडिकल स्कैफोल्डिंग और कार्यात्मक सम्मिश्र डिजाइन के लिए उनके चयन को अनुकूलित करने के लिए इन दोनों किस्मों की व्यवस्थित तुलना करने की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में भारत के प्रमाणित सरकारी संस्थानों से प्राप्त टसर और बाइवोल्टाइन रेशम तंतुओं का तुलनात्मक विश्लेषण किया गया। प्रयोगात्मक डिजाइन में शामिल था:

1. नमूना तैयार करना: रेशम के तंतुओं को साफ किया गया, सुखाया गया और नियंत्रण (अनुपचारित), 5-मिनट विकिरणित, और 10-मिनट विकिरणित समूहों में विभाजित किया गया।
2. विकिरण: नमूनों को नियंत्रित माइक्रोवेव विकिरण (2.45 GHz, 1000W) के लिए 5 और 10 मिनट के लिए विषय के रूप में रखा गया।
3. लक्षण वर्णन तकनीकें:
   • एक्स-रे विवर्तन (XRD): क्रिस्टलीयता का मूल्यांकन करने, $\beta$-शीट संरचनाओं की पहचान करने और शेरर समीकरण (Scherrer equation) एवं विलियमसन-हॉल विधि का उपयोग करके क्रिस्टलीय आकार, जाली तनाव (lattice strain), विस्थापन घनत्व और अंतरतलीय अंतराल की गणना करने के लिए उपयोग किया गया।
   • फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (FTIR) स्पेक्ट्रोस्कोपी: रासायनिक बंधन, कार्यात्मक समूहों और प्रोटीन बैकबोन (Amide I, II, और III बैंड) के संरक्षण का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किया गया।
   • स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM): सतह की आकृति विज्ञान (morphology), तंतुमय संरेखण और संरचनात्मक अखंडता का अवलोकन करने के लिए नियोजित किया गया।
   • यांत्रिक परीक्षण: संरचनात्मक अखंडता और भार वहन क्षमता का आकलन करने के लिए ब्रेकिंग लोड, दीर्घीकरण (elongation) और दृढ़ता (tenacity) को मापा गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम
अध्ययन माइक्रोवेव एक्सपोजर के बाद दोनों रेशम प्रकारों के बीच स्पष्ट संरचनात्मक और यांत्रिक विचलन को प्रकट करता है:

• क्रिस्टलीयता और XRD विश्लेषण:

  • टसर रेशम: 5 मिनट के विकिरण के बाद क्रिस्टलीयता और विवर्तन तीव्रता में महत्वपूर्ण कमी देखी गई, जो श्रृंखला विखंडन (chain scission) और संरचनात्मक विखंडन का संकेत देती है। जबकि 10 मिनट में तीव्रता और क्रिस्टलीय आकार में आंशिक सुधार देखा गया, क्रिस्टलीयता कच्चे नमूने के स्तर से नीचे रही, जो सीमित पुन: क्रिस्टलीकरण और अनाकार (amorphous) अवस्था की ओर झुकाव का सुझाव देती है।
  • बाइवोल्टाइन रेशम: इसने उत्कृष्ट स्थिरता प्रदर्शित की। जबकि 5 मिनट के विकिरण ने तीव्रता में थोड़ी कमी दिखाई, 10 मिनट के एक्सपोजर के परिणामस्वरूप विवर्तन तीव्रता और क्रिस्टलीयता सूचकांक (CI) में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, जो कच्चे नमूने के 89% से बढ़कर 92% हो गया। यह विकिरण-प्रेरित आणविक पुनर्गठन और बिना किसी महत्वपूर्ण जाली विरूपण के $\beta$-शीट संरेखण को दर्शाता है।

• FTIR स्पेक्ट्रोस्कोपी:

  • टसर रेशम: 5 मिनट के बाद पीक तीव्रता में कमी और बैंड का चौड़ा होना देखा गया, जो हाइड्रोजन बॉन्डिंग और $\beta$-शीट व्यवस्था के आंशिक व्यवधान का सुझाव देता है।
  • बाइवोल्टाइन रेशम: 10 मिनट के बाद Amide I और II बैंडों का निरंतर तीव्र होना और तीक्ष्ण होना देखा गया, जो बेहतर श्रृंखला संरेखण और अंतर आणविक अंतःक्रियाओं को दर्शाता है।

• यांत्रिक गुण:

  • टसर रेशम: 5 मिनट के बाद यांत्रिक प्रदर्शन में काफी गिरावट आई (ब्रेकिंग लोड और दृढ़ता में कमी), लेकिन 10 मिनट में एक उल्लेखनीय सुधार देखा गया, जो कच्चे रेशम के मानों से थोड़ा अधिक था।
  • बाइवोल्टाइन रेशम: विकिरण समय के साथ यांत्रिक गुणों में निरंतर वृद्धि प्रदर्शित की। ब्रेकिंग लोड, दीर्घीकरण और दृढ़ता में प्रगतिशील सुधार हुआ, जिसमें 10-मिनट के नमूने ने उच्चतम प्रदर्शन दिखाया (उदाहरण के लिए, दृढ़ता 2.19 से बढ़कर 2.857 g/den हो गई)।

• सतह आकृति विज्ञान (SEM):

  • टसर रेशम: कच्चे रेशम के तंतु अधिक खुरदरे और विषम दिखाई दिए। विकिरण ने दृश्य सतह क्षरण, जिसमें खुरदरापन, तंतु व्यवधान और सूक्ष्म संरचनात्मक विसंगतियां शामिल हैं, उत्पन्न किया।
  • बाइवोल्टाइन रेशम: कच्चे रेशम के तंतु चिकने और सघन थे। विकिरण के बाद, तंतु संरचनात्मक रूप से बरकरार रहे, केवल मामूली सतह अनियमितताएं देखी गईं, जो बेहतर आणविक पैकिंग का संकेत देने वाली एक समान और सघन आकृति विज्ञान को बनाए रखते हैं।

महत्व और दावे
यह शोध निष्कर्ष निकालता है कि बाइवोल्टाइन रेशम, टसर रेशम की तुलना में उत्कृष्ट विकिरण सहनशीलता और संरचनात्मक अनुकूलन क्षमता प्रदर्शित करता है। लेखक दावा करते हैं कि नियंत्रित माइक्रोवेव विकिरण प्रभावी रूप से रेशम के सूक्ष्म संरचना और प्रदर्शन को नियंत्रित करता है, विशेष रूप से बाइवोल्टाइन किस्मों के लिए, जो फाइब्रोइन श्रृंखलाओं के पुन: उन्मुखीकरण और $\beta$-शीट डोमेन के स्थिरीकरण को बढ़ावा देता है।

अध्ययन यह दावा करता है कि ये निष्कर्ष कार्यात्मक सामग्री डिजाइन के लिए अगली पीढ़ी के रेशम-आधारित सामग्रियों के तर्कसंगत डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण हैं। विशेष रूप से, बाइवोल्टाइन रेशम को विकिरण के तहत उच्च संरचनात्मक स्थिरता और उन्नत यांत्रिक प्रदर्शन की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों, जैसे उन्नत वस्त्र, भार-वहन बायोमेडिकल सामग्री और कार्यात्मक सम्मिश्रों के लिए एक अधिक उपयुक्त उम्मीदवार के रूप में पहचाना गया है। इसके विपरीत, टसर रेशम की थर्मल और संरचनात्मक क्षरण के प्रति संवेदनशीलता यह सुझाव देती है कि यह उन अनुप्रयोगों के लिए बेहतर हो सकता है जहां प्राकृतिक सरंध्रता (porosity) और सौंदर्यपूर्ण बनावट को संरचनात्मक सुदृढीकरण पर प्राथमिकता दी जाती है। यह कार्य इस बात पर जोर देता है कि कार्यात्मक सामग्री डिजाइन में उपयुक्त रेशम प्रकारों और प्रसंस्करण रणनीतियों के चयन के लिए इन विभेदक प्रतिक्रियाओं को समझना आवश्यक है।