वर्जीनिया यूनिवर्सिटी स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंस के शोधकर्ताओं ने एक नया पॉलिमर डिज़ाइन विकसित किया है जो पॉलिमर इंजीनियरिंग पर पाठ्यपुस्तक को फिर से लिखता प्रतीत होता है। अब यह हठधर्मिता नहीं रही कि पॉलिमर सामग्री जितनी सख्त होगी, वह उतनी ही कम फैलने योग्य होगी।
सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग और केमिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर लिहेंग काई ने कहा, “हम एक मौलिक चुनौती का समाधान कर रहे हैं जिसे 1839 में वल्केनाइज्ड रबर के आविष्कार के बाद से हल करना असंभव माना जाता है।”
तभी चार्ल्स गुडइयर को गलती से पता चला कि प्राकृतिक रबर को सल्फर के साथ गर्म करने से स्ट्रैंड जैसे रबर अणुओं के बीच रासायनिक क्रॉसलिंक बन जाता है। यह क्रॉसलिंकिंग प्रक्रिया एक पॉलिमर नेटवर्क बनाती है, जो चिपचिपे रबर को, जो गर्मी में पिघलती है और बहती है, एक टिकाऊ, लोचदार सामग्री में बदल देती है।
तब से, यह माना जाता रहा है कि यदि आप पॉलिमर नेटवर्क सामग्री को कठोर बनाना चाहते हैं, तो आपको कुछ स्ट्रेचेबिलिटी का त्याग करना होगा।
यानी, जब तक कै की टीम, पीएच.डी. के नेतृत्व में नहीं थी। छात्र बाईकियांग हुआंग ने अपने नए “फोल्डेबल बॉटलब्रश पॉलिमर नेटवर्क” के साथ अन्यथा साबित किया। कै के नेशनल साइंस फाउंडेशन कैरियर अवार्ड द्वारा वित्त पोषित उनका काम, साइंस एडवांसेज के 27 नवंबर के अंक के कवर पर है।
‘डिकॉउलिंग’ कठोरता और खिंचाव
हुआंग ने कहा, “इस सीमा ने उन सामग्रियों के विकास को रोक दिया है जिन्हें खींचने योग्य और कठोर दोनों होने की आवश्यकता है, जिससे इंजीनियरों को दूसरे की कीमत पर एक संपत्ति चुनने के लिए मजबूर होना पड़ा।” “उदाहरण के लिए, एक हृदय प्रत्यारोपण की कल्पना करें जो हर धड़कन के साथ मुड़ता और मुड़ता है लेकिन फिर भी वर्षों तक चलता है।”
हुआंग ने सबसे पहले पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता शिफेंग निआन और कै के साथ पेपर लिखा।
क्रॉसलिंक्ड पॉलिमर हमारे द्वारा उपयोग किए जाने वाले उत्पादों में हर जगह हैं, ऑटोमोबाइल टायर से लेकर घरेलू उपकरणों तक – और उनका उपयोग बायोमटेरियल्स और स्वास्थ्य देखभाल उपकरणों में तेजी से किया जा रहा है।
टीम अपनी सामग्री के लिए जिन कुछ अनुप्रयोगों की परिकल्पना करती है उनमें प्रोस्थेटिक्स और मेडिकल इम्प्लांट, बेहतर पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स, और नरम रोबोटिक प्रणालियों के लिए “मांसपेशियां” शामिल हैं जिन्हें बार-बार मोड़ने, मोड़ने और खींचने की आवश्यकता होती है।
कठोरता और विस्तारशीलता – कोई सामग्री बिना टूटे कितनी दूर तक फैल सकती है या फैल सकती है – जुड़े हुए हैं क्योंकि वे एक ही बिल्डिंग ब्लॉक से उत्पन्न होते हैं: क्रॉसलिंक्स द्वारा जुड़े पॉलिमर स्ट्रैंड्स। परंपरागत रूप से, पॉलिमर नेटवर्क को मजबूत करने का तरीका अधिक क्रॉसलिंक जोड़ना है।
यह सामग्री को कठोर बनाता है लेकिन कठोरता-खिंचाव क्षमता के बीच के अंतर को हल नहीं करता है। अधिक क्रॉसलिंक वाले पॉलिमर नेटवर्क सख्त होते हैं, लेकिन उन्हें विकृत होने की समान स्वतंत्रता नहीं होती है, और खींचने पर वे आसानी से टूट जाते हैं।
कैई ने कहा, “हमारी टीम ने महसूस किया कि फोल्डेबल बॉटलब्रश पॉलिमर को डिजाइन करके, जो अपनी संरचना के भीतर अतिरिक्त लंबाई को स्टोर कर सकता है, हम कठोरता और विस्तारशीलता को कम कर सकते हैं – दूसरे शब्दों में, कठोरता का त्याग किए बिना स्ट्रेचेबिलिटी का निर्माण कर सकते हैं।” “हमारा दृष्टिकोण अलग है क्योंकि यह क्रॉसलिंक के बजाय नेटवर्क स्ट्रैंड के आणविक डिजाइन पर केंद्रित है।”
फोल्डेबल डिज़ाइन कैसे काम करता है
रैखिक पॉलिमर स्ट्रैंड के बजाय, कै की संरचना एक बॉटलब्रश जैसी होती है – कई लचीली साइड चेन एक केंद्रीय रीढ़ की हड्डी से निकलती हैं।
गंभीर रूप से, रीढ़ की हड्डी एक अकॉर्डियन की तरह ढह और विस्तारित हो सकती है जो फैलने पर खुलती है। जब सामग्री खींची जाती है, तो पॉलिमर के अंदर छिपी लंबाई खुल जाती है, जिससे यह बिना कमजोर हुए मानक पॉलिमर की तुलना में 40 गुना अधिक लंबा हो जाता है।
इस बीच, साइड चेन कठोरता का निर्धारण करती हैं, जिसका अर्थ है कि कठोरता और खिंचाव को अंततः स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।
यह पॉलीमर नेटवर्क के लिए एक “सार्वभौमिक” रणनीति है क्योंकि फोल्डेबल बॉटलब्रश पॉलीमर संरचना बनाने वाले घटक विशिष्ट रासायनिक प्रकारों तक सीमित नहीं हैं।
उदाहरण के लिए, उनके एक डिज़ाइन में साइड चेन के लिए एक पॉलिमर का उपयोग किया गया है जो ठंडे तापमान में भी लचीला रहता है। लेकिन साइड चेन के लिए एक अलग सिंथेटिक पॉलिमर का उपयोग करना, जो आमतौर पर बायोमटेरियल इंजीनियरिंग में उपयोग किया जाता है, एक जेल का उत्पादन कर सकता है जो जीवित ऊतक की नकल कर सकता है।
काई की प्रयोगशाला में विकसित कई नवीन सामग्रियों की तरह, फोल्डेबल बॉटलब्रश पॉलिमर को 3डी-प्रिंट करने योग्य बनाया गया है। अकार्बनिक नैनोकणों के साथ मिश्रित होने पर भी यह सच है, जिसे जटिल विद्युत, चुंबकीय या ऑप्टिकल गुणों को प्रदर्शित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है।
उदाहरण के लिए, वे प्रवाहकीय नैनोकणों को जोड़ सकते हैं, जैसे चांदी या सोने के नैनोरोड, जो स्ट्रेचेबल और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए महत्वपूर्ण हैं।
कै ने कहा, “ये घटक हमें ऐसी सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए अंतहीन विकल्प देते हैं जो विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर अकार्बनिक नैनोकणों के गुणों का उपयोग करते हुए ताकत और खिंचाव को संतुलित करते हैं।”
