बायो-हाइब्रिड सामग्री की सतह रसायन को उजागर करती XPS तकनीक

जल शोधन, उत्प्रेरक प्रक्रियाओं और कार्यात्मक कोटिंग जैसे उपयोगों के लिए बनाई जा रही बायो-आधारित सामग्री की सतह रसायन का अध्ययन फ्राउनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर अप्लाइड पॉलिमर रिसर्च (IAP) के शोधकर्ता कर रहे हैं। इसके लिए वे एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी यानी XPS तकनीक का इस्तेमाल कर रहे हैं। प्राकृतिक कच्चे माल को अकार्बनिक घटकों के साथ मिलाकर बनाई गई सामग्री पर यह शोध, पॉट्सडैम विश्वविद्यालय में प्रोफेसर आंद्रियास ताउबर्ट के नेतृत्व वाले मैटेरियल्स केमिस्ट्री शोध समूह के साथ मिलकर किया गया। इसके ताज़ा नतीजे न्यू जर्नल ऑफ केमिस्ट्री में प्रकाशित हुए हैं।

शोधकर्ताओं ने कॉफी के अवशेष और संतरे के छिलकों को गर्म कर कार्बन-भरपूर सामग्री बायोचार बनाई, फिर इसे मिट्टी के खनिजों और धातु ऑक्साइड के साथ मिलाकर जल शोधन के लिए हाइब्रिड सामग्री तैयार की। फ्राउनहोफर IAP के सतह विश्लेषण विशेषज्ञ डॉ. जियोंग किम ने यह अध्ययन करने के लिए XPS का इस्तेमाल किया कि ताप उपचार और हाइब्रिड निर्माण ने इन सामग्रियों की सतह और अंतरापृष्ठ रसायन को कैसे बदला। XPS में, किसी सामग्री की सतह पर एक्स-रे डाली जाती है और निकलने वाले कणों की ऊर्जा मापी जाती है। किम ने कहा, 'XPS एक बेहद बारीक सतह स्कैनर जैसा है; यह हमें किसी सामग्री की ऊपरी 1 से 10 नैनोमीटर परत को रासायनिक नक्शे की तरह पढ़ने देता है।' उन्होंने बताया कि इस विश्लेषण के लिए बहुत कम नमूना तैयारी की ज़रूरत होती है।

प्राकृतिक कच्चे माल से बनी सामग्री रासायनिक रूप से सामान्य प्रयोगशाला रसायनों से कहीं ज़्यादा जटिल होती है, क्योंकि कॉफी के अवशेष या संतरे के छिलके जैसे बायोमास को गर्म करने पर एक साथ कई प्रतिक्रियाएँ होती हैं। इससे असमान और कभी-कभी अनुमान से परे सतह रसायन वाला कार्बन बनता है। कॉफी-अवशेष बायोचार में, XPS ने दिखाया कि ताप उपचार ने सतह के कार्बन को फिर से व्यवस्थित कर एक ज़्यादा कार्बन-भरपूर, ग्रेफाइट जैसी संरचना बना दी, जो रासायनिक रूप से विविध और खामियों से भरपूर बनी रही। ऐसे गुण सामग्री को दवा के यौगिकों, रंगों और अन्य कार्बनिक प्रदूषकों से जुड़ने में मदद करते हैं। ताउबर्ट ने कहा, 'किसी सामग्री की सटीक रसायन को गहराई से समझने से हमें न सिर्फ उसकी बनावट, बल्कि जल शोधन या इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरण जैसे उपयोग में आने पर उसमें होने वाले बदलावों को भी सटीक तरीके से समझने में मदद मिलती है।'

बायो-आधारित हाइब्रिड सामग्री में कार्बनिक और अकार्बनिक घटक बेहद छोटे पैमाने पर जुड़े होते हैं, और उनके अंतरापृष्ठ पर जो होता है वह सामग्री के बाद के गुणों को काफी प्रभावित कर सकता है। किम ने कहा, 'हाइब्रिड सामग्री में सिर्फ यह जानना काफी नहीं कि कौन-से तत्व मौजूद हैं। अहम यह है कि कार्बनिक और अकार्बनिक घटक कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, और क्या उनके अंतरापृष्ठ पर नए रासायनिक माहौल बनते हैं। XPS हमें ये परस्पर क्रियाएँ दिखाने में मदद करता है'। संतरे के छिलके के बायोचार, मिट्टी और टाइटेनियम डाइऑक्साइड से बनी हाइब्रिड प्रणालियों में विश्लेषण से पता चला कि ताप प्रसंस्करण के दौरान कार्बनिक और अकार्बनिक घटक अपने अंतरापृष्ठ पर रासायनिक बंध बनाते हैं। इसमें टाइटेनियम, ऑक्सीजन, कार्बन और एल्युमिनियम शामिल होते हैं।

नाइट्रोजन-संशोधित फोटोकैटेलिस्ट में — जो प्रकाश की मदद से प्रदूषकों को तोड़ते हैं — XPS ने शोधकर्ताओं को टाइटेनियम युक्त अकार्बनिक संरचना में शामिल नाइट्रोजन और बचे हुए कार्बनिक नाइट्रोजन के बीच फ़र्क करने में भी मदद की। फ्राउनहोफर IAP ने बताया कि यह तकनीक कंपनियों और शोध साझेदारों को बायो-आधारित सामग्री में बैच-दर-बैच अंतर, उम्र बढ़ने के प्रभाव और सतह में बदलाव के कारणों की पहचान करने में मदद करती है। इससे नई सामग्री के फॉर्मूले को व्यवस्थित रूप से बेहतर बनाया जा सकता है।