जलीय मकड़ी (आर्गाइरोनेटा एक्वाटिकस्पाइडर) से प्रेरित होकर, शोधकर्ताओं ने एक स्थिर चेसिस के साथ एक सुपरहाइड्रोफोबिक सतह विकसित की है जो पानी के भीतर महीनों तक रह सकती है। ऐसी सतहों का उपयोग बायोमेडिकल क्षेत्रों में किया जा सकता है, जैसे सर्जिकल संक्रमण को कम करना, और औद्योगिक क्षेत्रों में, जैसे पाइप जंग को रोकना।
मकड़ी की एक प्रजाति अपना पूरा जीवन पानी के भीतर बिताती है, हालाँकि उसके फेफड़े केवल वायुमंडलीय ऑक्सीजन ही सांस ले सकते हैं। यह कैसे किया जाता है? Argyroneta aquatica नामक मकड़ी के शरीर पर लाखों खुरदरे, हाइड्रोफोबिक बाल होते हैं। ये बाल उसके शरीर के चारों ओर हवा को फँसाते हैं, एक ऑक्सीजन भंडार बनाते हैं और मकड़ी के फेफड़ों और पानी के बीच एक बाधा के रूप में कार्य करते हैं।
सामग्री वैज्ञानिक दशकों से हवा की इस पतली सुरक्षात्मक परत का दोहन करने की कोशिश कर रहे हैं। ऐसा करने से पानी के नीचे सुपरहाइड्रोफोबिक सतहें बनती हैं जो जंग, बैक्टीरिया के विकास, समुद्री जीवन के आसंजन, रासायनिक प्रदूषण और सतहों पर तरल पदार्थों के अन्य हानिकारक प्रभावों को रोकती हैं। लेकिन यह पता चला है कि प्लास्ट्रॉन पानी के भीतर बेहद अस्थिर होते हैं और प्रयोगशाला में सतह पर केवल कुछ घंटों तक ही सूखे रह सकते हैं।
अब, हार्वर्ड जॉन ए. पॉलसन स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज (एसईएएस), हार्वर्ड यूनिवर्सिटी में वाइस इंस्टीट्यूट फॉर बायोलॉजिकल इंस्पायर्ड इंजीनियरिंग, जर्मनी में फ्रेडरिक-अलेक्जेंडर यूनिवर्सिटी ऑफ एर्लांगेन-नूरेमबर्ग और फिनलैंड में आल्टो यूनिवर्सिटी के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक स्थिर प्लाज्मा झिल्ली के साथ एक सुपरहाइड्रोफोबिक सतह विकसित की है जो महीनों तक पानी में रह सकती है। टीम की समग्र रणनीति लंबे समय तक चलने वाली पानी के नीचे सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों का निर्माण करना है जो रक्त को रोकती है और बैक्टीरिया और बार्नाकल और मसल्स जैसे समुद्री जीवों के जुड़ाव को कम या रोकती है, जिससे बायोमेडिसिन और उद्योग में अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला खुलती है।
"बायोइंस्पायर्ड सामग्री अनुसंधान एक बेहद रोमांचक क्षेत्र है जो प्रकृति में विकसित सुरुचिपूर्ण समाधानों को मानव निर्मित सामग्रियों के दायरे में लाता रहता है, जिससे हमें पहले कभी नहीं देखे गए गुणों के साथ नई सामग्री पेश करने की इजाजत मिलती है," सामग्री विज्ञान के एमी स्मिथ बेरिलसन प्रोफेसर और एसईएएस में रसायन शास्त्र और रासायनिक जीवविज्ञान के प्रोफेसर जोआना एज़ेनबर्ग, पेपर के सह-लेखक ने कहा। "यह अध्ययन दर्शाता है कि इन सिद्धांतों को उजागर करने से उन सतहों का विकास हो सकता है जो पानी में सुपरहाइड्रोफोबिक रहती हैं।"
एज़ेनबर्ग वाइस इंस्टीट्यूट में एसोसिएट फैकल्टी सदस्य भी हैं। यह शोध नेचर मटेरियल्स जर्नल में प्रकाशित हुआ था।
शोधकर्ता 20 वर्षों से जानते हैं कि एक स्थिर पानी के नीचे चेसिस सैद्धांतिक रूप से संभव है, लेकिन अब तक, वे इसे प्रयोगात्मक रूप से साबित नहीं कर पाए हैं।
प्लास्ट्रॉन के साथ सबसे बड़ी समस्याओं में से एक यह है कि उन्हें बनाने के लिए एक खुरदरी सतह की आवश्यकता होती है, जैसे कि अर्गिरोनेटा एक्वाटिका के बाल। लेकिन यह खुरदरापन सतह को यांत्रिक रूप से अस्थिर बनाता है, तापमान, दबाव या छोटी खामियों में किसी भी छोटी गड़बड़ी के प्रति संवेदनशील होता है।
आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली और सस्ती टाइटेनियम मिश्र धातु से बनी एयरोफिलिक सतह में एक टिकाऊ प्लाज्मा झिल्ली होती है और रक्त संस्कृति व्यंजनों में सैकड़ों बार भिगोने के बाद सूखी रहती है। छवि स्रोत: अलेक्जेंडर बी. टेस्लर/फ्रेडरिक-अलेक्जेंडर-यूनिवर्सिटीएट एर्लांगेन-नूर्नबर्ग
नवीन प्रौद्योगिकियाँ और खोजें
कृत्रिम रूप से निर्मित सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों के मूल्यांकन के लिए वर्तमान तकनीकें केवल दो मापदंडों पर विचार करती हैं, जो पानी के नीचे वायु कणों की स्थिरता के बारे में पर्याप्त जानकारी प्रदान नहीं करती हैं। एज़ेनबर्ग, जाक्को वी.आई. टिमोनेन और रॉबिन एच.ए. आल्टो विश्वविद्यालय से रास, और फ्लोरिडा विश्वविद्यालय से अलेक्जेंडर बी. टेस्लर और वोल्फगैंग एच. गोल्डमैन और उनकी टीमों ने सतह खुरदरापन, सतह अणुओं की हाइड्रोफोबिसिटी, सतह कवरेज, संपर्क कोण और अन्य जानकारी सहित अधिक पैरामीटर निर्धारित किए।
इस नए दृष्टिकोण और एक सरल निर्माण तकनीक का उपयोग करते हुए, टीम ने आमतौर पर इस्तेमाल होने वाले, सस्ते टाइटेनियम मिश्र धातु का उपयोग करके एक तथाकथित एयरोफिलिक सतह का निर्माण किया, जिसमें लंबे समय तक चलने वाली प्लाज्मा झिल्ली होती है जो सतह को पिछले प्रयोगों की तुलना में हजारों घंटों तक सूखा रखती है और यहां तक कि जैविक प्रजातियों के प्लाज्मा झिल्ली को भी मात देती है।
"हमने यह दिखाने के लिए 20 साल पहले सिद्धांतकारों द्वारा विकसित एक लक्षण वर्णन पद्धति का उपयोग किया था कि हमारी सतह स्थिर है, जिसका अर्थ है कि हमने न केवल एक नए प्रकार की बेहद प्रतिरोधी, बेहद टिकाऊ सुपरहाइड्रोफोबिक सतह बनाई है, बल्कि हमारे पास विभिन्न सामग्रियों के साथ इसे फिर से करने का एक तरीका भी है," टेस्लर ने कहा, जिन्होंने एसईएएस और वाइस इंस्टीट्यूट में पोस्टडॉक्टरल फेलो के रूप में काम किया और पेपर के पहले लेखक हैं।
प्लम की स्थिरता को साबित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इसकी सतह पर विभिन्न परीक्षण किए - इसे मोड़ना, इसे मोड़ना, इस पर गर्म और ठंडे पानी का छिड़काव करना और इसकी सतह को एयरोफिलिक बने रहने से रोकने के लिए इसे रेत और स्टील से पॉलिश करना। इसे 208 दिनों तक पानी में भिगोया गया और रक्त पेट्री डिश में सैकड़ों बार भिगोया गया। यह इसकी सतह पर ई. कोली और बार्नाकल की वृद्धि को गंभीर रूप से कम कर देता है और मसल्स को चिपकने से पूरी तरह से रोकता है।
एसईएएस में स्नातक छात्र और पेपर के सह-लेखक स्टीफन कोले ने कहा, "इस प्रणाली की स्थिरता, सरलता और मापनीयता इसे व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बहुत मूल्यवान बनाती है।" "यहां प्रदर्शित लक्षण वर्णन विधि के साथ, हम स्थिरता के लिए सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों को अनुकूलित करने के लिए एक सरल टूलकिट प्रदर्शित करते हैं, जो नाटकीय रूप से एप्लिकेशन स्थान को बदल देता है।"
पेपर के वरिष्ठ लेखक और हार्वर्ड विश्वविद्यालय के पूर्व शोधकर्ता गोल्डमैन ने कहा कि इस एप्लिकेशन स्पेस में पोस्टऑपरेटिव संक्रमण को कम करने या स्टेंट जैसे बायोडिग्रेडेबल प्रत्यारोपण के रूप में बायोमेडिकल एप्लिकेशन शामिल हैं। इसका उपयोग पाइपों और सेंसरों को जंग से बचाने के लिए पानी के भीतर भी किया जा सकता है। भविष्य में, इसे SLIPS (तरल-संक्रमित छिद्रपूर्ण सतह) नामक अल्ट्रा-फिसलन कोटिंग्स के साथ भी जोड़ा जा सकता है, जिसे ईसेनबर्ग और उनकी टीम ने सतहों को संदूषण से बचाने के लिए एक दशक से भी अधिक समय पहले विकसित किया था।