नैनोसेल्युलोज

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नैनोसेल्युलोज
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नैनोसेल्यूलोज नैनो-संरचित सेलूलोज़ का चर्चा करने वाला शब्द है। इसे सेल्यूलोज नैनोफिबर्स (सीएनसी या एनसीसी), सेल्यूलोज नैनोफिबर्स (सीएनएफ) जिसे नैनोफाइब्रिलेटेड सेल्यूलोज (एनएफसी) भी कहा जाता है, या बैक्टीरियल नैनोसेल्यूलोज हो सकता है, जो बैक्टीरिया द्वारा उत्पादित नैनो-संरचित सेल्यूलोज को संदर्भित करता है।

सीएनएफ उच्च पहलू अनुपात (लंबाई से चौड़ाई अनुपात) के साथ नैनोसाइज्ड सेलूलोज़ तंतुओं से बनी सामग्री है। विशिष्ट तंतुओं की चौड़ाई लंबाई सामान्यतः कई माइक्रोमीटर विस्तृत श्रृंखला के साथ 5-20 नैनोमीटर होती है। यह छद्म-प्लास्टिक है और थिक्सोट्रॉपी प्रदर्शित करता है, कुछ जैल या द्रव पदार्थ की गुण जो सामान्य परिस्थितियों में मोटी (चिपचिपी) होती है, लेकिन मिलाने या प्रक्षोभित होने पर कम चिपचिपी हो जाती है। जब अपरुपक बलों को हटा दिया जाता है तो जेल अपनी मूल स्थिति को पुनः प्राप्त कर लेता है। उच्च दबाव, उच्च तापमान और उच्च वेग प्रभाव एकरूपता, पीस या माइक्रोफ्लुइडाइजेशन (नीचे निर्माण देखें) के माध्यम से लकड़ी-आधारित फाइबर (लुगदी फाइबर) सहित किसी भी सेल्यूलोज युक्त स्रोत से तंतुओं को अलग किया जाता है।[1][2][3]

नैनोसेल्युलोज को अम्लीय द्रव अपघटन द्वारा देशी फाइबर से भी प्राप्त किया जा सकता है, जो अत्यधिक क्रिस्टलीय और कठोर नैनोकणों को जन्म देता है, जो सीएनएफ की तुलना में छोटे (100s से 1000 नैनोमीटर) होते हैं, जो एकरूपता, माइक्रोफ्लूइडाइजेशन या घर्षण रूट से प्राप्त होते हैं। परिणामी सामग्री को सीएनसी के रूप में जाना जाता है।[4]

नैनोकाइटिन अपने नैनोसंरचना में नैनोसेल्युलोज के समान है।

इतिहास और शब्दावली

माइक्रोफिब्रिलेटेड/नैनोसेल्युलोज या (एमएफसी) शब्दावली का पहली बार उपयोग टर्बक, स्नाइडर और सैंडबर्ग द्वारा 1970 के दशक के अंत में व्हिपनी, न्यू जर्सी में आईटीटी रेयोनियर लैब में किया गया था, जो गॉलिन के माध्यम से लकड़ी के गूदे को पास करके जेल प्रकार की सामग्री के रूप में तैयार उत्पाद का वर्णन करता है। उच्च तापमान और उच्च दबावों पर दुग्ध समांगक टाइप करें, जिसके बाद कठोर सतह पर अंतः क्षेपण प्रभाव पड़ता है।[5]

शब्दावली पहली बार 1980 के दशक की प्रारम्भ में सार्वजनिक रूप से सामने आई जब आईटीटी रेयोनियर को पदार्थ के नए नैनोसेल्यूलोज संघटन पर कई पेटेंट और प्रकाशन जारी किए गए।[6]बाद के काम में, व्हिपैनी में आईटीटी रेयोनियर ईस्टर्न रिसर्च डिवीजन (ईआरडी) लैब में एफ.डब्ल्यू. हेरिक ने भी जेल के सूखे पाउडर के रूप में काम प्रकाशित किया।[7]रेयोनियर ने शोधित लुगदी का उत्पादन किया है।[8][9][10] रेयोनियर ने सेल्युलोज के इस नए प्रयोग को आगे बढ़ाने के लिए किसी को भी मुफ्त लाइसेंस दिया। रेयोनियर, एक कंपनी के रूप में, स्केल-अप का पीछा कभी नहीं किया। बल्कि, टर्बक एट अल 1) एमएफसी/नैनोसेल्यूलोज के लिए नए उपयोगों का खोज किया। इनमें खाद्य पदार्थों, सौंदर्य प्रसाधनों, कागज निर्माण, वस्त्रों, गैर-बुने हुए कपड़ों आदि में एमएफसी को रोगन करनेवाला और बांधने वाला के रूप में उपयोग करना और 2) एमएफसी/नैनोसेल्यूलोज उत्पादन के लिए ऊर्जा आवश्यकताओं को कम करने के लिए फुल्लन और अन्य तकनीकों का मूल्यांकन करना सम्मलित है।[11] 1983-84 में आईटीटी द्वारा रेयोनियर व्हिपैनी लैब्स को अवरोध करने के बाद, हेरिक ने वाशिंगटन के शेल्टन में रेयोनियर लैब्स में एमएफसी के सूखे पाउडर के रूप में काम किया।[7]

1990 के दशक के मध्य में, तनिगुची और सहकर्मियों के समूह और बाद में यानो और सहकर्मियों ने जापान में इस प्रयास को आगे बढ़ाया।[12]

निर्माण

नैनोसेल्युलोज, जिसे सीएनएफ, माइक्रोफिब्रिलेटेड सेल्यूलोज (एमएफसी) या सेल्यूलोज नैनोक्रिस्टल (सीएनसी) भी कहा जाता है, किसी भी सेल्यूलोज स्रोत सामग्री से तैयार किया जा सकता है, लेकिन सामान्यतः लकड़ी लुगदी का उपयोग किया जाता है।

नैनोसेल्युलोज तंतुओं को लकड़ी-आधारित तंतुओं से यांत्रिक विधियों का उपयोग करके अलग किया जा सकता है जो लुगदी को उच्च अपरूपण बलों के लिए उजागर करते हैं, बड़े लकड़ी के तंतुओं को नैनोफाइबर में अलग कर देते हैं। इस उद्देश्य के लिए, उच्च दबाव वाले समांगक, घर्षण या माइक्रोफ्लुइडाइज़र का उपयोग किया जा सकता है।[citation needed] समांगक का उपयोग फाइबर की सेल दीवारों को अलग करने और नैनोसाइज्ड फाइब्रिल को मुक्त करने के लिए किया जाता है। इस प्रक्रिया में बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा की खपत होती है और 30 MWh/टन से अधिक मूल्य असामान्य नहीं हैं।[citation needed]

इस समस्या का समाधान करने के लिए, कभी-कभी एंजाइमैटिक/मैकेनिकल पूर्व-उपचार[13]और आवेशित समूहों का परिचय उदाहरण के लिए कार्बोक्सिमिथाइलेशन[14]या टीईएमपीओ-मध्यस्थ ऑक्सीकरण के माध्यम से उपयोग किया जाता है।[15] ये पूर्व-उपचार ऊर्जा खपत को 1 MWh/टन से कम कर सकते हैं।[16] नाइट्रो-ऑक्सीकरण" को कच्चे पौधों के बायोमास से सीधे कार्बोक्सीसेल्युलोज नैनोफाइबर तैयार करने के लिए विकसित किया गया है। नैनोसेल्युलोज निकालने के लिए कम प्रसंस्करण चरणों के कारण, नाइट्रो-ऑक्सीकरण विधि को कार्बोक्सीसेल्यूलोज नैनोफाइबर निकालने के लिए लागत प्रभावी, कम-रासायनिक रूप से उन्मुख और कुशल तरीका पाया गया है।[17][18] नाइट्रो-ऑक्सीकरण का उपयोग करके प्राप्त कार्यात्मक नैनोफाइबर भारी धातु आयन अशुद्धियों जैसे सीसा,[19] कैडमियम,[20] और यूरेनियम।[21]को हटाने के लिए उत्कृष्ट अधःस्तर पाया गया है।

सीएनसी एक आयताकार विशेष अंश के साथ रॉड की तरह अत्यधिक क्रिस्टलीय कण (75% से ऊपर सापेक्ष क्रिस्टलीयता सूचकांक) हैं। वे सामान्यतः सल्फ्यूरिक या हाइड्रोक्लोरिक अम्लीय का उपयोग करके देशी सेलूलोज़ फाइबर के अम्लीय द्रव अपघटन द्वारा बनते हैं। देशी सेल्यूलोज के अक्रिस्टल खंड जलअपघिटत होते हैं और सावधानीपूर्वक समय के बाद, क्रिस्टलीय वर्गों को अपकेंद्रण और धुलाई द्वारा अम्लीय समाधान से पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। उनके आयाम देशी सेलूलोज़ स्रोत सामग्री, और द्रव अपघटन समय और तापमान पर निर्भर करते हैं।[22]

नाइट्रिक अम्लीय-फॉस्फोरिक एसिड उपचार द्वारा तैयार किए गए गोलाकार आकार के कार्बोक्सीसेलुलोज नैनोकण अपने गैर-आयनिक रूप में फैलाव में स्थिर होते हैं।[23] अप्रैल 2013 में, शैवाल द्वारा नैनोसेल्यूलोज़ उत्पादन में सफलताओं की घोषणा अमेरिकन रासायनिक समाज सम्मेलन में वक्ता आर मैल्कम ब्राउन, जूनियर, पीएचडी द्वारा की गई थी, जिन्होंने 40 से अधिक वर्षों के लिए क्षेत्र में अनुसंधान का नेतृत्व किया है, नैनोसेल्युलोज पर प्रथम अंतर्राष्ट्रीय संगोष्ठी में बोले, जो अमेरिकन केमिकल सोसाइटी की बैठक का हिस्सा है। सिरका, कोम्बुचा चाय और नाटा डी कोको पैदा करने वाले बैक्टीरिया के परिवार के जीन एक परियोजना में सितारे बन गए हैं - जिसके बारे में वैज्ञानिकों ने कहा कि यह एक उन्नत चरण में पहुंच गया है - जो "आश्चर्यजनक सामग्री" नैनोसेल्यूलोज के उत्पादन के लिए शैवाल को सौर-संचालित कारखानों में बदल देगा।[24]

कपास के लिंटरों से नैनोसेल्युलोज के उत्पादन के लिए रसायन-यांत्रिक प्रक्रिया को प्रति दिन 10 किलो की क्षमता के साथ प्रदर्शित किया गया है।[25]

संरचना और गुण

सिलिका की सतह पर सोखे गए कार्बोक्सिमिथाइलेटेड नैनोसेलुलोज की एएफएम ऊंचाई की छवि। स्कैन की गई सतह का क्षेत्रफल 1 µm है2</उप>।

आयाम और क्रिस्टलीयता

विभिन्न स्रोतों से प्राप्त नैनोसेल्युलोज की पूर्ण संरचना का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है। प्रेषण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शन (टीईएम), स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शन (एसईएम), परमाणु बल सूक्ष्मदर्शन (एएफएम), वाइड-एंगल एक्स-रे स्कैटरिंग (डब्ल्यूएएक्सएस), छोटे आपतन कोण एक्स-रे विवर्तन और ठोस अवस्था जैसी तकनीकें 13C क्रॉस-पोलराइज़ेशन जादू कोण कताई (सीपी/एमएएस), नाभिकीय चुबकीय अनुनाद (एनएमआर) और स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग सामान्यतः सूखे नैनोसेल्यूलोज आकृति विज्ञान को चिह्नित करने के लिए किया गया है।[26]

छवि विश्लेषण के साथ सूक्ष्म तकनीकों का संयोजन तंतुओं की चौड़ाई के बारे में जानकारी प्रदान कर सकता है, व्यक्तिगत नैनोफाइब्रिल्स के दोनों सिरों की पहचान करने में उलझनों और कठिनाइयों के कारण, तंतुओं की लंबाई निर्धारित करना अधिक कठिन होता है।[27][28][page needed] इसके अतिरिक्त, नैनोसेल्युलोज निलंबन सजातीय नहीं हो सकते हैं और इसमें विभिन्न संरचनात्मक घटक सम्मलित हो सकते हैं, जिनमें सेल्युलोज नैनोफाइब्रिल्स और नैनोफिब्रिल बंडल सम्मलित हैं।[29]

निलंबन में एंजाइमेटिक रूप से पूर्व-उपचारित नैनोसेल्यूलोज फाइब्रिल के अध्ययन में क्रायो-टीईएम का उपयोग करके आकार और आकार-वितरण स्थापित किया गया था। तंतुओं को सीए के व्यास के साथ समकणपरिक्षेपी हुई पाया गया। 5 एनएम चूंकि कभी-कभी मोटे तंतुओं के बंडल सम्मलित थे।[13] ऑक्सीकरण पूर्वउपचार" के साथ पराश्रवण के संयोजन से, एएफएम द्वारा 1 एनएम से नीचे के पार्श्व आयाम वाले सेलूलोज़ माइक्रोफाइब्रिल्स देखे गए हैं। मोटाई के आयाम का निचला सिरा लगभग 0.4 एनएम है, जो सेलूलोज़ मोनोलेयर शीट की मोटाई से संबंधित है।[30]

इन्वेंटिया एबी, स्वीडन द्वारा विकसित सीपी/एमएएस एनएमआर द्वारा कुल चौड़ाई निर्धारित की जा सकती है, जिसे नैनोसेल्यूलोज़ (एंजाइमेटिक पूर्वउपचार) के लिए काम करने के लिए भी प्रदर्शित किया गया है। 17 एनएम की औसत चौड़ाई एनएमआर-पद्धति से मापी गई है, जो एसईएम और टीईएम के साथ अच्छी तरह से मेल खाती है। टीईएम का उपयोग करते हुए, कार्बोक्सिमिथाइलेटेड लुग्दी से नैनोसेल्यूलोज के लिए 15 एनएम के मान की सूचना दी गई है। चूंकि, पतले तंतुओं का भी पता लगाया जा सकता है। वैगबर्ग एट अल लगभग 0.5 meq./g के चार्ज घनत्व के साथ नैनोसेल्यूलोस के लिए 5-15 एनएम की फाइब्रिल चौड़ाई की सूचना दी।[14]इसोगाई के समूह ने टीईएमपीओ-ऑक्सीडाइज्ड सेल्युलोज के लिए 3-5 एनएम की तंतुओं की चौड़ाई की सूचना दी, जिसका चार्ज घनत्व 1.5 meq./g. है।[31]

लुग्दी रसायन का नैनोसेल्यूलोज सूक्ष्मसंरचना पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। कार्बोक्सिमिथाइलेशन तंतुओं की सतहों पर आवेशित समूहों की संख्या को बढ़ाता है, जिससे तंतुओं को मुक्त करना आसान हो जाता है और परिणाम छोटे और अधिक समान तंतुओं की चौड़ाई (5-15 एनएम) में होता है, जो कि एंजाइमेटिक रूप से पूर्व-उपचारित नैनोसेलुलोज की तुलना में होता है, जहां तंतु की चौड़ाई 10–30 एनएम थी।[32]नैनोसेल्युलोज की क्रिस्टलीयता और क्रिस्टल संरचना की डिग्री नैनोसेल्युलोज सेल्युलोज क्रिस्टल संगठन प्रदर्शित करता है और नैनोसेल्यूलोज की तैयारी से क्रिस्टलीयता की डिग्री अपरिवर्तित होती है। क्रिस्टलीयता की डिग्री के लिए विशिष्ट मूल्य लगभग 63% थे।[32]

श्यानता

नैनोसेल्युलोज फैलाव के प्रवाहिकी की जांच की गई है।[33][13]और पता चला कि भंडारण और हानि मापांक 0.125% से 5.9% के बीच सभी नैनोसेल्यूलोज सांद्रता पर कोणीय आवृत्ति से स्वतंत्र थे। भंडारण मापांक मान विशेष रूप से (104 पा 3% एकाग्रता पर[13]सीएनसी के परिणामों की तुलना में (102 पा 3% एकाग्रता पर) उच्च हैं।[33]मजबूत एकाग्रता निर्भरता भी है क्योंकि भंडारण मापांक परिमाण के 5 क्रम को बढ़ाता है यदि एकाग्रता 0.125% से 5.9% तक बढ़ जाती है। नैनोसेल्युलोज जैल अत्यधिक अपरूपण विरलन भी हैं (अपरूपण बलों के परिचय पर चिपचिपाहट खो जाती है)। अपरूपण-विरलन व्यवहार विभिन्न विलेपन अनुप्रयोगों की श्रृंखला में विशेष रूप से उपयोगी है।[13]

यांत्रिक गुण

क्रिस्टलीय सेलूलोज़ में लगभग 140-220 पास्कल की कठोरता होती है, जो केवलर की तुलना में और ग्लास फाइबर की तुलना में बेहतर होती है, दोनों का व्यावसायिक रूप से प्लास्टिक को सुदृढ़ करने के लिए उपयोग किया जाता है। नैनोसेलुलोज से बनी फिल्म में उच्च शक्ति (200एमपीए से अधिक), उच्च कठोरता (लगभग 20 जीपीए) होती है[34]लेकिन उच्च निष्पीड़न की कमी[clarification needed] 12%) होती है। इसकी मजबूती/वजन अनुपात स्टेनलेस स्टील से 8 गुना अधिक है।[35]नैनोसेल्युलोज से बने फाइबर में उच्च शक्ति (1.57 जीपीए तक) और कठोरता (86 जीपीए तक) होती है।[36]

बैरियर गुण

अर्ध-क्रिस्टलीय बहुलक में, क्रिस्टलीय क्षेत्रों को गैस अभेद्य माना जाता है। अपेक्षाकृत उच्च क्रिस्टलीयता के कारण,[32]मजबूत इंटर-फाइब्रिलर अनुबंध (उच्च संसंजक ऊर्जा घनत्व) द्वारा साथ रखे गए घने नेटवर्क को बनाने के लिए नैनोफाइबर की क्षमता के संयोजन में, यह सुझाव दिया गया है कि नैनोसेल्यूलोज बाधा सामग्री के रूप में कार्य कर सकता है।[31][37][38]चूंकि विवरण किए गए ऑक्सीजन पारगम्यता मान की संख्या सीमित है, विवरण में नैनोसेल्यूलोज फिल्म के लिए उच्च ऑक्सीजन बाधा गुण हैं। एक अध्ययन ने सीए के लिए 0.0006 (cm3 µm)/(m2 दिन केपीए (kPa)) सीए के लिए 23 डिग्री सेल्सियस और 0% RH पर 5 माइक्रोन (µm) पतली नैनोसेल्यूलोज फिल्म की ऑक्सीजन पारगम्यता की सूचना दी ।[37]एक संबंधित अध्ययन में, जब पीएलए सतह पर नैनोसेल्युलोज परत जोड़ी गई, तो पॉलीलैक्टाइड (पीएलए) फिल्म की ऑक्सीजन पारगम्यता में 700 गुना से अधिक की कमी दर्ज की गई।[31]

फिल्म ऑक्सीजन पारगम्यता पर नैनोसेल्यूलोज फिल्म घनत्व और सरंध्रता के प्रभाव का पता लगाया गया है।[39] कुछ लेखकों ने नैनोसेल्युलोज फिल्म में महत्वपूर्ण सरंध्रता की सूचना दी है,[40][34][41]जो उच्च ऑक्सीजन अवरोधक गुणों के विपरीत प्रतीत होता है, जबकि औलिन एट अल[37]क्रिस्टलीय सेलुलोज (सेलुलोज Iß क्रिस्टल संरचना, 1.63 g/cm3) के घनत्व के करीब नैनोसेल्यूलोज फिल्म घनत्व मापा गया[42]शून्य के करीब सरंध्रता के साथ बहुत घनी फिल्म का संकेत देता है।

सेल्युलोज नैनोकण की सतह की कार्यक्षमता को बदलने से नैनोसेल्यूलोज फिल्म की पारगम्यता भी प्रभावित हो सकती है। नकारात्मक रूप से आवेशित सीएनसी से बनी फिल्में नकारात्मक रूप से आवेशित आयनों के पारगमन को प्रभावी ढंग से कम कर सकती हैं, जबकि तटस्थ आयनों को वस्तुतः अप्रभावित छोड़ती हैं। सकारात्मक रूप से आवेशित आयन फिल्म में जमा होते पाए गए।[43]

मल्टी-पैरामीट्रिक सरफेस प्लास्मोन रेजोनेंस प्राकृतिक, संशोधित या लेपित नैनोसेल्यूलोज के अवरोधक गुणों का अध्ययन करने के तरीकों में से एक है। विभिन्न दूषणरोधी, नमी, विलायक, रोगाणुरोधी बाधा निर्माण गुणवत्ता को नैनोस्केल पर मापा जा सकता है। अवशोषण गतिकी के साथ-साथ फुल्लन की डिग्री को वास्तविक समय और लेबल-मुक्त में मापा जा सकता है।[44][45]

द्रव क्रिस्टल, कोलाइडी ग्लास, और हाइड्रोजेल

उनके अनिसोट्रोपिक आकार और सतह आवेश के कारण, नैनोसेलुलोज (ज्यादातर कठोर सीएनसी) में उच्च बहिष्कृत आयतन होता है और महत्वपूर्ण मात्रा अंश से परे कोलेस्टेरिक द्रव क्रिस्टल में आत्म-संयोजन होता है।[46]कण स्तर पर दक्षिणावर्ती के मुड़ने के कारण नैनोसेलुलोज़ द्रव क्रिस्टल वामावर्ती के होते हैं।[47] आयनिक चार्ज स्क्रीनिंग के लिए नैनोसेल्यूलोज चरण व्यवहार अतिसंवेदनशील है। आयनिक शक्ति में वृद्धि नैनोसेल्युलोज फैलाव को आकर्षक ग्लास में अवरोध करने के लिए प्रेरित करती है।[48]आयनिक सामर्थ्य में और अधिक वृद्धि होने पर, नैनोसेल्युलोज हाइड्रोजेल में एकत्रित हो जाते हैं।[49] नैनोसेल्युलोज के भीतर अन्योन्यक्रियाएं कमजोर और उत्क्रमणीय हैं, इसलिए नैनोसेल्यूलोज निलंबन और हाइड्रोजेल स्व-चिकित्सा हैं और अंतःक्षेपण सामग्री [50] या 3डी प्रिंटिंग स्याही के रूप में लागू किए जा सकते हैं।

भारी फोम और एरोजेल

नैनोसेल्युलोज का उपयोग एरोजेल/फोम बनाने के लिए भी किया जा सकता है, या तो सजातीय रूप से या समग्र योगों मे पॉलीस्टायरीन-आधारित फोम को बदलने के लिए पैकेजिंग अनुप्रयोगों के लिए नैनोसेल्यूलोज-आधारित फोम का अध्ययन किया जा रहा है। स्वगन एट अल दिखाया कि नैनोसेल्युलोज में फ्रीज-ड्राईिंग की तकनीक का उपयोग करके मंड फोम को मजबूत करने की क्षमता है।[50]लकड़ी आधारित लुगदी फाइबर के अतिरिक्त नैनोसेल्यूलोस का उपयोग करने का लाभ यह है कि नैनोफाइब्रिल मंड फोम में विरलन कोशिकाओं को मजबूत कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, विभिन्न फ्रीज-ड्राईिंग और अतिक्रांतिक CO
2 ड्राईिंग की तकनीक को लागू करने वाले शोधित नैनोसेल्यूलोज एरोगल्स तैयार करना संभव है। एरोजेल और फोम छिद्रित टेम्प्लेट के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं।[51][52]सेहाकी एट अल द्वारा सेल्युलोज नैनोफिब्रिल अलम्बन से तैयार किए गए कठिन अल्ट्रा-हाई पोरोसिटी फोम का अध्ययन किया गया। फोम में घनत्व और नैनोफिब्रिल अन्योन्यक्रिया को नियंत्रित करके संपीड़न सहित यांत्रिक गुणों की विस्तृत श्रृंखला प्राप्त की गई थी।[53]सीएनसी को कम शक्ति वाले सोनिकेशन के अनुसार पानी में जेल बनाने के लिए भी बनाया जा सकता है, जो उच्चतम विवरण किए गए सतह क्षेत्र (>600m2/g) और सेल्युलोज एरोजेल के ड्राईिंग (6.5%) के दौरान सबसे कम संकोचन के साथ एरोगल्स को जन्म देता है।[52]औलिन एट अल द्वारा अन्य अध्ययन में,[54]फ्रीज-ड्राईिंग द्वारा नैनोसेल्यूलोज के संरचित छिद्रित एरोगल्स के निर्माण का प्रदर्शन किया गया था। फ्रीज-ड्राईिंग से पहले नैनोसेल्यूलोज फैलाव की एकाग्रता का चयन करके एरोगल्स के घनत्व और सतह की बनावट को तालमेल किया गया था। फ्लोरिनेटेड सिलेन के रासायनिक वाष्प जमाव का उपयोग गैर-ध्रुवीय द्रव पदार्थ/तेल के प्रति उनके गीले गुणों को तालमेल करने के लिए समान रूप से एयरजेल को आवरण करने के लिए किया गया था। लेखकों ने प्रदर्शित किया कि फ्रीज-ड्राईिंग की तकनीक और नैनोसेल्यूलोज फैलाव की एकाग्रता में परिवर्तन द्वारा बनाई गई खुरदरापन और सरंध्रता के विभिन्न पैमानों का उपयोग करके, सुपर-वेटिंग और सुपर-विकर्षक के बीच सेल्यूलोज सतहों के आर्द्रशीलता व्यवहार को बदलना संभव है। चूंकि बैक्टीरिया के ग्लूकोनोबैक्टर उपभेदों द्वारा उत्पन्न सेल्युलोज पर फ्रीज-ड्राईिंग की तकनीक का उपयोग करके संरचित छिद्रित सेलूलोज़ फोम भी प्राप्त किया जा सकता है, जो सेल्युलोज फाइबर के खुले छिद्रित नेटवर्क को जैव-संश्लेषित करता है जिसमें अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में नैनोफिब्रिल होते हैं। ओल्सन एट अल[55] ने प्रदर्शित किया कि इन नेटवर्कों को मेटलहाइड्रॉक्साइड/ऑक्साइड अग्रदूतों के साथ और अधिक संसेचित किया जा सकता है, जो आसानी से सेल्यूलोज नैनोफिबर्स के साथ ग्राफ्टेड चुंबकीय नैनोकणों में परिवर्तित हो सकते हैं। चुंबकीय सेल्यूलोज फोम नैनोसेल्यूलोज के कई उपन्यास अनुप्रयोगों की अनुमति दे सकता है और 60 मिलीग्राम सेलूलोज़ एयरजेल फोम के भीतर 1 ग्राम पानी को अवशोषित करने वाले पहले दूर से सक्रिय चुंबकीय सुपर स्पंज की सूचना दी गई थी। विशेष रूप से, इन अत्यधिक छिद्रित फोमों (>98% हवा) को मजबूत चुंबकीय नैनोपेपर में संकुचित किया जा सकता है, जो विभिन्न अनुप्रयोगों में कार्यात्मक फिल्म के रूप में उपयोग कर सकते हैं।

पिकरिंग (अलगाने का एक यंत्र) पायस और फोम

नैनोसेलुलोज पिकरिंग तंत्र द्वारा पायस और फोम को स्थिर कर सकते हैं, अर्थात वे तेल-पानी या हवा-पानी के अंतरापृष्ठ पर सोखते हैं और अपने ऊर्जावान प्रतिकूल संपर्क को रोकते हैं। नैनोसेलुलोज़ 4-10 माइक्रोन की सीमा में छोटी बूंदों के आकार के साथ तेल-में-पानी के पायस बनाते हैं जो महीनों तक स्थिर रहते हैं और उच्च तापमान और पीएच में परिवर्तन का विरोध कर सकते हैं।[56][57] नैनोसेल्युलोज तेल-पानी के अंतरापृष्ठ निष्पीड़न को कम करते हैं[58] और उनका सतह आवेश पायस बूंदों के भीतर स्थिर वैद्युत प्रतिकर्षण को प्रेरित करता है। नमक-प्रेरित चार्ज स्क्रीनिंग पर बूंदों का एकत्रीकरण होता है, लेकिन वे सहसंयोजन (रसायन विज्ञान) से नहीं गुजरते हैं, जो मजबूत स्टेरिक स्थिरीकरण का संकेत देता है।[59] पायस की बूंदें मानव पेट में भी स्थिर रहती हैं, जिससे नैनोसेल्यूलोज स्थिरीकृत पायस वसास्नेही दवाओं के लिए दिलचस्प मौखिक वितरण प्रणाली बन जाती है।[60] पायस के विपरीत, नेटिव नैनोसेल्युलोज सामान्यतः फोम के पिकरिंग स्थिरीकरण के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं, जो कि उनके मुख्य रूप से जलस्नेही सतह गुणों के कारण होता है, जिसके परिणामस्वरूप 90° से नीचे एक प्रतिकूल संपर्क कोण होता है (वे जलीय चरण द्वारा अधिमानतः गीले होते हैं)।[61] जल विरोधी सतह संशोधनों या बहुलक निरोपण का उपयोग करके, सतह जलविरोधी और नैनोसेलुलोज के संपर्क कोण को बढ़ाया जा सकता है, जिससे फोम के पिकरिंग स्थिरीकरण की भी अनुमति मिलती है।[62]सतह की जलविरोधी को और अधिक बढ़ाकर, उलटा पानी-में-तेल पायस प्राप्त किया जा सकता है, जो 90° से अधिक संपर्क कोण को दर्शाता है।[63][64] आगे यह प्रदर्शित किया गया कि नैनोसेल्युलोज दो असंगत पानी में घुलनशील बहुलक की उपस्थिति में पानी में पानी के पायस को स्थिर कर सकते हैं।[65]

सेल्युलोज नैनोफाइबर प्लेट (सीएनएफपी)

कम घनत्व, उच्च शक्ति और कठोरता, और महान तापीय आयामी स्थिरता के साथ उच्च प्रदर्शन वाली भारी सामग्री बनाने के लिए नीचे से ऊपर के दृष्टिकोण का उपयोग किया जा सकता है। सेल्युलोज नैनोफाइबर हाइड्रोजेल जैवसंश्लेषण द्वारा बनाया जाता है। हाइड्रोजेल को फिर बहुलक समाधान या सतह संशोधन के साथ इलाज किया जा सकता है और फिर 80 डिग्री सेल्सियस पर गर्म दबाया जाता है। परिणाम उत्कृष्ट यंत्रीकरण के साथ भारी सामग्री है। "सीएनएफपी में अतिसूक्ष्म नैनोफाइबर नेटवर्क संरचना के परिणामस्वरूप अधिक व्यापक हाइड्रोजन आबंध, उच्च अंतस्तल निर्देशन, और माइक्रोफिब्रिल नेटवर्क के "थ्री वे ब्रांचिंग पॉइंट" हैं। [66] यह संरचना सीएनएफपी को निष्पीड़न वितरित करके और दरार गठन और प्रसार के लिए बाधाओं को जोड़कर अपनी उच्च शक्ति प्रदान करती है। इस संरचना की कमजोर कड़ी दबी हुई परतों के बीच का बंधन है जिससे प्रदूषण हो सकता है। प्रदूषण को कम करने के लिए, हाइड्रोजेल को सिलिकिक अम्लीय से उपचारित किया जा सकता है, जो गर्म दबाव के दौरान परतों के बीच मजबूत सहसंयोजक तिर्यक बंध बनाता है।[66]

भूतल संशोधन

नैनोसेल्युलोज के सतह संशोधन पर वर्तमान में काफी ध्यान दिया जा रहा है।[67]नैनोसेल्युलोज सतह पर हाइड्रॉक्सिल समूहों की उच्च सांद्रता प्रदर्शित करता है जिस पर प्रतिक्रिया की जा सकती है। चूंकि, हाइड्रोजन आबंध सतह के हाइड्रॉक्सिल समूहों की प्रतिक्रियाशीलता को दृढ़ता से प्रभावित करती है। इसके अतिरिक्त, विभिन्न बैचों के बीच स्वीकार्य पुनरुत्पादन प्राप्त करने के लिए सतह संशोधन से पहले ग्लूकोसिडिक और लिग्निन अंशों जैसे नैनोसेलुलोज की सतह पर अशुद्धियों को हटाने की आवश्यकता होती है।[68]

सुरक्षा पहलू

घर्षण या स्प्रे ड्राईिंग के दौरान नैनोसेल्यूलोज के प्रसंस्करण से महीन कणों का महत्वपूर्ण जोखिम नहीं होता है। नैनोसेल्युलोज के संपर्क में आने के बाद माउस या मानव बृहत्भक्षकाणु पर शोथ प्रभाव या कोशिका आविषता का कोई सबूत नहीं देखा जा सकता है। विषाक्तता अध्ययन के परिणाम बताते हैं कि नैनोसेल्युलोज कोशिका आविष नहीं है और बृहत्भक्षकाणु में शोथ प्रणाली पर कोई प्रभाव नहीं डालता है। इसके अतिरिक्त, पर्यावरण की दृष्टि से प्रासंगिक सांद्रणों में विब्रियो फिशरी के लिए नैनोसेल्युलोज तीव्र विषैला नहीं है।[69]

संभावित अनुप्रयोग

जैव इंद्रधनुषी सेक्विन में स्व-संगठित।

नैनोसेल्युलोज के गुण (जैसे यांत्रिक गुण, फिल्म बनाने के गुण, चिपचिपापन आदि) इसे कई अनुप्रयोगों के लिए एक दिलचस्प सामग्री बनाते हैं।[70]

नैनोसेल्यूलोज रीसाइक्लिंग चार्ट[71]
नैनोसेलुलोज अधःस्तर पर GaAs इलेक्ट्रॉनिक्स[72]

कागज और गत्ता

नैनोसेलुलोज अधःस्तर पर बेंडेबल सोलर सेल

कागज और पेपरबोर्ड निर्माण के क्षेत्र में, नैनोसेलुलोज से फाइबर-फाइबर बंधन शक्ति को बढ़ाने की उम्मीद है और इसलिए, कागज सामग्री पर मजबूत सुदृढीकरण प्रभाव पड़ता है।[73][74][75] नैनोसेल्युलोज ग्रीस-प्रूफ प्रकार के पेपर में बाधा के रूप में उपयोगी हो सकता है और उपयोगी प्रकार के पेपर और बोर्ड उत्पादों में प्रतिधारण, सूखी और क्लेदित सामर्थ्य बढ़ाने के लिए गीले-अंत योज्य के रूप में उपयोगी हो सकता है।[76][77][78][79] यह दिखाया गया है कि कागज और पेपरबोर्ड की सतह पर विलेपन सामग्री के रूप में सीएनएफ लगाने से बाधा गुणों में सुधार होता है, विशेष रूप से वायु प्रतिरोध [82] और ग्रीस/तेल प्रतिरोध।

नैनोसेल्युलोज का उपयोग लचीला और वैकल्पिक रूप से पारदर्शी कागज तैयार करने के लिए किया जा सकता है। ऐसा कागज इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आकर्षक अधःस्तर है क्योंकि यह पुनर्चक्रण योग्य है, जैविक वस्तुओं के साथ संगत है, और आसानी से जैवनिम्नीकृत हो जाता है।[72]

समग्र

जैसा कि ऊपर बताया गया है, नैनोसेल्युलोज के गुण प्लास्टिक को मजबूत करने के लिए एक दिलचस्प सामग्री बनाते हैं। नैनोसेल्युलोज को तंतुओं में काटा जा सकता है जो मकड़ी के रेशम की तुलना में अधिक मजबूत और सख्त होते हैं।[80][81] नैनोसेल्युलोज को तापदृढ़ रेजिन, स्टार्च-आधारित मैट्रिक्स, सोया प्रोटीन, रबर संक्षीर, पॉली (लैक्टाइड) के यांत्रिक गुणों में सुधार करने के लिए सूचित किया गया है। हाइब्रिड सीएनएफ-मिट्टी खनिज मिश्रित दिलचस्प यांत्रिक, गैस अवरोधक और अग्निरोधी गुणों को प्रस्तुत करते हैं।[82] समग्र अनुप्रयोग विलेपन और फिल्म,[83] पेंट, फोम, पैकेजिंग के रूप में उपयोग के लिए हो सकते हैं।

खाद्य

विभिन्न प्रकार के खाद्य उत्पादों में स्थूलक, फ्लेवर कैरियर्स और अलम्बन स्टेबलाइजर्स के रूप में उपयोग किए जाने वाले कार्बोहाइड्रेट योगज के लिए नैनोसेल्युलोज को कम कैलोरी प्रतिस्थापन के रूप में उपयोग किया जा सकता है।[84] यह फिलिंग, क्रश, चिप्स, वेफर्स, सूप, ग्रेवी, पुडिंग आदि के उत्पादन के लिए उपयोगी है। खाद्य अनुप्रयोग नैनोसेल्यूलोज जेल के प्रवाहिकीय व्यवहार से उत्पन्न होते हैं।

स्वच्छता और शोषक उत्पाद

इस क्षेत्र में अनुप्रयोगों में सम्मलित हैं: सुपर जल शोषक सामग्री (उदाहरण के लिए असंयम पैड सामग्री के लिए), सुपर अवशोषक बहुलक के साथ नैनोसेल्यूलोज़, ऊतक में नैनोसेल्यूलोज़, गैर-बुने हुए उत्पादों या अवशोषक संरचनाओं और प्रतिसूक्ष्मजीवी फिल्म के रूप में उपयोग किया जाता है।[citation needed]

पायस और फैलाव

अन्य क्षेत्रों में पायस और फैलाव अनुप्रयोगों के सामान्य क्षेत्र में नैनोसेल्यूलोज के संभावित अनुप्रयोग हैं।[85][86]

चिकित्सा, कॉस्मेटिक और दवा

सौंदर्य प्रसाधन और औषधीय में नैनोसेल्युलोज के उपयोग का सुझाव दिया गया है:

  • सैनिटरी नैपकिन, टैम्पोन, डायपर या घाव की ड्रेसिंग के रूप में उपयोग किए जाने वाले फ्रीज-ड्राइड नैनोसेलुलोज एरोगल्स
  • सौंदर्य प्रसाधनों में समग्र विलेपन एजेंट के रूप में नैनोसेल्यूलोज का उपयोग उदा। बालों, पलकों, भौहों या नाखूनों के लिए
  • आंतों के विकारों के इलाज के लिए गोलियों के रूप में एक सूखी ठोस नैनोसेल्यूलोज संरचना
  • जैविक यौगिकों की स्क्रीनिंग के लिए नैनोसेल्यूलोज फिल्म और जैविक यौगिक को एन्कोडिंग करने वाले न्यूक्लिक अम्लीय
  • ल्यूकोसाइट मुक्त रक्त आधान के लिए आंशिक रूप से नैनोसेल्यूलोज पर आधारित फ़िल्टर माध्यम
  • बुकोडेंटल फॉर्मूलेशन, जिसमें नैनोसेल्यूलोज़ और एक पॉलीहाइड्रोक्साइलेटेड कार्बनिक यौगिक सम्मलित है
  • चूर्णित नैनोसेल्युलोज का सुझाव फार्मास्युटिकल रचनाओं में एक उत्तेजक पदार्थ के रूप में भी दिया गया है
  • एक फोटोरिएक्टिव हानिकारक पदार्थ शोधित करने वाले एजेंट की रचनाओं में नैनोसेल्यूलोज
  • संभावित बायोमेडिकल और बायोटेक्नोलॉजिकल एप्लिकेशन के लिए इलास्टिक क्रायो-स्ट्रक्चर्ड जैल।[87]
  • लकड़ी आधारित नैनोसेल्यूलोज हाइड्रोजेल में 3डी सेल कल्चर

जैव-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स और ऊर्जा भंडारण

नैनोसेल्युलोज नए प्रकार के "जैव-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स" के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकता है, जहां पारस्परिक सामग्री को नैनोसेल्यूलोज के साथ मिलाया जाता है जिससे कि नए पारस्परिक फाइबर, फिल्म, एरोजेल, हाइड्रोजेल और पेपर का निर्माण किया जा सके।[88] उदहारण PEDOT:PSS जैसे चालक पॉलीमर के साथ मिलाए गए नैनोसेल्युलोज सहक्रियाशील प्रभाव दिखाते हैं जिसके परिणामस्वरूप असाधारण[89] मिश्रित विद्युत प्रतिरोधकता और आयनिक चालकता होती है, जो ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। नैनोसेल्युलोज और कार्बन नैनोट्यूब के मिश्रण से बने तंतु अच्छी चालकता और यांत्रिक गुण प्रदर्शित करते हैं।[90] कार्बन नैनोट्यूब से अलंकृत नैनोसेल्युलोज एरोगल्स को मजबूत संपीडय 3डी अतिसंधारित्र उपकरण में बनाया जा सकता है।[91][92]नैनोसेल्युलोज से संरचनाओं को जैव-आधारित घर्षण विद्युत् जनरेटर[93] और सेंसर में बदला जा सकता है।






फैशन के लिए जैव-आधारित सेक्विन

सीएनसीने स्व-संगठन को चिरल सूत्रिल संरचनाओं में कोण पर निर्भर इंद्रधनुषी रंगों के साथ संभावना दिखाई है[94]। इस प्रकार जीवाश्म-आधारित -की तुलना में पूरी तरह से जैव-आधारित सेक्विन का निर्माण धातु की चमक और एक छोटे पदचिह्न के साथ संभव है।

अन्य संभावित अनुप्रयोग

  • पराश्वेत विलेपन के लिए अत्यधिक बिखरने वाली सामग्री के रूप में।[95]
  • विभिन्न विलायक में सेलूलोज़ के विघटन को सक्रिय करें
  • पुनर्जीवित सेल्यूलोज उत्पाद, जैसे कि फाइबर फिल्म, सेल्यूलोज डेरिवेटिव
  • तम्बाकू फिल्टर योज्य
  • बैटरी विभाजक में कार्बधात्विक संशोधित नैनोसेलुलोज
  • प्रवाहकीय सामग्री का सुदृढीकरण
  • लाउड-वक्ता ध्वनिक फिल्म
  • उच्च प्रवाह कृत्रिम फिल्म
  • कंप्यूटर घटकों[35][96]
  • संधारित्र [92]
  • लाइटवेट बॉडी आर्मर और बैलिस्टिक ग्लास[35]* संक्षारण अवरोधक[97]
  • रेडियो लेंस [98]






वाणिज्यिक उत्पादन

चूंकि लकड़ी से चलने वाले नैनोसेल्यूलोज़ का उत्पादन पहली बार 1983 में हेरिक[7]और टर्बक द्वारा किया गया था,[6]इसका व्यावसायिक उत्पादन 2010 तक स्थगित कर दिया गया था, मुख्य रूप से उच्च उत्पादन ऊर्जा खपत और उच्च उत्पादन लागत के कारण। इनवेंटिया एबी (स्वीडन) ने 2010 में पहला नैनोसेल्यूलोज़ पायलट प्रोडक्शन प्लांट स्थापित किया।[99] माइक्रो और नैनो फाइब्रिलेटेड सेल्युलोज का सक्रिय रूप से उत्पादन करने वाली कंपनियों और अनुसंधान संस्थानों में सम्मलित हैं: अमेरिकन प्रोसेस (यूएस), बोरेगार्ड (नॉर्वे), सेलुकॉम्प (यूके), चुएत्सु लुग्दी एंड पेपर (जापान), सीटीपी/एफसीबीए (फ्रांस), डायसेल (जापान), दाई -इची क्योगो (जापान), एम्पा (स्विट्जरलैंड), फाइबरलीन टेक्नोलॉजीज (यूके), इनोफिब (फ्रांस), नैनो नोविन बहुलक कंपनी (ईरान), निप्पॉन पेपर (जापान), नॉर्स्के स्कोग (नॉर्वे), ओजी पेपर (जापान), राइज (स्वीडन), सैपी (नीदरलैंड्स), सेको पीएमसी (जापान), स्टोरा एनसो (फिनलैंड), सुगिनो मशीन (जापान), सुजानो (ब्राजील), टियांजिन हाओजिया सेलुलोज कंपनी लिमिटेड (चीन), मेन यूनिवर्सिटी (यूएस), यूपीएम (फिनलैंड), यूएस फ्रॉस्ट प्रोडक्ट्स लैब (यूएस), वीटीटी (फिनलैंड), और वीडमैन फाइबर तकनीकी (स्विट्जरलैंड)।[100] सक्रिय रूप से सीएनसीका उत्पादन करने वाली कंपनियों और अनुसंधान संस्थानों में सम्मलित हैं: अल्बर्टा इनोवेट्स (कनाडा), अमेरिकन प्रोसेस (यूएस), ब्लू गूज बायोरिफाइनरीज (कनाडा), सेल्यूफोर्स (कनाडा), एफपीइनोवेशन (कनाडा), हांग्जो येउहा तकनीकी कंपनी (चीन), मेलोडिया ( इज़राइल/स्वीडन), स्वीटवाटर एनर्जी (यूएस), टियांजिन हाओजिया सेल्युलोज कंपनी लिमिटेड (चीन) और यूएस फॉरेस्ट प्रोडक्ट्स लैब (यूएस)।[100]सक्रिय रूप से सेल्युलोज फिलामेंट्स का उत्पादन करने वाली कंपनियों और अनुसंधान संस्थानों में सम्मलित हैं: क्रूगर (कनाडा), परफॉर्मेंस बायोफिलामेंट्स (कनाडा), और टियांजिन हाओजिया सेल्यूलोज कंपनी लिमिटेड (चीन)।[100]


यह भी देखें

संदर्भ

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