Biofoam
બાયોફોમ એ જૈવિક અથવા જૈવિક રીતે મેળવેલા ફીણ છે, જે હળવા અને છિદ્રાળુ સેલ્યુલર ઘન બનાવે છે. પ્રમાણમાં નવો શબ્દ, શૈક્ષણિક ક્ષેત્રમાં તેનો ઉપયોગ 1980ના દાયકામાં સક્રિય કાદવના છોડ પર બનેલી ગંદકીના સંબંધમાં શરૂ થયો હતો. બાયોફોમ્સ એ એક વ્યાપક છત્ર શબ્દ છે જે કુદરતી રીતે બનતા ફીણ, તેમજ સોયા તેલ અને સેલ્યુલોઝ જેવી જૈવિક સામગ્રીમાંથી ઉત્પાદિત ફીણ સહિત વિવિધ વિષયોને આવરી લે છે. બાયોફોમ સતત સંશોધનનો વિષય રહ્યો છે કારણ કે સંશ્લેષિત બાયોફોમને પરંપરાગત પેટ્રોલિયમ આધારિત ફીણના વિકલ્પ તરીકે ગણવામાં આવે છે. સંશ્લેષિત ફીણની પરિવર્તનશીલ પ્રકૃતિને કારણે, તેમાં વિવિધ લાક્ષણિકતાઓ અને ભૌતિક ગુણધર્મો હોઈ શકે છે જે તેમને પેકેજિંગ, ઇન્સ્યુલેશન અને અન્ય કાર્યક્રમો માટે યોગ્ય બનાવે છે. કુદરતી રીતે બનતું ફીણ વિવિધ જીવંત સજીવોમાં કુદરતી રીતે રચના કરી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, લાકડું, કોર્ક અને છોડના પદાર્થોમાં ફીણના ઘટકો અથવા માળખાં હોઈ શકે છે. ફૂગ સામાન્ય રીતે માયસેલિયમથી બનેલું હોય છે, જે અન્ય ઘટકો સાથે જોડાયેલા ચિટિન નેનોફાઇબર્સના હોલો ફિલામેન્ટ્સથી બનેલું હોય છે. પ્રાણીઓના ભાગો જેમ કે રદ કરેલા હાડકાં, ઘોડાના કરચલાના શેલો, ટકન ચાંચ, સ્પોન્જ, કોરલ, પીંછા અને શિંગડા બધામાં ફીણ જેવી રચનાઓ હોય છે જે અન્ય ભૌતિક ગુણધર્મોના ભોગે એકંદર વજન ઘટાડે છે. હાડકાં, શિંગડા અને શેલો જેવી રચનાઓમાં મજબૂત સામગ્રી હોય છે જે અંદરથી નબળી પરંતુ હળવી સામગ્રી ધરાવે છે. હાડકાંમાં સઘન, ગાઢ બાહ્ય પ્રદેશો હોય છે, જે આંતરિક ફીણ જેવા રદ કરેલા હાડકાનું રક્ષણ કરે છે. આ જ સિદ્ધાંત હોર્સશૂ ક્રેબના શેલો, ટકન ચાંચ અને શિંગડાઓને લાગુ પડે છે. પીંછાઓના બાર્બ્સ અને શાફ્ટમાં સમાન રીતે બંધ-કોષ ફીણ હોય છે. રક્ષણાત્મક ફીણ બાહ્ય રીતે પિતૃ સજીવો દ્વારા અથવા પર્યાવરણ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા ઇંડા દ્વારા રચના કરી શકાય છેઃ પ્રવાહી આધારિત ફીણ બનાવવા માટે સમુદ્રના પાણી સાથે ટ્યૂનિકેટ ઇંડાનું મિશ્રણ; વૃક્ષના દેડકાના ઇંડા ઉપર અને પાણી પર પ્રોટીન ફીણમાં ઉગે છે (આકૃતિ 1 જુઓ); અમુક તાજા પાણીની માછલીઓ તેમના લાળમાંથી સપાટીના ફીણમાં ઇંડા મૂકે છે; ઊંડા દરિયાઈ માછલીઓ બેવડા સ્તરવાળા ફીણના સ્વિમબ્લેડરમાં ઇંડા ઉત્પન્ન કરે છે; અને કેટલાક જંતુઓ તેમના લાર્વાને ફીણમાં રાખે છે. બાયોમિમેટિક કૃત્રિમ ફીણ હનીકોમ્બ હનીકોમ્બ એ બાયોઇન્સ્પાયર્ડ પેટર્નનો ઉલ્લેખ કરે છે જે ઊર્જા શોષી લેતી રચનાઓ માટે હળવી ડિઝાઇન પ્રદાન કરે છે. હનીકોમ્બ ડિઝાઇન વિવિધ માળખાકીય જૈવિક ઘટકોમાં મળી શકે છે જેમ કે સ્પોન્ગી અસ્થિ અને છોડના વાસ્કુલેચર. જૈવિક રીતે પ્રેરિત હનીકોમ્બ માળખામાં કેલ્વિન, વેયર અને ફ્લોરેટ હનીકોમ્બનો સમાવેશ થાય છે (આકૃતિ 2 જુઓ); દરેક કુદરતી ષટ્કોણ હનીકોમ્બની તુલનામાં થોડી અલગ રચના ધરાવે છે. જૈવિક રચના પરની આ વિવિધતાઓએ પરંપરાગત ષટ્કોણ હનીકોમ્બ બાયોફોમની તુલનામાં ઊર્જા શોષણના પરિણામોમાં નોંધપાત્ર સુધારો કર્યો છે. ઊર્જા શોષણના આ વધેલા પ્રદર્શનને કારણે, હનીકોમ્બ પ્રેરિત માળખાઓ પર સંશોધન કરવામાં આવી રહ્યું છે જેનો ઉપયોગ વાહનના ક્રમ્પલ ઝોનની અંદર થાય છે. હનીકોમ્બ માળખાનો આંતરિક કોર તરીકે ઉપયોગ કરીને અને વધુ સખત માળખાકીય કવચ સાથે માળખાની આસપાસ, આ ઘટકો અકસ્માત દરમિયાન અસર ઊર્જાને શોષી શકે છે અને ડ્રાઇવર અનુભવતી ઊર્જાની માત્રાને ઘટાડી શકે છે. એરોગેલ એરોગેલ્સ ઓછી ઘનતા અને ઓછી થર્મલ વાહકતા જેવા વિશેષ ગુણધર્મો ધરાવતા ન્યૂનતમ સામગ્રી સાથે મોટા જથ્થાને ભરવા માટે સક્ષમ છે. આ એરોગેલ્સમાં ખુલ્લી અથવા બંધ કોષ માળખા તરીકે વર્ગીકૃત આંતરિક રચનાઓ હોય છે, તે જ કોષ માળખું જેનો ઉપયોગ ઘણા 3-પરિમાણીય હનીકોમ્બ બાયોફોમ્સને વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે થાય છે. પ્રાણીઓના વાળના આંતરિક ફીણ માળખાને પ્રતિબિંબિત કરવા માટે એરોગેલ્સ પણ બનાવવામાં આવી રહ્યા છે (આકૃતિ 3 જુઓ). આ બાયોમિમેટિક એરોગેલ્સ પર તેમના આશાસ્પદ સ્થિતિસ્થાપક અને અવાહક ગુણધર્મો માટે સક્રિયપણે સંશોધન કરવામાં આવી રહ્યું છે. ભૌતિક ગુણધર્મો ફીણ કોષ માળખાં ફીણને ખુલ્લા કોષ તરીકે ગણવામાં આવે છે જો તેના ઓછામાં ઓછા બે પાસાં દિવાલોને બદલે છિદ્રો હોય. આ કિસ્સામાં ફીણ પરનો સંપૂર્ણ ભાર ક્રોસ-બીમ પર હોય છે જે કોષની ધાર બનાવે છે. જો કોષની દિવાલોમાંથી એક કરતાં વધુ છિદ્રો ન હોય, તો ફીણને પ્રકૃતિમાં બંધ-કોષ ગણવામાં આવે છે. મોટાભાગના કૃત્રિમ ફીણ માટે, બંધ કોષ અને ખુલ્લા કોષ પાત્રનું મિશ્રણ ફોમિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન કોષોના ભંગાણ અને પછી મેટ્રિક્સના ઘનીકરણને કારણે જોવા મળે છે. ફીણના યાંત્રિક ગુણધર્મો પછી ગિબ્સન અને એશબી દ્વારા મેળવેલા ફીણના બંધ કોષ પાત્ર પર આધાર રાખે છેઃ જ્યાં E એ સ્થિતિસ્થાપક માપાંક છે, ρ એ સામગ્રીની ઘનતા છે, φ એ સામગ્રીની ધારની માત્રા સાથે ચહેરાના કદનો ગુણોત્તર છે, અને સબસ્ક્રિપ્ટ s એ ફીણના નમૂનાને બદલે સામગ્રીના જથ્થાબંધ ગુણધર્મને સૂચવે છે. પ્રવાહી અને નક્કર ફીણ ઘણા પોલિમરીક ફીણ માટે, પ્રવાહી પોલિમર મિશ્રણને પોલિમરાઇઝ કરીને અને ફીણ લગાવીને અને પછી તે ફીણને મજબૂત થવા દેવાથી ઘન ફીણ રચાય છે. આમ, પ્રવાહી ફીણ વૃદ્ધત્વની અસરો ઘનીકરણ પહેલાં થાય છે. પ્રવાહી ફીણમાં, ગુરુત્વાકર્ષણીય બળો અને આંતરિક દબાણ ફીણના તળિયે પ્રવાહીના પ્રવાહનું કારણ બને છે. આના કારણે કેટલાક ફીણના કોષો પ્રવાહી ગટર તરીકે અનિયમિત પોલિહેડ્રામાં રચાય છે, જે પરંપરાગત ફીણની ગોળાકાર રચનાઓ કરતાં ઓછી સ્થિર રચનાઓ છે. જોકે આ માળખાઓને સર્ફેક્ટન્ટની હાજરી દ્વારા સ્થિર કરી શકાય છે. ઘનીકરણ પહેલાં ફીણનું માળખું સ્વાભાવિક રીતે અસ્થિર હોય છે, કારણ કે હાજર ખાલી જગ્યાઓ માળખાની સપાટી મુક્ત ઊર્જામાં ઘણો વધારો કરે છે. કેટલાક કૃત્રિમ બાયોફોમ્સમાં, ફીણની સપાટીની મુક્ત ઊર્જાને ઓછી કરવા અને તેથી ફીણને સ્થિર કરવા માટે સર્ફેક્ટન્ટનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. કેટલાક કુદરતી બાયોફોમમાં, પ્રોટીન ફીણ બનાવવા અને સ્થિર થવા માટે સર્ફેક્ટન્ટ તરીકે કામ કરી શકે છે. ફાઇબર રિઇન્ફોર્સમેન્ટ કૃત્રિમ બાયોફોમના ઘનીકરણ દરમિયાન, ફાઇબરને મેટ્રિક્સ માટે રિઇન્ફોર્સમેન્ટ એજન્ટ તરીકે ઉમેરી શકાય છે. આ વધુમાં ફોમિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન ફીણના હવાના ખિસ્સા માટે એક વિજાતીય ન્યુક્લિએશન સાઇટ બનાવશે. જો કે, જેમ જેમ ફાઇબરનું પ્રમાણ વધે છે, તેમ તેમ તે મેટ્રિક્સની સેલ્યુલર રચનાની રચનાને અટકાવવાનું શરૂ કરી શકે છે. એપ્લિકેશન્સ પેકેજિંગ પેકેજિંગના સંબંધમાં, સ્ટાર્ચ અને બાયોપોલિસ્ટર્સ આ બાયોફોમ્સ બનાવે છે કારણ કે તે વિસ્તૃત પોલિસ્ટરીન માટે પૂરતા પ્રમાણમાં અવેજી છે. પોલિલેક્ટિક એસિડ (પીએલએ) એ આ બાયોફોમના આધારનું એક સામાન્ય સ્વરૂપ છે કારણ કે તેઓ પોલિઓલેફિન આધારિત ફીણનો વિકલ્પ પ્રદાન કરે છે જેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે ઓટોમોટિવ ભાગો, ફાર્માસ્યુટિકલ ઉત્પાદનો અને તેમના બાયો-આધારિત અને બાયોડિગ્રેડેબલ ગુણધર્મોને કારણે ટૂંકા ગાળાના નિકાલજોગ પેકેજિંગ ઉદ્યોગોમાં થાય છે. પી. એલ. એ. રિંગ-ઓપનિંગ પોલિમરાઇઝેશન દ્વારા બેક્ટેરિયાના આથોને કારણે લેક્ટિક એસિડમાંથી ઉત્પન્ન લેક્ટાઇડની રચનામાંથી આવે છે, જેમાં પ્રક્રિયા આકૃતિ 4 દ્વારા દર્શાવવામાં આવી છે. પી. એલ. એ. માં પેકેજિંગ ઉદ્યોગમાં બાયોડિગ્રેડેબિલિટી માટે સૌથી વધુ ઇચ્છનીય લક્ષણો નથી કારણ કે તેમાં ઓછી ગરમીની વિકૃતિ તાપમાન હોય છે અને તેમાં પ્રતિકૂળ જળ અવરોધ લાક્ષણિકતાઓ હોય છે. બીજી બાજુ, પી. એલ. એ. માં ઉચ્ચ અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રકાશ અવરોધ ગુણધર્મો અને નીચા ગલન અને કાચ સંક્રમણ તાપમાન સહિત ઇચ્છનીય પેકેજિંગ ગુણધર્મો હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. તાજેતરમાં, પેકેજિંગ ઉદ્યોગમાં પીજીએ રજૂ કરવામાં આવ્યું છે કારણ કે તે એક સારો દ્રાવક છે અને પીએલએ સાથે તુલનાત્મક છે. કોષ્ટક 1 બંને બાયોફોમની લાક્ષણિકતાઓ અને તેમની સરખામણી કેવી રીતે થાય છે તે દર્શાવે છે. બતાવ્યા પ્રમાણે, પીજીએ એક મજબૂત સ્ટીરિયોકેમિસ્ટ્રી માળખું ધરાવે છે જે બદલામાં તેમાં ઉચ્ચ અવરોધ અને યાંત્રિક ગુણધર્મો ધરાવે છે જે તેને પેકેજિંગ ઉદ્યોગ માટે ઇચ્છનીય બનાવે છે. પેકેજિંગમાં ઉપયોગમાં લેવાતી વખતે પી. જી. એ. ના અવરોધ ગુણધર્મોને વધારવામાં મદદ કરવા માટે પી. જી. એ. માટે કોપોલિમરાઇઝેશનનો ઉપયોગ કરીને પી. જી. એ. અને પી. એલ. એ. બંનેના મિશ્રણનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. કોષ્ટક 1: પી. જી. એ. ની સરખામણીમાં પી. એલ. એ. ના ગુણધર્મો બાયોમેડિકલ બાયોમેડિકલ ઉપકરણોના ઉપયોગમાં સૌથી લોકપ્રિય બાયોફોમ પી. એલ. એ. પણ છે. પી. એલ. એ. ના ગુણધર્મો બાયોમેડિકલ કાર્યક્રમોમાં પણ ઇચ્છનીય છે, ખાસ કરીને અન્ય પોલિમર સાથે સંયોજનમાં. ખાસ કરીને, તેની બાયોકોમ્પેટિબિલિટી અને બાયોડિગ્રેડેબિલિટી તેને એફડીએમ-3ડી પ્રિન્ટિંગના ઉપયોગ દ્વારા ટીશ્યુ એન્જિનિયરિંગમાં અનુકૂળ બનાવે છે. પી. એલ. એ. આ પ્રિન્ટિંગ વાતાવરણમાં સારું પ્રદર્શન કરે છે કારણ કે તેનું કાચ સંક્રમણ તાપમાન તેમજ આકારની મેમરી નાની છે. તાજેતરના અભ્યાસોમાં, પી. એલ. એ. ને ખાસ કરીને હાઇડ્રોક્સિપેટાઇટ (એચ. એ.) સાથે જોડવામાં આવ્યું છે જેથી નમૂનાના મોડ્યુલસને હાડકાની નિષ્ફળતાની મરામતમાં તેના ઉપયોગ માટે વધુ અનુકૂળ બનાવી શકાય. ખાસ કરીને પેશી ઇજનેરીમાં, એચ. એ. ઓસ્ટીયોબ્લાસ્ટ્સ અને પૂર્વ-ઓસ્ટીયોબ્લાસ્ટિક કોષોને ટ્રિગર કરીને ઓસ્ટીઓજેનેસિસ પેદા કરે છે તેવું પણ દર્શાવવામાં આવ્યું છે. એચ. એ. એક મજબૂત સામગ્રી છે, જે પી. એલ. એ. માં ઉમેરવા માટે આદર્શ બનાવે છે, કારણ કે પી. એલ. એ. માં નિષ્ફળતા પહેલાં 10 ટકા વિસ્તરણ સાથે નબળી મજબૂતાઈ છે. એફએફએફ-આધારિત 3ડી પ્રિન્ટિંગનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો તેમજ આકૃતિ 5માં દર્શાવવામાં આવેલા સંકોચન પરીક્ષણોનો પણ ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પરિણામો દર્શાવે છે કે નમૂનાની સ્વ-ઉપચાર ક્ષમતા હતી, જેનો ઉપયોગ ચોક્કસ બાયોમેડિકલ પદ્ધતિઓમાં થઈ શકે છે. પર્યાવરણીય અસર આબોહવા પરિવર્તન, ગ્લોબલ વોર્મિંગ અને ટકાઉપણું તરફ તાજેતરના ધ્યાન સાથે, બાયોડિગ્રેડેબલ ઉત્પાદનોના નિર્માણ અને ટકાઉપણું અંગે સંશોધનનું એક નવું મોજું આવ્યું છે. આ સંશોધન બાયોડિગ્રેડેબલ બાયોફોમની રચનાનો સમાવેશ કરવા માટે વિકસિત થયું છે, જેનો હેતુ અન્ય ફીણને બદલવાનો છે જે પર્યાવરણીય રીતે હાનિકારક હોઈ શકે છે અથવા જેનું ઉત્પાદન બિનટકાઉ હોઈ શકે છે. આ નસને અનુસરીને, ગુણવાન એટ અલ. "વ્યાવસાયિક રીતે સંબંધિત પોલીયુરેથીન ઉત્પાદનો કે જે કુદરતી વાતાવરણમાં બાયોડિગ્રેડ કરી શકે છે" વિકસાવવા માટે સંશોધન હાથ ધર્યું હતું. આવા એક ઉત્પાદનમાં ફ્લીપ-ફ્લોપ્સનો સમાવેશ થાય છે, તેથી સંશોધનના ભાગરૂપે શેવાળમાંથી મેળવેલા પોલીયુરેથીનમાંથી બનાવેલ ફ્લીપ-ફ્લોપ પ્રોટોટાઇપ કરવામાં આવ્યું હતું (આકૃતિ 7 જુઓ). આ સંશોધન આખરે એવા નિષ્કર્ષમાં પરિણમ્યું કે ખાતર અને માટીના વાતાવરણ (દરેક વાતાવરણમાં હાજર વિવિધ સુક્ષ્મસજીવો) બંનેમાં શેવાળના તેલમાંથી બનાવેલા પોલીયુરેથીન ફીણમાં નોંધપાત્ર અધઃપતન થાય છે. તેવી જ રીતે, કયા ગુણોત્તરમાં મહત્તમ બાયોડિગ્રેડેબિલિટી છે તે નિર્ધારિત કરવા માટે વિવિધ ગુણોત્તરમાં શેવાળ તેલ (એઓ) અને શેષ પામ તેલ (આરપીઓ) ને ફીણ પોલીયુરેથીનમાં ઘડવામાં આવ્યા છે તે સંશોધન કરવામાં આવ્યું છે. આર. પી. ઓ. પામ ઓઇલ મિલના કચરામાંથી વસૂલવામાં આવે છે અને તે ઉત્પાદન પ્રક્રિયાની આડપેદાશ છે. બાયોડિગ્રેડેબિલિટી તેમજ થર્મોગ્રેવિમેટ્રિક વિશ્લેષણ નક્કી કરવા માટે પરીક્ષણોમાંથી પસાર થયા પછી, ટીમે નક્કી કર્યું કે સામગ્રીનો ઉપયોગ એઓ/આરપીઓ ગુણોત્તરના આધારે ઇન્સ્યુલેશન અથવા ફાયર રિટાર્ડન્ટ્સ જેવા કાર્યક્રમોમાં થઈ શકે છે. બાયોફોમ સંશોધનનું બીજું કેન્દ્ર બાયોફોમનો વિકાસ છે જે માત્ર બાયોડિગ્રેડેબલ જ નથી, પરંતુ ખર્ચ-અસરકારક પણ છે અને તેનું ઉત્પાદન કરવા માટે ઓછી ઊર્જાની જરૂર પડે છે. લુઓ એટ અલ. બાયોફોમના આ ક્ષેત્રમાં સંશોધન હાથ ધર્યું છે અને આખરે એક બાયોફોમ વિકસાવ્યું છે જે "કુદરતી બાયોસોર્સ સામગ્રીની ઉચ્ચ સામગ્રી" માંથી ઉત્પન્ન થાય છે અને "ન્યૂનતમ [સંખ્યાબંધ] પ્રક્રિયા પગલાં" નો ઉપયોગ કરે છે. પ્રક્રિયાના પગલાંઓમાં ચોક્કસ ઉપયોગો માટે પેટ્રોલિયમ આધારિત ફીણના વિકલ્પ તરીકે પોલીયુરેથીન બાયોફોમ વિકસાવવા વિશે એફ. ઝાંગ અને એક્સ. લુઓ દ્વારા તેમના પેપરમાં પ્રકાશિત ફીણ તૈયાર કરવાની એક-પોટ પદ્ધતિનો સમાવેશ થાય છે. સંભવિત બાયોડિગ્રેડેબલ ફીણ ઉત્પાદનોના નિર્માણમાં કુદરતી ઘટકોનો ઉપયોગ કરવા માટે ચાલુ સંશોધન પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે. માયસેલિયમ (આકૃતિ 8), ચિટોસન (આકૃતિ 9), ઘઉંના ધાન્યના લોટમાં રહેલું નત્રિલ દ્રવ્ય (આકૃતિ 10) અને સેલ્યુલોઝ (આકૃતિ 11) બધાનો ઉપયોગ વિવિધ હેતુઓ માટે બાયોફોમ બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો છે. વાહક બાયોફોમ બનાવવાનો પ્રયાસ કરવા માટે ઘઉંના ધાન્યના લોટમાં રહેલું નત્રિલ દ્રવ્ય ઉદાહરણનો ઉપયોગ ગ્રેફીન સાથે કરવામાં આવ્યો હતો. માયસેલિયમ-આધારિત, ચિટોસન-આધારિત અને સેલ્યુલોઝ-આધારિત બાયોફોમના ઉદાહરણોનો હેતુ ખર્ચ અસરકારક અને ઓછી ઘનતા ધરાવતી સામગ્રીના વિકલ્પો બનવાનો છે. સંદર્ભો ફીણ