Biofoam
बायोफोम जैविक या जैविक रूप से व्युत्पन्न फोम होते हैं, जो हल्के और झरझरा सेलुलर ठोस पदार्थ बनाते हैं। एक अपेक्षाकृत नया शब्द, शिक्षाविदों में इसका उपयोग 1980 के दशक में सक्रिय कीचड़ पौधों पर बनने वाली मैल के संबंध में शुरू हुआ। बायोफोम एक व्यापक छत्र शब्द है जिसमें प्राकृतिक रूप से होने वाले फोम के साथ-साथ सोया तेल और सेलूलोज जैसी जैविक सामग्रियों से उत्पादित फोम सहित विभिन्न प्रकार के विषय शामिल हैं। बायोफोम निरंतर शोध का विषय रहा है क्योंकि संश्लेषित बायोफोम को पारंपरिक पेट्रोलियम आधारित फोम के विकल्प के रूप में माना जा रहा है। संश्लेषित फोम की परिवर्तनशील प्रकृति के कारण, उनमें विभिन्न प्रकार की विशेषताएं और भौतिक गुण हो सकते हैं जो उन्हें पैकेजिंग, इन्सुलेशन और अन्य अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाते हैं। प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले झाग विभिन्न प्रकार के जीवित जीवों के भीतर प्राकृतिक रूप से बन सकते हैं। उदाहरण के लिए, लकड़ी, कॉर्क और पादप पदार्थ सभी में फोम घटक या संरचनाएँ हो सकती हैं। कवक आम तौर पर माइसेलियम से बने होते हैं, जो अन्य घटकों से बंधे चिटिन नैनोफाइबर के खोखले तंतुओं से बने होते हैं। कैंसिलस हड्डी, घोड़े की नाल केकड़े के गोले, टकन चोंच, स्पंज, मूंगा, पंख और सींग जैसे पशु भागों में फोम जैसी संरचनाएं होती हैं जो अन्य भौतिक गुणों की कीमत पर समग्र वजन को कम करती हैं। हड्डी, सींग और कवच जैसी संरचनाओं में मजबूत सामग्री होती है जिसके भीतर कमजोर लेकिन हल्की सामग्री होती है। हड्डियों में सघन, घने बाहरी क्षेत्र होते हैं, जो आंतरिक फोम जैसी रद्द हड्डी की रक्षा करते हैं। यही सिद्धांत घोड़े की नाल केकड़े के गोले, टकन चोंच और सींगों पर लागू होता है। पंखों के बार्ब और शाफ्ट में समान रूप से बंद-कोशिका फोम होता है। सुरक्षात्मक फोम बाहरी रूप से मूल जीवों द्वारा या पर्यावरण के साथ बातचीत करने वाले अंडों द्वारा बनाए जा सकते हैंः तरल-आधारित फोम बनाने के लिए समुद्र के पानी के साथ अंडे का मिश्रण; पेड़ के मेंढक के अंडे पानी के ऊपर और ऊपर प्रोटीन फोम में उगते हैं (चित्र 1 देखें); कुछ ताजे पानी की मछलियां अपने बलगम से सतह के फोम में अंडे देती हैं; गहरी समुद्री मछलियां दोहरी परत वाले फोम की स्विंबल्डर में अंडे देती हैं; और कुछ कीड़े अपने लार्वा को फोम में रखते हैं। बायोमिमेटिक सिंथेटिक फोम हनीकोम्ब बायोइन्स्पायर्ड पैटर्न को संदर्भित करता है जो ऊर्जा अवशोषित संरचनाओं के लिए एक हल्का डिजाइन प्रदान करता है। हनीकोम्ब डिजाइन विभिन्न संरचनात्मक जैविक घटकों जैसे स्पंजी हड्डी और पादप वास्कुलेचर में पाया जा सकता है। जैविक रूप से प्रेरित मधुकोश संरचनाओं में केल्विन, वीयर और फ्लोरेट मधुकोश शामिल हैं (चित्र 2 देखें); प्राकृतिक षट्कोणीय मधुकोश की तुलना में प्रत्येक की संरचना थोड़ी अलग है। जैविक डिजाइन पर इन भिन्नताओं से पारंपरिक षट्कोणीय मधुकोश जैव फोम की तुलना में ऊर्जा अवशोषण में काफी सुधार हुआ है। इन बढ़े हुए ऊर्जा अवशोषण प्रदर्शनों के कारण, वाहन क्रंपल ज़ोन के अंदर उपयोग के लिए मधुकोश से प्रेरित संरचनाओं पर शोध किया जा रहा है। आंतरिक कोर के रूप में मधुकोश संरचनाओं का उपयोग करके और अधिक कठोर संरचनात्मक कवच के साथ संरचना को घेरकर, ये घटक दुर्घटना के दौरान प्रभाव ऊर्जा को अवशोषित कर सकते हैं और चालक द्वारा अनुभव की जाने वाली ऊर्जा की मात्रा को कम कर सकते हैं। एरोगेल एरोगेल कम घनत्व और कम तापीय चालकता जैसे विशेष गुणों वाले न्यूनतम सामग्री के साथ बड़ी मात्रा में भरने में सक्षम हैं। इन एयरोजेल में खुली या बंद कोशिका संरचनाओं के रूप में वर्गीकृत आंतरिक संरचनाएं होती हैं, वही कोशिका संरचना जिसका उपयोग कई 3-आयामी मधुकोश जैव फोम को परिभाषित करने के लिए किया जाता है। जानवरों के बालों की आंतरिक फोम संरचनाओं को प्रतिबिंबित करने के लिए भी एयरोजेल का निर्माण किया जा रहा है (चित्र 3 देखें)। इन बायोमिमेटिक एयरोजेल पर उनके आशाजनक लोचदार और इंसुलेटिव गुणों के लिए सक्रिय रूप से शोध किया जा रहा है। भौतिक गुण फोम कोशिका संरचना एक फोम को खुली कोशिका माना जाता है यदि इसके कम से कम दो पहलू दीवारों के बजाय छेद हों। इस मामले में फोम पर भार की संपूर्णता क्रॉस-बीम पर होती है जो सेल के किनारों को बनाती है। यदि कोशिका की दीवारों में से एक से अधिक छेद नहीं हैं, तो फोम को प्रकृति में बंद-कोशिका माना जाता है। अधिकांश सिंथेटिक फोम के लिए, बंद कोशिका और खुली कोशिका चरित्र का मिश्रण फोम प्रक्रिया के दौरान कोशिकाओं के टूटने और फिर मैट्रिक्स के ठोस होने के कारण देखा जाता है। फोम के यांत्रिक गुण तब फोम के बंद कोशिका चरित्र पर निर्भर करते हैं जैसा कि गिब्सन और एशबी द्वारा प्राप्त किया गया हैः जहां ई लोचदार मापांक है, ρ सामग्री का घनत्व है, φ चेहरे की मात्रा और सामग्री के किनारे की मात्रा का अनुपात है, और सबस्क्रिप्ट s फोम के नमूने के बजाय सामग्री के थोक गुण को दर्शाता है। तरल और ठोस फोम कई पॉलीमेरिक फोम के लिए, एक तरल पॉलिमर मिश्रण को पॉलिमराइज़ और फोम करके और फिर उस फोम को ठोस होने देकर एक ठोस फोम बनाया जाता है। इस प्रकार, तरल फोम उम्र बढ़ने का प्रभाव जमने से पहले होता है। तरल फोम में, गुरुत्वाकर्षण बल और आंतरिक दबाव फोम के नीचे की ओर तरल के प्रवाह का कारण बनते हैं। यह कुछ फोम कोशिकाओं को तरल नालियों के रूप में अनियमित पॉलीहेड्रा में बनाने का कारण बनता है, जो एक पारंपरिक फोम की गोलाकार संरचनाओं की तुलना में कम स्थिर संरचनाएं हैं। हालाँकि इन संरचनाओं को एक सर्फैक्टेंट की उपस्थिति से स्थिर किया जा सकता है। जमने से पहले फोम संरचना स्वाभाविक रूप से अस्थिर होती है, क्योंकि रिक्त स्थान संरचना की सतह मुक्त ऊर्जा को बहुत बढ़ाते हैं। कुछ सिंथेटिक बायोफोम में, फोम की सतह मुक्त ऊर्जा को कम करने और इसलिए फोम को स्थिर करने के लिए एक सर्फैक्टेंट का उपयोग किया जा सकता है। कुछ प्राकृतिक बायोफोम में, प्रोटीन फोम के बनने और स्थिर होने के लिए सर्फैक्टेंट के रूप में कार्य कर सकते हैं। फाइबर सुदृढीकरण सिंथेटिक बायोफोम के जमने के दौरान, फाइबर को मैट्रिक्स के लिए एक सुदृढीकरण एजेंट के रूप में जोड़ा जा सकता है। यह अतिरिक्त रूप से झाग प्रक्रिया के दौरान झाग के वायु पॉकेट के लिए एक विषम नाभिकीय स्थल बनाएगा। हालांकि, जैसे-जैसे फाइबर की मात्रा बढ़ती है, यह मैट्रिक्स की सेलुलर संरचना के गठन को रोकना शुरू कर सकता है। पैकेजिंग अनुप्रयोग पैकेजिंग पैकेजिंग के संबंध में, स्टार्च और बायोपॉलीस्टर इन बायोफोम को बनाते हैं क्योंकि वे विस्तारित पॉलीस्टीरिन के लिए पर्याप्त प्रतिस्थापन हैं। पॉलीलैक्टिक एसिड (पी. एल. ए.) इन बायोफोम के आधार का एक सामान्य रूप है क्योंकि वे पॉलीओलेफिन-आधारित फोम के लिए एक विकल्प प्रदान करते हैं जो आमतौर पर अपने जैव-आधारित और बायोडिग्रेडेबल गुणों के कारण मोटर वाहन के पुर्जों, दवा उत्पादों और अल्पकालिक डिस्पोजेबल पैकेजिंग उद्योगों में उपयोग किए जाते हैं। पी. एल. ए. रिंग-ओपनिंग पोलीमराइजेशन के माध्यम से बैक्टीरियल किण्वन के कारण लैक्टिक एसिड से उत्पादित लैक्टाइड के गठन से आता है, जिसमें प्रक्रिया को चित्र 4 के माध्यम से दिखाया गया है। पी. एल. ए. में पैकेजिंग उद्योग में बायोडिग्रेडेबिलिटी के लिए सबसे वांछनीय लक्षण नहीं हैं क्योंकि इसमें कम गर्मी विरूपण तापमान होता है और इसमें प्रतिकूल जल बाधा विशेषताएं होती हैं। दूसरी ओर, पी. एल. ए. में उच्च पराबैंगनी प्रकाश बाधा गुणों और कम पिघलने और कांच संक्रमण तापमान सहित वांछनीय पैकेजिंग गुण पाए गए हैं। हाल ही में, पी. जी. ए. को पैकेजिंग उद्योग में पेश किया गया है क्योंकि यह एक अच्छा विलायक है और पी. एल. ए. के बराबर है। तालिका 1 बायोफोम दोनों की विशेषताओं को दिखाती है और वे कैसे तुलना करते हैं। जैसा कि दिखाया गया है, पीजीए में एक मजबूत स्टीरियोकेमिस्ट्री संरचना होती है जो बदले में इसमें उच्च बाधा और यांत्रिक गुणों का कारण बनती है जो इसे पैकेजिंग उद्योग के लिए वांछनीय बनाती है। पैकेजिंग में उपयोग किए जाने पर पी. जी. ए. के बाधा गुणों को बढ़ाने में मदद करने के लिए पी. जी. ए. के लिए सह-पोलीमराइजेशन का उपयोग करके पी. जी. ए. और पी. एल. ए. दोनों के मिश्रण के अध्ययन का पता लगाया गया है। तालिका 1: पीजीए की तुलना में पीएलए के गुण। जैव चिकित्सा उपकरणों के उपयोग में सबसे लोकप्रिय जैव फोम पी. एल. ए. भी है। पी. एल. ए. के गुण जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में भी वांछनीय हैं, विशेष रूप से अन्य पॉलिमर के साथ संयोजन में। विशेष रूप से, इसकी जैव-संगतता और जैव-अपघटनीयता इसे एफ. डी. एम.-3डी मुद्रण के उपयोग के माध्यम से ऊतक इंजीनियरिंग में अनुकूल बनाती है। पी. एल. ए. इन मुद्रण वातावरणों में अच्छा प्रदर्शन करता है क्योंकि इसका कांच संक्रमण तापमान के साथ-साथ आकार की स्मृति भी कम होती है। हाल के अध्ययनों में, पी. एल. ए. को विशेष रूप से हाइड्रॉक्सीपेटाइट (एच. ए.) के साथ जोड़ा गया है ताकि नमूने के मापांक को हड्डी की विफलता की मरम्मत में इसके अनुप्रयोग के लिए अधिक अनुकूल बनाया जा सके। विशेष रूप से ऊतक इंजीनियरिंग में, एच. ए. को ऑस्टियोब्लास्ट और पूर्व-ऑस्टियोब्लास्टिक कोशिकाओं को ट्रिगर करके ऑस्टियोजेनेसिस उत्पन्न करने के लिए भी दिखाया गया है। एच. ए. एक मजबूत सामग्री है, जो पी. एल. ए. में जोड़ने के लिए इसे आदर्श बनाती है, इस तथ्य के कारण कि पी. एल. ए. में विफलता से पहले 10 प्रतिशत विस्तार के साथ कमजोर मजबूती है। एफएफएफ-आधारित 3डी प्रिंटिंग का उपयोग किया गया था और साथ ही चित्र 5 में संपीड़न परीक्षणों का प्रदर्शन किया गया था। परिणामों से पता चला कि नमूने की एक स्व-उपचार क्षमता थी, जिसका उपयोग कुछ जैव चिकित्सा प्रथाओं में किया जा सकता था। पर्यावरणीय प्रभाव जलवायु परिवर्तन, ग्लोबल वार्मिंग और स्थिरता की ओर हाल ही में ध्यान देने के साथ, बायोडिग्रेडेबल उत्पादों के निर्माण और स्थिरता के संबंध में अनुसंधान की एक नई लहर आई है। यह शोध बायोडिग्रेडेबल बायोफोम के निर्माण को शामिल करने के लिए विकसित हुआ है, जिसका उद्देश्य अन्य फोम को बदलना है जो पर्यावरण के लिए हानिकारक हो सकते हैं या जिनका उत्पादन अस्थिर हो सकता है। इस नस का अनुसरण करते हुए, गुणवान और अन्य। "व्यावसायिक रूप से प्रासंगिक पॉलीयुरेथेन उत्पाद जो प्राकृतिक वातावरण में बायोडिग्रेड कर सकते हैं" विकसित करने के लिए अनुसंधान किया। ऐसे ही एक उत्पाद में फ़्लिप-फ़्लॉप शामिल हैं, इसलिए शोध के हिस्से के रूप में शैवाल से प्राप्त पॉलीयुरेथेन से बने एक फ़्लिप-फ़्लॉप का प्रोटोटाइप बनाया गया था (चित्र 7 देखें)। इस शोध के परिणामस्वरूप अंततः यह निष्कर्ष निकला कि खाद और मिट्टी दोनों के वातावरण (प्रत्येक वातावरण में मौजूद विभिन्न सूक्ष्मजीव) में शैवाल के तेल से बने पॉलीयुरेथेन फोम में महत्वपूर्ण क्षरण होता है। इसी तरह, शोध किया गया है जहां शैवाल तेल (एओ) और अवशिष्ट ताड़ के तेल (आरपीओ) को विभिन्न अनुपातों पर फोम पॉलीयुरेथेन में तैयार किया गया है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि किस अनुपात में इष्टतम जैव विघटनशीलता है। आर. पी. ओ. को ताड़ के तेल की मिल के कचरे से बरामद किया जाता है और यह उस निर्माण प्रक्रिया का एक उपोत्पाद है। बायोडिग्रेडेबिलिटी के साथ-साथ थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण निर्धारित करने के लिए एक परीक्षण से गुजरने के बाद, टीम ने निर्धारित किया कि सामग्री का उपयोग एओ/आरपीओ अनुपात के आधार पर इन्सुलेशन या अग्निरोधी जैसे अनुप्रयोगों में किया जा सकता है। बायोफोम अनुसंधान का एक अन्य फोकस बायोफोम का विकास है जो न केवल बायोडिग्रेडेबल हैं, बल्कि लागत प्रभावी भी हैं और उत्पादन के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। लुओ एट अल। बायोफोम के इस क्षेत्र में शोध किया है और अंततः एक बायोफोम विकसित किया है जो "प्रकृति जैव संसाधन सामग्री की उच्च सामग्री" से उत्पादित होता है और "न्यूनतम [संख्या में] प्रसंस्करण चरणों" का उपयोग करता है। प्रसंस्करण चरणों में विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए पेट्रोलियम आधारित फोम के विकल्प के रूप में पॉलीयुरेथेन बायोफोम विकसित करने के बारे में एफ. झांग और एक्स. लुओ द्वारा अपने पेपर में प्रकाशित फोम तैयार करने की एक-बर्तन विधि शामिल है। संभावित बायोडिग्रेडेबल फोम उत्पादों के निर्माण में प्राकृतिक घटकों का उपयोग करने के लिए चल रहे अनुसंधान प्रयास किए गए हैं। माइसेलियम (चित्र 8), चिटोसन (चित्र 9), व्हीट ग्लूटेन (चित्र 10), और सेलूलोज़ (चित्र 11) सभी का उपयोग विभिन्न उद्देश्यों के लिए बायोफोम बनाने के लिए किया गया है। व्हीट ग्लूटेन के उदाहरण का उपयोग एक प्रवाहकीय बायोफोम बनाने के प्रयास में ग्राफीन के साथ संयोजन में किया गया था। माइसेलियम-आधारित, चिटोसन-आधारित और सेलूलोज़-आधारित बायोफोम उदाहरणों का उद्देश्य लागत प्रभावी और कम घनत्व वाली सामग्री के विकल्प बनना है। संदर्भ फोम