Hybrid material
संकर पदार्थ यौगिक होते हैं जिनमें नैनोमीटर या आणविक स्तर पर दो घटक होते हैं। आमतौर पर इनमें से एक यौगिक अकार्बनिक होता है और दूसरा कार्बनिक होता है। इस प्रकार, वे पारंपरिक यौगिकों से भिन्न होते हैं जहां घटक मैक्रोस्कोपिक (माइक्रोमीटर से मिलीमीटर) स्तर पर होते हैं। सूक्ष्म पैमाने पर मिश्रण एक अधिक सजातीय सामग्री की ओर ले जाता है जो या तो दो मूल चरणों या यहां तक कि नए गुणों के बीच विशेषताओं को दर्शाता है। प्रकृति में परिचय संकर पदार्थ कई प्राकृतिक पदार्थों में नैनोस्केल पर वितरित अकार्बनिक और जैविक निर्माण खंड होते हैं। अधिकांश मामलों में अकार्बनिक भाग प्राकृतिक वस्तुओं को यांत्रिक शक्ति और समग्र संरचना प्रदान करता है जबकि कार्बनिक भाग अकार्बनिक निर्माण खंडों और/या शेष ऊतक के बीच बंधन प्रदान करता है। विशिष्ट उदाहरणों में हड्डी और नैक्रे शामिल हैं। संकर पदार्थों का विकास पहली संकर सामग्री अजैविक और जैविक घटकों से बने रंग थे जिनका उपयोग हजारों साल पहले किया गया था। रबर कार्बनिक पॉलिमर के लिए भराव के रूप में अकार्बनिक पदार्थों के उपयोग का एक उदाहरण है। 1930 के दशक में विकसित सोल-जेल प्रक्रिया प्रमुख प्रेरक शक्तियों में से एक थी जो अकार्बनिक-कार्बनिक संकर पदार्थों का व्यापक क्षेत्र बन गई है। वर्गीकरण संकर पदार्थों को अकार्बनिक और जैविक प्रजातियों को जोड़ने वाली संभावित अंतःक्रियाओं के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है। कार्बनिक-अकार्बनिक संकर सामग्री, नट रुरैक, रेमन मार्टिनेज-मानेज़, ए. डी. एस., विली 2010 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9780470552704 वर्ग I संकर सामग्री के सुप्रामोलिक्युलर रसायन विज्ञान वे हैं जो दो चरणों के बीच कमजोर अंतःक्रिया दिखाते हैं, जैसे कि वैन डेर वाल्स, हाइड्रोजन बंधन या कमजोर इलेक्ट्रोस्टैटिक अंतःक्रिया। वर्ग II संकर पदार्थ वे हैं जो सहसंयोजक बंधन जैसे घटकों के बीच मजबूत रासायनिक अंतःक्रिया दिखाते हैं। संरचनात्मक गुणों का उपयोग विभिन्न संकर पदार्थों के बीच अंतर करने के लिए भी किया जा सकता है। एक कार्बनिक भाग जिसमें एक कार्यात्मक समूह होता है जो एक अकार्बनिक नेटवर्क से जुड़ाव की अनुमति देता है, जैसे। एक ट्रायलकॉक्सीसिलेन समूह, एक नेटवर्क संशोधक के रूप में कार्य कर सकता है क्योंकि अंतिम संरचना में अकार्बनिक नेटवर्क को केवल कार्बनिक समूह द्वारा संशोधित किया जाता है। फेनिलट्रियाल्कॉक्सीसिलेन ऐसे यौगिकों के लिए एक उदाहरण हैं; वे गठित सामग्री के लिए आगे की रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरने के उद्देश्य से अतिरिक्त कार्यात्मक समूहों की आपूर्ति किए बिना ट्राइअल्कॉक्सीसिलेन समूह की प्रतिक्रिया के माध्यम से सोल-जेल प्रक्रिया में सिलिका नेटवर्क को संशोधित करते हैं। यदि एक प्रतिक्रियाशील कार्यात्मक समूह को शामिल किया जाता है तो प्रणाली को नेटवर्क फंक्शनलाइज़र कहा जाता है। स्थिति अलग होती है यदि ऐसे दो या तीन एंकर समूह एक कार्बनिक खंड को संशोधित करते हैं; यह उन सामग्रियों की ओर ले जाता है जिनमें अकार्बनिक समूह बाद में संकर नेटवर्क का एक अभिन्न अंग होता है। बाद के प्रकार की प्रणाली को नेटवर्क बिल्डर के रूप में जाना जाता है मिश्रण तब बनते हैं जब अकार्बनिक और कार्बनिक निर्माण खंडों के बीच कोई मजबूत रासायनिक अंतःक्रिया मौजूद नहीं होती है। इस तरह की सामग्री के लिए एक उदाहरण अकार्बनिक समूहों या कणों का संयोजन है जिसमें कार्बनिक पॉलिमर की कमी होती है (जैसे। सहसंयोजक) घटकों के बीच अंतःक्रिया। इस मामले में एक ऐसी सामग्री का निर्माण होता है जिसमें उदाहरण के लिए एक कार्बनिक बहुलक होता है जिसमें अंतःस्थापित असतत अकार्बनिक वातावरण होते हैं, जिसमें घटकों की कार्यात्मकताओं के आधार पर, उदाहरण के लिए भौतिक अंतःक्रियाओं के माध्यम से अंतःस्थापित अकार्बनिक इकाइयों द्वारा कमजोर क्रासलिंकिंग होती है या अकार्बनिक घटक एक परस्पर जुड़े हुए बहुलक मैट्रिक्स में फंस जाते हैं। यदि एक अकार्बनिक और एक कार्बनिक नेटवर्क मजबूत रासायनिक अंतःक्रियाओं के बिना एक दूसरे में अंतःप्रवेश करते हैं, तो तथाकथित अंतःप्रवेश नेटवर्क (आई. पी. एन.) बनते हैं, जो उदाहरण के लिए तब होता है जब एक कार्बनिक बहुलक की उपस्थिति में एक सोल-जेल सामग्री बनती है या इसके विपरीत। वर्णित दोनों सामग्री प्रथम श्रेणी के संकरों से संबंधित हैं। वर्ग II संकर तब बनते हैं जब असतत अकार्बनिक निर्माण खंड, उदाहरण के लिए। समूह, कार्बनिक पॉलिमर से सहसंयोजक रूप से बंधे होते हैं या अकार्बनिक और कार्बनिक पॉलिमर एक दूसरे के साथ सहसंयोजक रूप से जुड़े होते हैं। नैनोकम्पोजिट और संकर पदार्थों के बीच अंतर नैनोकम्पोजिट शब्द का उपयोग तब किया जाता है जब कार्बनिक और अकार्बनिक संरचनात्मक इकाइयों के संयोजन से समग्र गुणों वाली सामग्री प्राप्त होती है। कहने का मतलब यह है कि अलग-अलग कार्बनिक और अकार्बनिक घटकों के मूल गुण अभी भी मिश्रण में मौजूद हैं और इन सामग्रियों को मिलाकर अपरिवर्तित हैं। हालाँकि, यदि अंतरंग मिश्रण से एक नया गुण निकलता है, तो सामग्री एक संकर बन जाती है। एक मैक्रोस्कोपिक उदाहरण खच्चर है, जो अपने माता-पिता, घोड़े और गधे की तुलना में कड़ी मेहनत के लिए अधिक उपयुक्त है। अलग-अलग घटकों का आकार और उनकी अंतःक्रिया की प्रकृति (सहसंयोजक, विद्युतस्थैतिक, आदि)। संकर सामग्री की परिभाषा में प्रवेश न करें। पारंपरिक यौगिकों की तुलना में संकर पदार्थों के लाभ कार्बनिक बहुलक मैट्रिक्स में विशिष्ट ऑप्टिकल, इलेक्ट्रॉनिक या चुंबकीय गुणों वाले अकार्बनिक समूहों या नैनोकणों को शामिल किया जा सकता है। शुद्ध ठोस अवस्था अकार्बनिक पदार्थों के विपरीत जिन्हें अक्सर उनके प्रसंस्करण के लिए उच्च तापमान उपचार की आवश्यकता होती है, संकर सामग्री अधिक बहुलक जैसी हैंडलिंग दिखाती है, या तो उनकी बड़ी कार्बनिक सामग्री के कारण या छोटे आणविक अग्रदूतों से क्रॉस-लिंक्ड अकार्बनिक नेटवर्क के गठन के कारण। सजातीय संकर सामग्री में प्रकाश प्रकीर्णन से बचा जा सकता है और इसलिए परिणामी संकर सामग्री और नैनोकंपोजिट की ऑप्टिकल पारदर्शिता प्राप्त की जा सकती है। संश्लेषण संकर पदार्थों के निर्माण के लिए दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग किया जा सकता हैः या तो अच्छी तरह से परिभाषित पूर्वनिर्धारित निर्माण खंडों को लागू किया जाता है जो अंतिम संकर सामग्री बनाने के लिए एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करते हैं जिसमें अग्रदूत अभी भी कम से कम आंशिक रूप से अपनी मूल अखंडता रखते हैं या एक या दोनों संरचनात्मक इकाइयाँ उन अग्रदूतों से बनती हैं जो एक नई (नेटवर्क) संरचना में परिवर्तित हो जाते हैं। यह महत्वपूर्ण है कि अकार्बनिक और जैविक पदार्थों के बीच अंतरफलक जिसे संकर पदार्थों की तैयारी में गंभीर समस्याओं को दूर करने के लिए तैयार किया जाना है। उनकी तैयारी के लिए विभिन्न निर्माण खंडों और दृष्टिकोणों का उपयोग किया जा सकता है और इन्हें अकार्बनिक और जैविक पदार्थों के अंतर को पाटने के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए। निर्माण खंड दृष्टिकोण निर्माण खंड कम से कम आंशिक रूप से सामग्री निर्माण के दौरान अपनी आणविक अखंडता को बनाए रखते हैं, जिसका अर्थ है कि सामग्री निर्माण के लिए इन स्रोतों में मौजूद संरचनात्मक इकाइयाँ भी अंतिम सामग्री में पाई जा सकती हैं। एक ही समय में इन निर्माण खंडों के विशिष्ट गुण आमतौर पर मैट्रिक्स गठन से बच जाते हैं, जो तब नहीं होता है जब सामग्री अग्रदूतों को नई सामग्री में स्थानांतरित किया जाता है। इस तरह के अच्छी तरह से परिभाषित निर्माण खंडों के प्रतिनिधि उदाहरण संशोधित अकार्बनिक समूह या संलग्न प्रतिक्रियाशील कार्बनिक समूहों के साथ नैनोकण हैं। क्लस्टर यौगिकों में अक्सर कम से कम एक कार्यात्मक समूह होता है जो एक कार्बनिक मैट्रिक्स के साथ बातचीत की अनुमति देता है, उदाहरण के लिए सह-पोलीमराइजेशन द्वारा। परस्पर क्रिया कर सकने वाले समूहों की संख्या के आधार पर, ये निर्माण खंड एक कार्बनिक मैट्रिक्स (एक कार्यात्मक समूह) को संशोधित करने या आंशिक रूप से या पूरी तरह से परस्पर जुड़ी सामग्री (एक से अधिक समूह) बनाने में सक्षम हैं। उदाहरण के लिए, दो प्रतिक्रियाशील समूह श्रृंखला संरचनाओं के निर्माण का कारण बन सकते हैं। यदि निर्माण खंडों में कम से कम तीन प्रतिक्रियाशील समूह होते हैं तो उनका उपयोग बिना अतिरिक्त अणुओं के एक परस्पर जुड़ी हुई सामग्री के निर्माण के लिए किया जा सकता है। उल्लिखित आणविक निर्माण खंडों के अलावा, नैनोसाइज़्ड निर्माण खंड, जैसे कण या नैनोरोड, का उपयोग नैनोकंपोजिट बनाने के लिए भी किया जा सकता है। अकार्बनिक या जैविक संस्थाओं के मूल स्थान पर गठन की तुलना में निर्माण खंड दृष्टिकोण का एक बड़ा लाभ हैः क्योंकि कम से कम एक संरचनात्मक इकाई (निर्माण खंड) अच्छी तरह से परिभाषित है और आमतौर पर मैट्रिक्स गठन के दौरान महत्वपूर्ण संरचनात्मक परिवर्तनों से नहीं गुजरती है, बेहतर संरचना-संपत्ति भविष्यवाणियां संभव हैं। इसके अलावा, निर्माण खंडों को इस तरह से डिज़ाइन किया जा सकता है कि सामग्री के निर्माण में सबसे अच्छा प्रदर्शन दिया जा सके, उदाहरण के लिए सतह समूहों द्वारा कार्बनिक मोनोमर्स में अकार्बनिक यौगिकों की अच्छी घुलनशीलता मोनोमर्स के समान ध्रुवीयता दिखाती है। हाल के वर्षों में कई निर्माण खंडों को संश्लेषित किया गया है और संकर सामग्री की तैयारी के लिए उपयोग किया गया है। रसायनशास्त्री इन यौगिकों को अत्यधिक परिष्कृत विधियों के साथ आणविक पैमाने पर डिजाइन कर सकते हैं और परिणामी प्रणालियों का उपयोग कार्यात्मक संकर सामग्री के निर्माण के लिए किया जाता है। भविष्य के कई अनुप्रयोग, विशेष रूप से नैनो प्रौद्योगिकी में, एक निचले स्तर के दृष्टिकोण पर ध्यान केंद्रित करते हैं जिसमें जटिल संरचनाएं इन छोटे निर्माण खंडों द्वारा पदानुक्रमित रूप से बनाई जाती हैं। यह विचार संकर सामग्रियों में निर्माण खंड दृष्टिकोण की प्रेरक शक्तियों में से एक है। घटकों के मूल स्थान पर गठन संकर पदार्थों का मूल स्थान पर गठन सामग्री की तैयारी के दौरान उपयोग किए जाने वाले अग्रदूतों के रासायनिक परिवर्तन पर आधारित होता है। आमतौर पर ऐसा तब होता है जब कार्बनिक पॉलिमर बनते हैं, लेकिन यह भी जब अकार्बनिक घटक का उत्पादन करने के लिए सोल-जेल प्रक्रिया को लागू किया जाता है। इन मामलों में अच्छी तरह से परिभाषित असतत अणुओं को बहुआयामी संरचनाओं में बदल दिया जाता है, जो अक्सर मूल अग्रदूतों से पूरी तरह से अलग गुण दिखाते हैं। आम तौर पर सरल, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अणुओं को लागू किया जाता है और अंतिम सामग्री की आंतरिक संरचना इन अग्रदूतों की संरचना से निर्धारित होती है, लेकिन प्रतिक्रिया स्थितियों से भी निर्धारित होती है। इसलिए, बाद वाले पर नियंत्रण इस प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम है। एक पैरामीटर को बदलने से अक्सर दो बहुत अलग-अलग सामग्री हो सकती हैं। यदि, उदाहरण के लिए, अकार्बनिक प्रजाति सोल-जेल प्रक्रिया द्वारा बनाई गई सिलिका व्युत्पन्न है, तो क्षार से अम्ल उत्प्रेरण में परिवर्तन एक बड़ा अंतर लाता है क्योंकि क्षार उत्प्रेरण अधिक कण जैसी सूक्ष्म संरचना की ओर ले जाता है जबकि अम्ल उत्प्रेरण बहुलक जैसी सूक्ष्म संरचना की ओर ले जाता है। इसलिए, व्युत्पन्न सामग्रियों का अंतिम प्रदर्शन दृढ़ता से उनके प्रसंस्करण और इसके अनुकूलन पर निर्भर करता है। अकार्बनिक पदार्थों के मूल स्थान पर निर्माण में कई शास्त्रीय अकार्बनिक ठोस अवस्था सामग्री ठोस अग्रदूतों और उच्च तापमान प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाई जाती हैं, जो अक्सर कार्बनिक समूहों की उपस्थिति के साथ संगत नहीं होती हैं क्योंकि वे ऊंचे तापमान पर विघटित होती हैं। इसलिए, ये उच्च तापमान प्रक्रियाएं संकर पदार्थों के मूल स्थान पर गठन के लिए उपयुक्त नहीं हैं। नियोजित प्रतिक्रियाओं में समाधानों में शास्त्रीय सहसंयोजक बंधन निर्माण की अधिक विशेषता होनी चाहिए। इन मांगों को पूरा करने वाली सबसे प्रमुख प्रक्रियाओं में से एक सोल-जेल प्रक्रिया है। हालांकि, इस तरह की कम तापमान प्रक्रियाएं अक्सर ऊष्मागतिकी रूप से सबसे स्थिर संरचना की ओर नहीं ले जाती हैं, बल्कि गतिज उत्पादों की ओर ले जाती हैं, जिनका प्राप्त संरचनाओं पर कुछ प्रभाव पड़ता है। उदाहरण के लिए, कम तापमान से प्राप्त अकार्बनिक पदार्थ अक्सर अनाकार होते हैं या क्रिस्टलीकरण केवल बहुत कम लंबाई के पैमाने पर देखा जाता है, अर्थात। नैनोमीटर की सीमा। उत्तरार्द्ध का एक उदाहरण धातु लवण या ऑर्गेनोमेटेलिक अग्रदूतों की कमी द्वारा कार्बनिक या अकार्बनिक मैट्रिक्स में धातु नैनोपार्टिकल्स का गठन है। अकार्बनिक पदार्थों के मूल स्थान पर निर्माण के कुछ तरीके हैंः सोल-जेल प्रक्रिया गैर-हाइड्रोलाइटिक सोल-जेल प्रक्रिया गैर-सिलिकेट्स की सोल-जेल प्रतिक्रियाएं पूर्व-निर्मित अकार्बनिक पदार्थों की उपस्थिति में कार्बनिक पॉलिमर का निर्माण यदि कार्बनिक बहुलककरण एक अकार्बनिक सामग्री की उपस्थिति में होता है जो संकर सामग्री बनाता है तो दोनों प्रजातियों की असंगतता को दूर करने के लिए कई संभावनाओं के बीच अंतर करना पड़ता है। अकार्बनिक सामग्री में या तो कोई सतह कार्यात्मकता नहीं हो सकती है, लेकिन खाली सामग्री की सतह हो सकती है; इसे गैर-प्रतिक्रियाशील कार्बनिक समूहों (जैसे। एल्किल श्रृंखलाएँ); या इसमें प्रतिक्रियाशील सतह समूह हो सकते हैं जैसे कि बहुलक कार्यात्मकताएँ। इन पूर्व शर्तों के आधार पर सामग्री का पूर्व उपचार किया जा सकता है, उदाहरण के लिए एक शुद्ध अकार्बनिक सतह को कार्बनिक मोनोमर्स के साथ संगत बनाने के लिए सर्फैक्टेंट या सिलेन युग्मन एजेंटों के साथ इलाज किया जा सकता है, या कार्यात्मक मोनोमर्स जोड़े जा सकते हैं जो अकार्बनिक सामग्री की सतह के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। यदि अकार्बनिक घटक की सतह से गैर-प्रतिक्रियाशील कार्बनिक समूह जुड़े हुए हैं और इसे एक मोनोमर में विघटित किया जा सकता है जिसे बाद में बहुलक बनाया जाता है, तो कार्बनिक बहुलककरण के बाद परिणामी सामग्री एक मिश्रण है। इस मामले में अकार्बनिक घटक कार्बनिक बहुलक के साथ केवल कमजोर या बिल्कुल भी परस्पर क्रिया नहीं करते हैं; इसलिए, एक वर्ग I सामग्री बनती है। इस मामले में सजातीय सामग्री केवल तभी प्राप्त की जाती है जब कार्बनिक वातावरण में अकार्बनिक घटकों के एकत्रीकरण को रोका जाता है। यह तब प्राप्त किया जा सकता है जब अकार्बनिक घटकों और मोनोमर्स के बीच बातचीत बेहतर हो या कम से कम अकार्बनिक घटकों के बीच के समान हो। हालांकि, यदि कोई मजबूत रासायनिक अंतःक्रिया नहीं बनती है, तो एक बार सजातीय सामग्री की दीर्घकालिक स्थिरता परिणामी संकर सामग्री में प्रसार प्रभावों के कारण संदिग्ध है। घटकों के बीच संबंधित अंतःक्रिया जितनी मजबूत होगी, अंतिम सामग्री उतनी ही अधिक स्थिर होगी। सबसे मजबूत अंतःक्रिया तब प्राप्त की जाती है जब वर्ग II सामग्री बनाई जाती है, उदाहरण के लिए सहसंयोजक अंतःक्रिया के साथ। दोनों घटकों के एक साथ गठन से संकर सामग्री अकार्बनिक और कार्बनिक पॉलिमर के एक साथ गठन के परिणामस्वरूप सबसे सजातीय प्रकार के अंतःप्रवेश नेटवर्क बन सकते हैं। आम तौर पर सोल-जेल प्रक्रिया के लिए अग्रदूतों को कार्बनिक बहुलककरण के लिए मोनोमर्स के साथ मिलाया जाता है और दोनों प्रक्रियाओं को एक ही समय में विलायक के साथ या उसके बिना किया जाता है। इस विधि को लागू करते हुए, तीन प्रक्रियाएं एक-दूसरे के साथ प्रतिस्पर्धा कर रही हैंः (ए) अकार्बनिक चरण बनाने वाले हाइड्रोलिसिस और संघनन की गतिविज्ञान, (बी) कार्बनिक चरण के बहुलककरण की गतिविज्ञान, और (सी) दो चरणों के बीच चरण पृथक्करण की ऊष्मागतिकी। दो बहुलकीकरणों के गतिविज्ञान को इस तरह से सिलने से कि वे एक साथ और तेजी से पर्याप्त रूप से होते हैं, चरण पृथक्करण से बचा जाता है या कम किया जाता है। जैसा कि ऊपर वर्णित है, दोनों देशों के बीच आकर्षक अंतःक्रियाओं जैसे अतिरिक्त मापदंडों का उपयोग चरण पृथक्करण से बचने के लिए भी किया जा सकता है। एक समस्या जो दोनों नेटवर्कों के एक साथ बनने से भी उत्पन्न होती है, वह है सोल-जेल स्थितियों के लिए कई कार्बनिक बहुलककरण प्रक्रियाओं की संवेदनशीलता या बनाई गई सामग्री की संरचना। आयनिक पोलीमराइजेशन, उदाहरण के लिए, अक्सर सोल-जेल प्रक्रिया में बने अग्रदूतों या मध्यवर्ती के साथ बातचीत करते हैं। इसलिए, वे आमतौर पर इन प्रतिक्रियाओं में लागू नहीं होते हैं। अनुप्रयोग संकर कोटिंग्स में कार्बनिक रंगों के एम्बेडिंग द्वारा प्राप्त सजावटी कोटिंग्स। हाइड्रोफोबिक या एंटी-फॉगिंग गुणों के साथ खरोंच-प्रतिरोधी कोटिंग्स। प्रकाश उत्सर्जक डायोड, फोटोडायोड, सौर कोशिका, गैस संवेदक और क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर सहित इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक अनुप्रयोगों के लिए नैनोकंपोजिट आधारित उपकरण। निर्माण उद्योग के लिए अग्निरोधी सामग्री। नैनोकम्पोजिट आधारित दंत भराव सामग्री। सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी या सुपरकैपेसिटर जैसे अनुप्रयोगों के लिए समग्र इलेक्ट्रोलाइट सामग्री। ईंधन कोशिकाओं में प्रयुक्त प्रोटॉन संवाहक झिल्ली। एंटीस्टैटिक/एंटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्स जंग सुरक्षा झरझरा संकर सामग्री संदर्भ गुइडो किकलबिक (संपादक), संकर सामग्रीः संश्लेषण, विशेषता और अनुप्रयोग, विली, अकार्बनिक-कार्बनिक संकर सामग्री नैनोमटेरियल्स समग्र सामग्री