Polyelectrolyte adsorption
ठोस सब्सट्रेट पर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स का अवशोषण एक सतह की घटना है जहां आवेशित समूहों (पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स नामक) के साथ लंबे समय तक जंजीर वाले बहुलक अणु एक ऐसी सतह से जुड़ते हैं जो विपरीत ध्रुवीयता में आवेशित होती है। आणविक स्तर पर, पॉलिमर वास्तव में सतह से नहीं जुड़ते हैं, लेकिन अंतःआण्विक बलों और बहुलक के विभिन्न पार्श्व समूहों के पृथक्करण द्वारा बनाए गए आवेशों के माध्यम से सतह पर "चिपकने" की प्रवृत्ति रखते हैं। चूंकि बहुलक अणु इतने लंबे होते हैं, इसलिए उनके पास सतह से संपर्क करने के लिए सतह क्षेत्र की एक बड़ी मात्रा होती है और इस प्रकार वे अवशोषित नहीं होते हैं क्योंकि छोटे अणुओं के ऐसा करने की संभावना होती है। इसका मतलब है कि पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स की अधिशोषित परतें एक बहुत ही टिकाऊ परत बनाती हैं। पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परतों की इस महत्वपूर्ण विशेषता के कारण उनका व्यापक रूप से उद्योग में फ्लोक्यूलैंट के रूप में, घुलनशीलता के लिए, सुपरसॉर्बर्स, एंटीस्टैटिक एजेंटों के रूप में, तेल पुनर्प्राप्ति सहायक के रूप में, पोषण में जेलिंग सहायक के रूप में, कंक्रीट में योजक, या रक्त संगतता बढ़ाने के लिए उपयोग किया जाता है। एक ठोस सतह के घोल में पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के अधिशोषण व्यवहार के लिए परत निर्माण मॉडल की गतिकी अत्यंत स्थितिजन्य होती है। विभिन्न पॉलीइलेक्ट्रोलाइट चरित्र और सांद्रता, विलयन की आयनिक शक्ति, ठोस सतह चरित्र और पीएच, कई अन्य कारकों के आधार पर काफी अलग-अलग व्यवहार प्रदर्शित किए जाते हैं। ये जटिल मॉडल सटीक मॉडल बनाने के लिए कुछ मापदंडों के लिए अनुप्रयोग द्वारा विशिष्ट हैं। हालांकि, प्रक्रिया के सामान्य चरित्र को समाधान में एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट के साथ यथोचित रूप से अच्छी तरह से मॉडल किया जा सकता है, और एक विपरीत रूप से आवेशित सतह जहां सतह और श्रृंखला के बीच कोई सहसंयोजक बातचीत नहीं होती है। एक आवेशित सतह पर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की अधिशोषित मात्रा के लिए यह मॉडल डी. एल. वी. ओ. सिद्धांत से लिया गया है, जो समाधान में आवेशित कणों की अंतःक्रिया को मॉडल करता है, और माध्य क्षेत्र सिद्धांत, जो विश्लेषण के लिए प्रणालियों को सरल बनाता है। एक संशोधित पॉइसन-बोल्ट्जमैन समीकरण और माध्य क्षेत्र समीकरण का उपयोग करके, एक आवेशित सतह के पास एकाग्रता प्रोफ़ाइल को संख्यात्मक रूप से हल किया जाता है। इन समीकरणों के समाधान से अधिशोषित मात्रा के लिए एक सरल संबंध प्राप्त होता है, जो इलेक्ट्रोलाइट चार्ज अंश, ρ और थोक नमक सांद्रता पर आधारित है। कम सतह क्षमता कहाँ हैः और ब्जेरम लंबाई हैः परत-दर-परत अधिशोषण चूंकि चार्ज पॉलीइलेक्ट्रोलाइट अधिशोषण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, इसलिए चार्ज की गई सतहों पर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट अधिशोषण की प्रारंभिक दरें अक्सर तेज होती हैं, जो केवल सतह पर द्रव्यमान-परिवहन (प्रसार) की दर से सीमित होती हैं। यह उच्च दर तब जल्दी से कम हो जाती है क्योंकि सतह पर आवेश संचय होता है, और आकर्षक बल अब अधिक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट श्रृंखलाओं को सतह पर नहीं खींच रहे हैं। अधिशोषण दरों में इस गिरावट का मुकाबला शुल्क अति-क्षतिपूर्ति की प्रवृत्ति का फायदा उठाकर किया जा सकता है। नकारात्मक रूप से आवेशित ठोस सतह के मामले में, कैशनिक पॉलीइलेक्ट्रोलेट श्रृंखलाओं को विपरीत आवेशित सतह पर अवशोषित किया जाता है। उनके बड़े आकार और उच्च आवेश घनत्व मूल नकारात्मक सतह आवेश की अधिक भरपाई करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कैशनिक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के कारण शुद्ध धनात्मक आवेश होता है। यह ठोस सतह, अपनी कैशनिक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट फिल्म और परिणामी सकारात्मक सतह आवेश के साथ, फिर एक आयनिक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट समाधान के संपर्क में आ सकती है, जहां प्रक्रिया फिर से शुरू होती है, जिससे एक विपरीत आवेशित सतह के साथ एक और परत बनती है। इस प्रक्रिया को फिर ठोस सतह पर कई परतें बनाने के लिए दोहराया जा सकता है। सामग्री के प्रभाव और घोल की गुणवत्ता पॉलीइलेक्ट्रोलाइट अधिशोषण की प्रभावशीलता घोल की सामग्री और उस विलायक की गुणवत्ता से बहुत प्रभावित होती है जिसमें पॉलीइलेक्ट्रोलाइट घुल जाते हैं। जिन प्राथमिक तंत्रों द्वारा विलायक सतह-पॉलिमर इंटरफेस की अधिशोषण विशेषताओं को प्रभावित करता है, वे हैं विलायक का परावैद्युत प्रभाव, विलायक में रासायनिक प्रकृति या प्रजातियों द्वारा सुगम स्टेरिक आकर्षण या प्रतिकर्षण, और इसका तापमान। प्रतिकारक स्टेरिक बल एन्ट्रापी पर आधारित होते हैं और बहुलक श्रृंखलाओं के कम विन्यास एन्ट्रापी के कारण होते हैं। किसी विशेष पॉलीइलेक्ट्रोलाइट विलयन द्वारा प्रदर्शित अंतःक्रिया को सटीक रूप से मॉडल करना मुश्किल है क्योंकि स्टेरिक बल बहुलक और विलायक दोनों के साथ-साथ विलयन में मौजूद किसी भी आयनिक प्रजाति के रासायनिक बनावट के संयोजन पर निर्भर करते हैं। विलायक का विकल्प एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट और विलायक के बीच परस्पर क्रिया जो इसे रखा जाता है, घोल में और सब्सट्रेट पर जमा होने पर बहुलक के अनुरूपण पर एक बड़ा प्रभाव डालता है। अपनी अनूठी प्रकृति के कारण, पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के पास सॉल्वैंट्स के लिए कई विकल्प हैं जिनमें पॉलीइथिलीन, स्टाइरीन और अन्य जैसे पारंपरिक पॉलिमर घुलनशील नहीं होंगे। इसका एक उत्कृष्ट उदाहरण पानी है। जबकि पानी एक उच्च-ध्रुवीय विलायक है, फिर भी यह कई पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स को भंग कर देगा। विलयन में एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की संरचना विलायक और बहुलक के बीच (आमतौर पर प्रतिकूल) अंतःक्रियाओं के संतुलन और बहुलक की व्यक्तिगत दोहराव इकाइयों के बीच स्थिरविद्युत प्रतिकर्षण द्वारा निर्धारित की जाती है। यह सुझाव दिया गया है कि एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट श्रृंखला अपनी ऊर्जा को अनुकूलित करने के लिए एक लंबा बेलनाकार गोलाकार बनाएगी। कुछ मॉडल आगे बढ़ते हैं और मानते हैं कि सबसे कुशल विन्यास बेलनाकार ग्लोब्यूल की एक श्रृंखला है जो "हार" विन्यास में बहुत बड़े व्यास के गोलाकार ग्लोब्यूल को जोड़ती है। अच्छा विलायक एक अच्छे विलायक में, बहुलक और विलायक की दोहराए जाने वाली इकाइयों के बीच स्थिरविद्युत बल अनुकूल होते हैं। जबकि पूरी तरह से सहज ज्ञान नहीं है, यह बहुलक को अधिक कसकर पैक संरचना ग्रहण करने का कारण बनता है। यह पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की आवेशित पुनरावृत्ति इकाइयों के बीच प्रदर्शन करने वाले विलायक अणुओं की जांच के कारण होता है, जिससे पॉलिमर श्रृंखला के अनुभवों में स्थिरविद्युत प्रतिकर्षण कम हो जाता है। चूँकि बहुलक रीढ़ की हड्डी खुद को उतनी मजबूती से पीछे नहीं हटाती है जितनी वह एक खराब विलायक में करती है, इसलिए बहुलक श्रृंखला एक असंभारित बहुलक के समान ही कार्य करती है, एक कॉम्पैक्ट संरचना मानते हुए। खराब विलायक एक खराब विलायक में, विलायक अणु पॉलीइलेक्ट्रोलाइट के आवेशित भागों के साथ खराब या प्रतिकूल रूप से बातचीत करते हैं। विलायक की दोहराए जाने वाली इकाइयों के बीच आवेशों की प्रभावी ढंग से जांच करने में असमर्थता के कारण बहुलक अपनी दोहराए जाने वाली इकाइयों के विद्युतस्थैतिक प्रतिकर्षण के कारण एक कमजोर संरचना ग्रहण करता है। ये अंतःक्रियाएँ बहुलक को सब्सट्रेट पर अधिक समान रूप से जमा करने की अनुमति देती हैं। नमक की सांद्रता जब एक आयनिक यौगिक विलायक में घुल जाता है, तो आयन पॉलीइलेक्ट्रोलाइट श्रृंखलाओं पर आवेशों की जांच करने के लिए कार्य करते हैं। विलयन की आयनिक सांद्रता पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की परत निर्माण विशेषताओं के साथ-साथ विलयन में बहुलक द्वारा ग्रहण की गई संरचना को निर्धारित करेगी। उच्च नमक सांद्रता एक अनुकूल विलायक में एक बहुलक द्वारा अनुभव की जाने वाली अंतःक्रियाओं के समान स्थितियों का कारण बनती है। पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स, जबकि आवेशित होते हैं, अभी भी मुख्य रूप से कार्बन रीढ़ के साथ गैर-ध्रुवीय होते हैं। जबकि बहुलक रीढ़ की हड्डी पर आवेश एक विद्युतस्थैतिक बल लगाता है जो बहुलक को अधिक खुले और ढीले अनुरूपण में ले जाता है, यदि आसपास के घोल में नमक की उच्च सांद्रता है, तो आवेश प्रतिकर्षण की जांच की जाएगी। एक बार जब इस आवेश की जांच की जाती है तो पॉलीइलेक्ट्रोलाइट उच्च आयनिक शक्ति वाले घोल में किसी अन्य गैर-ध्रुवीय बहुलक के रूप में कार्य करेगा और विलायक के साथ बातचीत को कम करना शुरू कर देगा। इससे सतह पर बहुत अधिक गुच्छेदार और घने बहुलक जमा हो जाते हैं। कम नमक कम आयनिक शक्ति वाले घोल में, बहुलक की दोहराए जाने वाली इकाइयों पर मौजूद आवेश संरचना को नियंत्रित करने वाले प्रमुख बल होते हैं। चूँकि दोहराए जाने वाली इकाइयों के बीच प्रतिकारक अंतःक्रियाओं को जांचने के लिए बहुत कम आवेश मौजूद होता है, इसलिए बहुलक एक बहुत ही फैला हुआ, ढीला अनुरूपण मानता है। यह संरचना सब्सट्रेट पर अधिक समान परत के लिए अनुमति देती है, जो सतह दोषों और गैर-समान सतह गुणों को रोकने में सहायक है। पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परतों के औद्योगिक उपयोग पॉलीइलेक्ट्रोलाइट को विभिन्न प्रकार के आयनिक पॉलिमर उपलब्ध होने के कारण कई प्रकार की सतहों पर लागू किया जा सकता है। उन्हें विभिन्न प्रकार के डिजाइन उद्देश्यों को पूरा करने के लिए बहु-परत के रूप में ठोस सतहों पर लागू किया जा सकता है, उनका उपयोग एक कोलॉइडल प्रणाली की स्थिरता को बढ़ाने के लिए ठोस कणों को घेरने के लिए किया जा सकता है, और उन्हें एक स्वतंत्र संरचना बनाने के लिए भी इकट्ठा किया जा सकता है जिसका उपयोग पूरे मानव शरीर में दवाओं को ले जाने के लिए किया जा सकता है। पॉलिमर कोटिंग्स पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बहु-परतें पॉलिमर कोटिंग उद्योग में अनुसंधान का एक आशाजनक क्षेत्र है क्योंकि उन्हें पानी आधारित विलायक में कम लागत पर स्प्रे-ऑन फैशन में लगाया जा सकता है। यद्यपि पॉलिमर केवल स्थिरविद्युत बलों द्वारा सतह पर रखे जाते हैं, बहु-परत परतें तरल कतरनी के तहत आक्रामक रूप से चिपक जाती हैं। इस कोटिंग तकनीक का नुकसान यह है कि परतों में एक जेल की स्थिरता होती है और इस प्रकार घर्षण के खिलाफ कमजोर होती हैं। वैज्ञानिकों द्वारा क्षरण को रोकने के लिए परत-दर-परत अनुप्रयोग विधि का उपयोग करके स्टेनलेस स्टील को कोट करने के लिए स्टेनलेस स्टील के क्षरण प्रतिरोध पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया गया है। सटीक तंत्र जिसके द्वारा जंग को प्रतिबंधित किया जाता है, अज्ञात है क्योंकि पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बहु-परतें पानी से भरी होती हैं और जेल जैसी स्थिरता की होती हैं। एक सिद्धांत यह है कि परतें छोटे आयनों के लिए अभेद्य बाधा बनाती हैं जो स्टील के क्षरण को सुविधाजनक बनाती हैं। इसके अतिरिक्त, बहु-परत फिल्म के भीतर पानी के अणु पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के आयनिक समूहों द्वारा एक प्रतिबंधित स्थिति में रखे जाते हैं। इससे इस्पात की सतह पर पानी की रासायनिक गतिविधि कम हो जाती है। प्रत्यारोपण वृद्धि कई जैव चिकित्सा उपकरण जो शारीरिक तरल पदार्थों के संपर्क में आते हैं, वे प्रतिकूल विदेशी शरीर प्रतिक्रिया, या अस्वीकृति के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं और इस प्रकार, उपकरण की विफलता। संक्रमण का मुख्य तंत्र एक बायोफिल्म का निर्माण है, जो द्रव्यमान द्वारा लगभग 15 प्रतिशत जीवाणु कोशिकाओं और 85 प्रतिशत हाइड्रोफोबिक एक्सोपॉलीसेकेराइड फाइबर से युक्त सेसिल बैक्टीरिया का एक मैट्रिक्स है। इस जोखिम को समाप्त करने का एक तरीका प्रत्यारोपण के आसपास के क्षेत्र में स्थानीय उपचार लागू करना है। यह प्रत्यारोपण से पहले चिकित्सा उपकरण पर एक दवा-संवर्धित पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बहु-परत लगाकर किया जा सकता है। इस तकनीक के साथ लक्ष्य पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बहु-परतों का एक संयोजन बनाना है जहां एक बहु-परत एक बायोफिल्म के गठन को रोकती है और दूसरी प्रसार के माध्यम से एक छोटी-अणु दवा जारी करती है। यह शरीर में दवाओं की उच्च खुराक छोड़ने और पीड़ित क्षेत्र में जाने के लिए उनमें से कुछ पर भरोसा करने की वर्तमान तकनीक की तुलना में अधिक प्रभावी होगा। प्रत्यारोपण के लिए एक प्रभावी परत के लिए आधार परत डी. एम. एल. पी. ई. आई./पी. ए. ए., या रैखिक एन, एन-डोडेसिल, मिथाइल-पॉली (एथिलीनीमाइन)/पॉली (ऐक्रेलिक एसिड) है। कोलॉइड स्थिरता पॉलीइलेक्ट्रोलाइट अधिशोषण के प्रमुख अनुप्रयोगों में से एक ठोस कोलॉइडल निलंबन, या सोल्स का स्थिरीकरण (या अस्थिरता) है। विलयन में कणों में वैन डेर वाल्स बलों के समान आकर्षक बल होते हैं, जो हैमेकर सिद्धांत द्वारा मॉडल किए गए हैं। ये बल कोलॉइडल कणों को एकत्रित या फ्लोक्युलेट करने का कारण बनते हैं। हैमेकर आकर्षक प्रभाव घोल में कोलॉइड के एक या दो प्रतिकारक प्रभावों से संतुलित होता है। पहला इलेक्ट्रोस्टैटिक स्थिरीकरण है, जिसमें कणों के आवेश एक दूसरे को पीछे हटाते हैं। यह प्रभाव जीटा क्षमता के कारण होता है जो विलयन में एक कण के सतह आवेश के कारण मौजूद होता है। दूसरा स्टेरिक प्रभाव के कारण स्टेरिक स्थिरीकरण है। अवशोषित बहुलक श्रृंखलाओं के साथ कणों को एक साथ खींचने से सतह पर बहुलक श्रृंखलाओं की संरचनात्मक एन्ट्रापी बहुत कम हो जाती है, जो थर्मोडायनामिक रूप से प्रतिकूल होती है, जिससे फ्लोक्यूलेशन और जमावट अधिक कठिन हो जाती है। पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के अधिशोषण का उपयोग निलंबन को स्थिर करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि रंगों और रंगों के मामले में। इसका उपयोग कण सतह पर विपरीत आवेशित श्रृंखलाओं को अवशोषित करके, जीटा-क्षमता को बेअसर करके और प्रदूषकों के फ्लोकुलेशन या जमावट का कारण बनकर निलंबन को अस्थिर करने के लिए भी किया जा सकता है। इसका उपयोग अपशिष्ट जल उपचार में दूषित पदार्थों के निलंबन को फ्लोक्युलेट करने के लिए मजबूर करने के लिए किया जाता है, जिससे उन्हें फ़िल्टर किया जा सके। विभिन्न प्रकार के औद्योगिक फ्लोक्यूलैंट हैं जो विशेष प्रजातियों को लक्षित करने के लिए या तो कैशनिक या आयनिक प्रकृति के होते हैं। तरल कोर का एनकैप्सुलेशन एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बहु-परत अतिरिक्त स्थिरता का एक अनुप्रयोग एक कोलॉइड प्रदान करेगा जो एक तरल कोर के लिए एक ठोस परत का निर्माण है। जबकि पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परतें आम तौर पर ठोस सब्सट्रेट पर अवशोषित होती हैं, वे पानी के पायस या कोलॉइड में तेल जैसे तरल सब्सट्रेट में भी अवशोषित हो सकती हैं। इस प्रक्रिया में बहुत संभावना है, लेकिन यह कठिनाई से भरी हुई है। चूँकि कोलॉइड आम तौर पर सर्फैक्टेंट और अक्सर आयनिक सर्फैक्टेंट द्वारा स्थिर होते हैं, एक बहु-परत का अधिशोषण जो समान रूप से सर्फैक्टेंट से चार्ज होता है, पॉलीइलेक्ट्रोलाइट और सर्फैक्टेंट के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के कारण समस्याओं का कारण बनता है। गैर-आयनिक सर्फैक्टेंट्स का उपयोग करके इसे दरकिनार किया जा सकता है; हालाँकि, आयनिक सर्फैक्टेंट्स की तुलना में पानी में इन गैर-आयनिक सर्फैक्टेंट्स की घुलनशीलता बहुत कम हो जाती है। एक बार बनाए जाने के बाद, इन कोर का उपयोग दवा वितरण और माइक्रोरिएक्टर जैसी चीजों के लिए किया जा सकता है। दवा वितरण के लिए, पॉलीइलेक्ट्रोलाइट खोल एक निश्चित समय के बाद टूट जाएगा, दवा को छोड़ देगा और इसे पाचन तंत्र के माध्यम से यात्रा करने में मदद करेगा, जो दवा वितरण की प्रभावशीलता के लिए सबसे बड़ी बाधाओं में से एक है। संदर्भ सामग्री विज्ञान