Covalent adaptable network
کوولینٹ موافقت پذیر نیٹ ورک (سی اے این) ایک قسم کا پولیمر مواد ہے جو تھرموسیٹنگ پولیمر (تھرموسیٹس) سے ملتا جلتا ہے۔ تاہم، وہ پولیمر نیٹ ورک میں متحرک کوولینٹ کیمسٹری کو شامل کرکے تھرموسیٹس سے ممتاز ہیں۔ جب مواد پر محرک (مثال کے طور پر حرارت، روشنی، پی ایچ،) لگایا جاتا ہے، تو یہ متحرک بند فعال ہو جاتے ہیں اور دوسرے زیر التواء فعال گروپوں کے ساتھ ٹوٹ سکتے ہیں یا ان کا تبادلہ کیا جا سکتا ہے، جس سے پولیمر نیٹ ورک اپنی ٹوپولوجی کو تبدیل کر سکتا ہے۔ یہ تھرموسیٹ جیسے مواد میں نئی شکل، (دوبارہ) پروسیسنگ اور ری سائیکلنگ متعارف کراتا ہے۔ پس منظر تاریخی طور پر، پولیمر مواد کو ہمیشہ ان کے تھرمو مکینیکل رویے کی بنیاد پر دو زمروں میں تقسیم کیا گیا ہے۔ تھرمو پلاسٹک پولیمر مواد گرم کرنے پر پگھل جاتا ہے اور چپچپا مائع بن جاتا ہے، جبکہ تھرموسیٹنگ پولیمر مواد کراس لنکنگ کے نتیجے میں ٹھوس رہتا ہے۔ تھرموپلاسٹک طویل پولیمر زنجیروں پر مشتمل ہوتے ہیں جو خدمت کے درجہ حرارت پر سخت ہوتے ہیں لیکن بڑھتے ہوئے درجہ حرارت کے ساتھ نرم ہو جاتے ہیں۔ کم درجہ حرارت پر، پولیمر زنجیروں کی سالماتی حرکت زنجیروں کی پیچیدگیوں کی وجہ سے محدود ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں ایک سخت اور شیشے والا مواد بنتا ہے۔ درجہ حرارت میں اضافہ شیشے کے منتقلی کے درجہ حرارت (ٹی جی) پر سخت سے نرم مادے میں منتقلی کا باعث بنے گا جس سے وسکو-لچکدار مائع حاصل ہوگا۔ (نیم) کرسٹل لائن پولیمر مواد کے معاملے میں، چپچپا بہاؤ اس وقت حاصل ہوتا ہے جب پگھلنے کا نقطہ (Tm) تک پہنچ جاتا ہے اور ترتیب شدہ کرسٹل لائن ڈومین میں بین سالماتی قوتوں پر قابو پایا جاتا ہے۔ تھرموپلاسٹک ٹھنڈا ہونے پر اپنی ٹھوس خصوصیات کو دوبارہ حاصل کرتے ہیں اور اس طرح پولیمر پروسیسنگ کے طریقوں جیسے اخراج اور انجیکشن مولڈنگ کے ذریعے انہیں نئی شکل دی جا سکتی ہے اور انہیں ری سائیکل بھی کیا جا سکتا ہے۔ تھرمو پلاسٹک پولیمر کی مثالیں پولی سٹائرین، پولی کاربونیٹ، پولی تھیلین، نایلان، ایکریلونیٹریئل بیوٹاڈین اسٹائرین (اے بی ایس) وغیرہ ہیں۔ دوسری طرف تھرموسیٹ تین جہتی نیٹ ورک ہیں جو کثیر فعال مرکبات کے مستقل کیمیائی کراس لنکنگ کے ذریعے تشکیل پاتے ہیں۔ یہ ایک ناقابل واپسی عمل ہے جس کے نتیجے میں زیادہ تر تھرموپلاسٹک کے مقابلے میں اعلی خصوصیات کے ساتھ ناقابل تحلیل اور اگھلنشیل پولیمر نیٹ ورک ہوتے ہیں۔ جب تھرموسیٹ کو گرمی کا سامنا کرنا پڑتا ہے، تو یہ اپنے جہتی استحکام کو برقرار رکھتا ہے اور اس طرح اسے نئی شکل نہیں دی جا سکتی۔ یہ پولیمر مواد عام طور پر مطالبہ ایپلی کیشنز کے لیے استعمال ہوتے ہیں (مثال کے طور پر۔ ونڈ ٹربائنز، ایرو اسپیس، وغیرہ) جس کے لیے کیمیائی مزاحمت، جہتی استحکام اور اچھی مکینیکل خصوصیات کی ضرورت ہوتی ہے۔ عام تھرموسیٹنگ مواد میں ایپوکسی رال، پالئیےسٹر رال، پولی یوریتھینس وغیرہ شامل ہیں۔ پائیداری کے فریم ورک میں، متحرک بانڈز کے تعارف کے ذریعے تھرموسیٹس کی مکینیکل خصوصیات کا تھرموپلاسٹک کی دوبارہ پروسیسنگ کے ساتھ امتزاج متعدد تحقیقی مطالعات کا موضوع رہا ہے۔ غیر ہم آہنگ تعاملات جیسے ہائیڈروجن بانڈنگ، پائی اسٹیکنگ یا کرسٹلائزیشن کا استعمال جو پولیمر زنجیروں کے درمیان جسمانی کراس لنکس کا باعث بنتا ہے، متحرک کراس لنکنگ کو متعارف کرانے کا ایک طریقہ ہے۔ فزیکل کراس لنکس کی تھرمورورسیبل نوعیت کے نتیجے میں پولیمر مواد بہتر مکینیکل خصوصیات کے ساتھ دوبارہ پروسیسنگ کو کھونے کے بغیر ہوتا ہے۔ ان فزیکل نیٹ ورکس کی خصوصیات استعمال شدہ ریڑھ کی ہڈی اور غیر ہم آہنگ تعاملات کی قسم پر بہت زیادہ منحصر ہوتی ہیں، لیکن عام طور پر وہ کم درجہ حرارت پر ٹوٹے ہوئے ہوتے ہیں اور ٹی جی کے اوپر لچکدار یا ربڑ بن جاتے ہیں۔ مزید گرم کرنے پر، فزیکل کراس لنکس غائب ہو جاتے ہیں اور مواد وسکو-لچکدار مائع کے طور پر برتاؤ کرتا ہے، جس سے اسے دوبارہ پروسیس کیا جا سکتا ہے۔ ان مواد کو تھرمو پلاسٹک ایلسٹومر بھی کہا جاتا ہے۔ کوولینٹ موافقت پذیر نیٹ ورک (سی اے این) اس کے بجائے متحرک کوولینٹ بانڈز کا استعمال کرتے ہیں جو بیرونی محرک، عام طور پر حرارت یا روشنی کے اطلاق پر تبادلے کے رد عمل سے گزرنے کے قابل ہوتے ہیں۔ محرک کی عدم موجودگی میں، یہ مواد تھرموسیٹس کے طور پر برتاؤ کرتے ہیں، جو اعلی کیمیائی مزاحمت اور جہتی استحکام کو ظاہر کرتے ہیں، لیکن جب محرک کا اطلاق ہوتا ہے، تو متحرک بانڈز فعال ہو جاتے ہیں، جس سے نیٹ ورک اپنی ٹوپولوجی کو سالماتی سطح پر دوبارہ ترتیب دے سکتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، یہ مواد مستقل شکلوں سے گزرنے کے قابل ہوتے ہیں، جس سے دوبارہ تشکیل، دوبارہ پروسیسنگ، خود شفا یابی وغیرہ ممکن ہوتی ہے۔ اس طرح، سی اے این کو تھرموسیٹس اور تھرموپلاسٹک کے درمیان ایک درمیانی پل کے طور پر دیکھا جا سکتا ہے۔ 2011 میں، فرانسیسی محقق لڈویک لیبلر کے تحقیقی گروپ نے ایسوسی ایٹیو ایکسچینج میکانزم کی بنیاد پر سی اے این کی ایک مخصوص کلاس تیار کی (ذیلی سیکشن کی درجہ بندی دیکھیں)۔ ایپوکسی/ایسڈ پالئیسٹر پر مبنی نیٹ ورک میں ایک مناسب اتپریرک شامل کرکے، وہ ایک مستقل ایپوکسی نیٹ ورک تیار کرنے میں کامیاب ہوئے جس نے گرم کرنے پر بتدریج چپچپا پن میں کمی ظاہر کی۔ اس قسم کا طرز عمل وٹریس سلیکا کے لیے عام ہے اور نامیاتی پولیمر مواد میں اس سے پہلے کبھی نہیں دیکھا گیا تھا۔ لہذا، مصنفین نے اس قسم کے مواد کے لیے وٹریمرز کا نام متعارف کرایا۔ سی اے این کے میدان میں حالیہ پیشرفتوں نے روایتی غیر قابل تجدید تھرموسیٹنگ مواد کو کسی دن تبدیل کرنے کی صلاحیت ظاہر کی ہے۔ ادب میں دیکھی جانے والی سی اے این پر مشتمل اشاعتوں کی تیز رفتار ترقی تعلیمی اداروں کی طرف سے بڑھتی ہوئی دلچسپی کی نشاندہی کرتی ہے۔ مزید برآں، صنعت سے سی اے این میں بھی دلچسپی بڑھ رہی ہے، مثال کے طور پر، پہلی وٹریمر اسٹارٹ اپ کمپنی مالندا اور متعدد یورپی یونین کی مالی اعانت سے چلنے والے تحقیقی منصوبے جن میں تعلیمی اور صنعتی شراکت داروں (جیسے وٹریمیٹ، پیورسمارٹ اور این آئی پی یو-ای جے ڈی) کے درمیان تعاون ہے۔ درجہ بندی CANs کو فی الحال دو گروپوں میں تقسیم کیا گیا ہے، ڈس ایسوسی ایٹیو CANs اور ایسوسی ایٹیو CANs، جو بانڈ کے تبادلے کے رد عمل کے بنیادی طریقہ کار پر مبنی ہیں (یعنی۔ وہ ترتیب جس میں بانڈ کی تشکیل اور ٹوٹنا ہوتا ہے) اور اس کے نتیجے میں درجہ حرارت پر انحصار۔ ڈس ایسوسی ایٹیو کینز ڈس ایسوسی ایٹیو کینز کے تبادلے کے طریقہ کار کے لیے نئے بانڈ کی تشکیل سے پہلے بانڈ توڑنے والے واقعہ کی ضرورت ہوتی ہے (یعنی۔ ایک خاتمے/اضافے کا راستہ)۔ محرک کے اطلاق پر، توازن الگ تھلگ حالت میں منتقل ہو جاتا ہے، جس کے نتیجے میں نیٹ ورک میں کراس لنک کثافت میں عارضی طور پر کمی واقع ہوتی ہے۔ جب توازن کو جیل پوائنٹ سے نیچے منتقل ہونے کی وجہ سے متحرک بانڈز کی کافی مقدار الگ ہو جاتی ہے، تو مواد جہتی استحکام کے نقصان کا شکار ہو جائے گا اور اچانک اور شدید چپچپا کمی ظاہر کرے گا۔ محرک کو ہٹانے کے بعد، بانڈز میں اصلاح ہوتی ہے اور مثالی صورت میں، اصل کراس لنک کثافت کو بحال کیا جاتا ہے۔ کراس لنک ڈینسٹی میں یہ عارضی کمی ڈس ایسوسی ایٹیو سی اے اینز میں بہت تیز ٹوپولوجی کی دوبارہ ترتیب کو قابل بناتی ہے، جیسے کہ چپچپا بہاؤ اور تناؤ میں نرمی، جو کوولینٹی کراس لنکڈ پولیمر نیٹ ورکس کی دوبارہ پروسیسنگ کی اجازت دیتی ہے۔ مزید برآں، جداگانہ سی اے این کو اچھے سالوینٹس میں گھلنشیل کیا جا سکتا ہے۔ ایسوسی ایٹیو CANs ڈس ایسوسی ایٹیو CANs کے برعکس، ایسوسی ایٹیو CANs میں نیٹ ورک محرک کے اطلاق پر ڈی پولیمرائز نہیں ہوتے ہیں اور تقریبا مستقل کراس لنک کثافت کو برقرار رکھتے ہیں۔ یہاں، تبادلے کا طریقہ کار دوسرے بانڈ کے ٹکڑے ٹکڑے ہونے سے پہلے ایک نئے بانڈ کی تشکیل پر منحصر ہے (یعنی۔ ایک اضافہ/خاتمے کا راستہ)۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ بانڈ کا تبادلہ عارضی طور پر زیادہ کراس لنکڈ انٹرمیڈیٹ اسٹیٹ کے ذریعے ہوتا ہے۔ تاہم، عملی طور پر، یہ چھوٹا سا اضافہ اکثر نہ ہونے کے برابر ہوگا، جس کے نتیجے میں عملی طور پر مستقل کراس لنک کثافت ہوتی ہے۔ نتیجے کے طور پر، ایسوسی ایٹیو سی اے این اعلی درجہ حرارت پر بھی غیر فعال سالوینٹس میں اگھلنشیل رہتے ہیں۔ وٹریمرز کے معاملے میں، ملحقہ تبادلہ گرمی سے شروع ہوتا ہے اور ان مادوں کی چپچپا پن کیمیائی تبادلے کے رد عمل کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے، جس کی وجہ سے آرہینیئس قانون کے مطابق الٹا درجہ حرارت کے ساتھ چپچپا پن کا لکیری انحصار ہوتا ہے۔ تیز رفتار متحرک بانڈ کے تبادلے کی وجہ سے کم ہونے والی چپچپا پن ان مواد میں تناؤ میں نرمی اور نیٹ ورک ٹوپولوجی کو دوبارہ ترتیب دینے کے قابل بناتا ہے۔ ایپلی کیشنز پی یو فوم پولی یوریتھین (پی یو) فوم کی ری سائیکلنگ انتہائی ورسٹائل انجینئرنگ مواد ہے جو وسیع پیمانے پر ایپلی کیشنز جیسے گدھے، موصلیت، آٹوموٹو، جوتے اور تعمیراتی مواد کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ روایتی پی یو جھاگ کراس لنکڈ مواد یا تھرموسیٹ ہوتے ہیں۔ پی یو جھاگوں کو یا تو میکانکی طور پر ری سائیکل کیا جا سکتا ہے (جہاں پی یو جھاگوں کو پیس کر فلرز کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے)، یا کیمیائی طور پر ری سائیکل کیا جا سکتا ہے (جہاں پی یو جھاگوں کو کیمیائی انحطاط کے ذریعے پولیولز یا دیگر مونومیرک اجزاء میں ڈاؤن سائیکل کیا جاتا ہے)۔ تاہم، زیادہ تر پی یو فوم لینڈ فل پر ختم ہو جاتے ہیں۔ فی الحال، روایتی جھاگوں کے متبادل کے طور پر سی اے این کی تحقیقات کی جا رہی ہیں، جو پی یو کچرے کی آسانی سے ری سائیکلبلٹی کی اجازت دے گی۔ مثال کے طور پر، حال ہی میں یہ دکھایا گیا ہے کہ پی یو فومز میں ڈائیسلفائیڈ بانڈز کو شامل کرنے سے ان کی لچک اور الیسٹومرز میں دوبارہ پروسیسنگ کا باعث بنی۔ ایک اور ممکنہ حل پوسٹ کنزیومر پی یو میں اتپریرک کا اضافہ ہے، جو یوریتھین بانڈز کے تبادلے کو متحرک کرتا ہے اور انہیں دوبارہ پروسیسنگ کے قابل بناتا ہے۔ خود شفا بخش مواد پولیمر نیٹ ورک ان کے استعمال کے دوران نقصان کا شکار ہوتے ہیں۔ پولیمر کی زندگی اور کارکردگی کو بڑھانے کے ساتھ ساتھ پلاسٹک کے فضلے کو کم کرنے کے لیے سیلف ہیلنگ ایک امید افزا ذریعہ ہے۔ خود شفا یابی بیرونی یا اندرونی طریقہ کار کے ذریعے کام کر سکتی ہے۔ بیرونی نظام شفا یابی کے ایجنٹوں پر مشتمل چھوٹے کیپسول کو شامل کرنے پر انحصار کرتے ہیں جو نقصان/کریکنگ کے دوران خارج ہوتے ہیں اور مواد کو ٹھیک کرتے ہیں، جبکہ اندرونی نظام فطری طور پر اپنی سالمیت کو بحال کرنے کے قابل ہوتے ہیں، مثال کے طور پر، پولیمر نیٹ ورک میں متحرک بانڈز کو شامل کرنا۔ اندرونی سیلف ہیلنگ کی سب سے مشہور مثال ڈیلز-ایلڈر ایڈکٹس کے ساتھ تھرمل ہیل ایبل کراس لنکڈ نیٹ ورک ہے، لیکن مختلف دیگر کیمسٹریوں کی بھی تحقیقات کی گئی ہیں، جن میں ٹرانس ایسٹریفیکیشن، اولیفن میٹا تھیسس، اور الکوکسامین کیمسٹری شامل ہیں۔ ایک اور امید افزا حکمت عملی میں روشنی سے چلنے والے نظام شامل ہیں، جیسے فوٹو تھرمل اور فوٹو ریورسیبل کیمسٹری۔ فوٹو تھرمل نظاموں کے لیے، شفا یابی کو گرم کرنے سے متحرک کیا جاتا ہے، چاہے روشنی عارضی محرک ہو جو شفا یابی کو ممکن بناتی ہے۔ متحرک تبادلے کے رد عمل اکثر فوٹو تھرمل فلرز کی مدد سے براہ راست اورکت حرارتی نظام کے ذریعے بھی متحرک ہوتے ہیں (مثال کے طور پر۔ کاربن بلیک، گرافین، اور گولڈ نینو پارٹیکلز)۔ اصول میں براہ راست فوٹو ریورسیبل کیمسٹری پر مبنی سیلف ہیلنگ مواد میں ہیٹنگ شامل نہیں ہے۔ اس کی کچھ مثالوں میں فوٹو ریورسیبل سائکلوڈڈیشن پر مبنی نظام شامل ہیں جن میں بالائے بنفشی (یو وی) تابکاری کی ضرورت ہوتی ہے، نیز سلفر پر مبنی متحرک کوولینٹ بانڈز کی تصویر سے متحرک ریڈیکل رفلنگ بھی شامل ہیں۔ نینو کمپوزائٹس تھرموسیٹس فی الحال اعلی کارکردگی والے کمپوزائٹس کی بہت زیادہ مانگ میں ہیں جن کی ہلکی پھلکی انجینئرنگ اور انتہائی اعلی کارکردگی والے مکینیکل حصوں میں بہت زیادہ ضرورت ہے۔ ایپلی کیشنز میں شامل ہیں: پیکیجنگ، ریمیڈیشن، انرجی اسٹوریج، برقی مقناطیسی جذب، سینسنگ اور ایکٹیویشن، نقل و حمل اور حفاظت، دفاعی نظام، تھرمل فلو کنٹرول، انفارمیشن انڈسٹری، اتپریرک، کاسمیٹکس، کھیل وغیرہ۔ اس طرح کے مواد ایک "نرم" پولیمر مرحلے پر مشتمل ہوتے ہیں جو پولیمر مرحلے میں منتشر نینو پارٹیکلز کے ساتھ مل جاتے ہیں۔ ان نینو پارٹیکلز کی شکل بے حد مختلف ہو سکتی ہے، سلاخوں سے لے کر گولوں تک، پلیٹلیٹس تک، ریشوں وغیرہ تک۔ بانڈ ایکسچینج کینیٹکس سے متاثر سی اے این کی منفرد تھرمو رسپانسیو خصوصیات، مختلف بیرونی اثرات کی بنیاد پر پراپرٹی سوئچز کے تعارف کے لیے دلچسپ امکانات کھولتی ہیں۔ مثال کے طور پر، برقی حرارتی تبدیلی کے لیے مزاحم ہیٹر کا اضافہ (مثال کے طور پر۔ واحد دیوار والے کاربن نینو ٹیوبز) برقی کرنٹ کے ذریعے آن ڈیمانڈ مکینیکل پراپرٹی سوئچ کی اجازت دے سکتے ہیں۔ متبادل طور پر، گرافین آکسائڈ جیسے فلر کو شامل کرکے، ہلکی تابکاری کو فوٹو تھرمل اثر کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے جو روشنی کی تابکاری کے ردعمل کے طور پر مکینیکل خصوصیات کو تبدیل کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ سی اے این میں استعمال کے لیے دیگر دلچسپ نینو پارٹیکلز میں مٹی کی نینوشیٹ، گرافین اور سیلولوز شامل ہیں۔ تھری ڈی پرنٹنگ حالیہ برسوں میں، تھری ڈی پرنٹنگ، یا اضافی مینوفیکچرنگ (اے ایم) میں تیزی سے ترقی دیکھی گئی کیونکہ یہ تکنیک زیادہ سے زیادہ مقبول ہوئی۔ فی الحال، پلاسٹک اپنی وسیع دستیابی، تنوع اور ہلکے وزن کی وجہ سے تھری ڈی پرنٹنگ کے لیے استعمال ہونے والا سب سے عام خام مال ہے۔ اے ایم کی استعداد اور اس کی نمایاں ترقی کے نتیجے میں مینوفیکچرنگ اور طبی شعبوں سے لے کر کسٹم آرٹ اور ڈیزائن کے شعبے تک بہت سی ایپلی کیشنز کے لیے اس کا استعمال ہوا۔ آنے والے سالوں میں تھری ڈی پرنٹنگ کی مارکیٹ میں مزید اضافے کی توقع کے ساتھ، روایتی تھرموسیٹس کے متبادل کے طور پر اے ایم کے وسائل کے طور پر سی اے این کا استعمال زیر تفتیش ہے، جو 2029 کے آخر تک اے ایم کے لیے عالمی مارکیٹ کا 22 فیصد بن سکتا ہے۔ روایتی تھرموسیٹ سیاہی کو سی اے این پر مبنی سیاہی سے تبدیل کرکے، پیچیدہ تھری ڈی جیومیٹریز کو اب بھی پرنٹ کیا جا سکتا ہے جو سروس کے حالات میں بہترین مکینیکل خصوصیات کے ساتھ روایتی تھرموسیٹ کی طرح برتاؤ کرتے ہیں، لیکن بعد میں تھری ڈی پرنٹنگ کے اگلے دور کے لیے نئی سیاہی میں بھی ری سائیکل کیا جا سکتا ہے۔ ایک مثال میں ایپوکسی سیاہی کی تھری ڈی پرنٹنگ شامل ہے جو پرنٹنگ کے بعد ٹرانس ایسٹریفیکیشن رد عمل سے گزرنے کے قابل ہے۔ پرنٹنگ سائیکل کے دوران، سیاہی کو پہلے مطلوبہ تھری ڈی ڈھانچے میں اعلی درجہ حرارت پر پرنٹ کرنے سے پہلے تھوڑا سا ٹھیک کیا جاتا ہے، اور اس کے بعد پرنٹنگ کے بعد تندور میں دوسرا علاج کا مرحلہ ہوتا ہے۔ پرنٹ شدہ ایپوکسی حصوں کو پھر اعلی درجہ حرارت پر ایتھلین گلائکول میں تحلیل کرکے ری سائیکل کیا جا سکتا ہے اور پرنٹنگ کے نئے چکر میں سیاہی کے طور پر دوبارہ استعمال کیا جا سکتا ہے۔ سی اے این میں استعمال ہونے والی کیمیایات مختلف متحرک کیمیایات کو پہلے ہی سی اے این میں شامل کیا جا چکا ہے۔ کچھ زیادہ قابل ذکر میں ٹرانس ایسٹیریفکیشن، ڈائلز-ایلڈر ایکسچینج، ڈائیسلفائیڈ ایکسچینج، وینیلوگس یوریتھینس کا ٹرانسمینیشن، یوریتھینس کا ٹرانسکاربامولیشن، اولیفن میٹا تھیسس، اور 1,2,3-ٹریازولیم نمکیات کا ٹرانس-این-الکیلیشن شامل ہیں۔ حوالہ جات پولیمر