Polyelectrolyte adsorption
ٹھوس سبسٹریٹس پر پولی الیکٹرولائٹس کا جذب ایک سطحی رجحان ہے جہاں چارج شدہ گروپوں کے ساتھ طویل زنجیر والے پولیمر مالیکیول (جسے پولی الیکٹرولائٹس کہا جاتا ہے) ایک ایسی سطح سے جڑے ہوتے ہیں جو مخالف قطعیت میں چارج ہوتی ہے۔ سالماتی سطح پر، پولیمر دراصل سطح سے منسلک نہیں ہوتے ہیں، لیکن بین سالماتی قوتوں اور پولیمر کے مختلف سائیڈ گروپوں کی علیحدگی سے پیدا ہونے والے چارجز کے ذریعے سطح پر "چپکنے" کا رجحان رکھتے ہیں۔ چونکہ پولیمر مالیکیول اتنے لمبے ہوتے ہیں، اس لیے ان کے پاس سطح کے رقبے کی ایک بڑی مقدار ہوتی ہے جس سے سطح سے رابطہ کیا جا سکتا ہے اور اس طرح وہ غیر جذب نہیں ہوتے کیونکہ چھوٹے مالیکیولز کے ایسا کرنے کا امکان ہوتا ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ پولی الیکٹرولائٹس کی جذب شدہ پرتیں ایک بہت پائیدار کوٹنگ بناتی ہیں۔ پولی الیکٹرولائٹ تہوں کی اس اہم خصوصیت کی وجہ سے وہ صنعت میں بڑے پیمانے پر فلوکولینٹس کے طور پر، گھلنشیل کے لیے، سپر سوربرز، اینٹیسٹیٹک ایجنٹوں کے طور پر، تیل کی بازیابی کے معاون کے طور پر، غذائیت میں جیلنگ ایڈ کے طور پر، کنکریٹ میں اضافی اشیاء، یا خون کی مطابقت میں اضافے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ پرت کی تشکیل کی حرکیات ٹھوس سطح کے حل میں پولی الیکٹرولائٹس کے جذب رویے کے ماڈل انتہائی حالات پر مبنی ہوتے ہیں۔ کئی دیگر عوامل کے علاوہ مختلف پولی الیکٹرولائٹ کردار اور ارتکاز، محلول کی آئنک طاقت، ٹھوس سطح کی خصوصیت، اور پی ایچ کی بنیاد پر مختلف طرز عمل ظاہر کیے جاتے ہیں۔ یہ پیچیدہ ماڈل درست ماڈل بنانے کے لیے مخصوص پیرامیٹرز کے لیے درخواست کے ذریعے مخصوص ہیں۔ نظریاتی حرکیات تاہم، عمل کے عمومی کردار کو حل میں پولی الیکٹرولائٹ کے ساتھ معقول طور پر اچھی طرح سے ماڈل کیا جا سکتا ہے، اور ایک مخالف چارج شدہ سطح جہاں سطح اور زنجیر کے درمیان کوئی ہم آہنگ تعامل نہیں ہوتا ہے۔ چارج شدہ سطح پر پولی الیکٹرولائٹ کی جذب شدہ مقدار کے لیے یہ ماڈل ڈی ایل وی او تھیوری سے ماخوذ ہے، جو حل میں چارج شدہ ذرات کے تعامل کا نمونہ ہے، اور فیلڈ تھیوری کا مطلب ہے، جو تجزیہ کے لیے نظام کو آسان بناتا ہے۔ ترمیم شدہ پوسن-بولٹزمین مساوات اور اوسط فیلڈ مساوات کا استعمال کرتے ہوئے، چارج شدہ سطح کے قریب ارتکاز پروفائل کو عددی طور پر حل کیا جاتا ہے۔ ان مساوات کے حل سے جذب شدہ مقدار کے لیے ایک سادہ تعلق حاصل ہوتا ہے، جو الیکٹرولائٹ چارج فریکشن، ρ، اور بلک نمک کے ارتکاز پر مبنی ہوتا ہے۔ کم سطح کی صلاحیت کہاں ہے: اور یہ بیجرم کی لمبائی ہے: پرت بہ پرت جذب چونکہ چارج پولی الیکٹرولائٹ جذب میں کلیدی کردار ادا کرتا ہے، اس لیے چارج شدہ سطحوں پر پولی الیکٹرولائٹ جذب کی ابتدائی شرح اکثر تیز ہوتی ہے، صرف سطح پر بڑے پیمانے پر نقل و حمل (پھیلاؤ) کی شرح سے محدود ہوتی ہے۔ یہ اعلی شرح پھر تیزی سے گر جاتی ہے کیونکہ سطح پر چارج جمع ہوتا ہے، اور پرکشش قوتیں اب زیادہ پولی الیکٹرولائٹ زنجیروں کو سطح پر نہیں کھینچ رہی ہیں۔ جذب کی شرحوں میں اس کمی کا مقابلہ چارج سے زیادہ معاوضہ کے رجحان کو بروئے کار لا کر کیا جا سکتا ہے۔ منفی طور پر چارج شدہ ٹھوس سطح کے معاملے میں، کیٹیانک پولی الیکٹرولیٹ زنجیروں کو مخالف چارج شدہ سطح پر جذب کیا جاتا ہے۔ ان کے بڑے سائز اور زیادہ چارج کی کثافت اصل منفی سطح کے چارج کو زیادہ معاوضہ دیتی ہے، جس کے نتیجے میں کیٹیانک پولی الیکٹرولائٹس کی وجہ سے خالص مثبت چارج ہوتا ہے۔ یہ ٹھوس سطح، اس کی کیٹیانک پولی الیکٹرولائٹ فلم اور اس کے نتیجے میں مثبت سطح چارج کے ساتھ، پھر ایک آئنک پولی الیکٹرولائٹ حل کے سامنے آسکتی ہے، جہاں یہ عمل دوبارہ شروع ہوتا ہے، جس سے مخالف چارج شدہ سطح کے ساتھ ایک اور فلم بنتی ہے۔ اس عمل کو پھر ٹھوس سطح پر کئی دو پرتوں کو بنانے کے لیے دہرایا جا سکتا ہے۔ مواد کے اثرات اور محلول کے معیار پولی الیکٹرولائٹ ایڈسورپشن کی تاثیر محلول کے مواد اور سالوینٹ کے معیار سے بہت زیادہ متاثر ہوتی ہے جس میں پولی الیکٹرولائٹس تحلیل ہوتے ہیں۔ وہ بنیادی میکانزم جس کے ذریعے سالوینٹ سطح-پولیمر انٹرفیس کی جذب کی خصوصیات کو متاثر کرتا ہے وہ سالوینٹ کا ڈائی الیکٹرک اثر، سالوینٹ میں کیمیائی نوعیت یا پرجاتیوں کی طرف سے سہولت فراہم کرنے والا سٹیرک کشش یا پسپائی، اور اس کا درجہ حرارت ہے۔ پسپا سٹیرک قوتیں اینٹروپی پر مبنی ہوتی ہیں اور پولیمر زنجیروں کی کم ترتیب والی اینٹروپی کی وجہ سے ہوتی ہیں۔ اس تعامل کا عین مطابق نمونہ بنانا مشکل ہے جو کوئی خاص پولی الیکٹرولائٹ حل ظاہر کرے گا کیونکہ سٹیرک قوتیں پولیمر اور سالوینٹ دونوں کے کیمیائی میک اپ کے ساتھ ساتھ حل میں موجود کسی بھی آئنک پرجاتیوں کے امتزاج پر منحصر ہوتی ہیں۔ سالوینٹ کا انتخاب پولی الیکٹرولائٹ اور اس سالوینٹ کے درمیان تعاملات حل میں اور سبسٹریٹ پر جمع ہونے پر پولیمر کی تشکیل پر بڑا اثر ڈالتے ہیں۔ ان کی منفرد نوعیت کی وجہ سے، پولی الیکٹرولائٹس کے پاس سالوینٹس کے لیے بہت سے اختیارات ہیں جن میں روایتی پولیمر جیسے پولی تھیلین، اسٹائرین اور دیگر گھلنشیل نہیں ہوں گے۔ اس کی ایک بہترین مثال پانی ہے۔ اگرچہ پانی ایک اعلی قطبی سالوینٹ ہے، پھر بھی یہ بہت سے پولی الیکٹرولائٹس کو تحلیل کر دے گا۔ محلول میں پولی الیکٹرولائٹ کی تشکیل کا تعین سالوینٹ اور پولیمر کے درمیان (عام طور پر ناموافق) تعاملات کے توازن اور پولیمر کی انفرادی تکرار اکائیوں کے درمیان الیکٹروسٹیٹک پسپائی سے ہوتا ہے۔ یہ تجویز کیا گیا ہے کہ ایک پولی الیکٹرولائٹ سلسلہ اپنی توانائی کو بہتر بنانے کے لیے ایک لمبا سلنڈریکل گلوبول بنائے گا۔ کچھ ماڈلز مزید آگے بڑھتے ہیں اور یہ مانتے ہیں کہ سب سے زیادہ موثر ترتیب بیلناکار گلوبولز کا ایک سلسلہ ہے جو "ہار" کی ترتیب میں بہت بڑے قطر کے کروی گلوبولز کو جوڑتا ہے۔ اچھا سالوینٹ ایک اچھے سالوینٹ میں، پولیمر اور سالوینٹ کی ریپیٹ یونٹس کے درمیان الیکٹروسٹیٹک قوتیں سازگار ہوتی ہیں۔ اگرچہ مکمل طور پر بدیہی نہیں ہے، اس کی وجہ سے پولیمر زیادہ مضبوطی سے پیک شدہ تشکیل اختیار کرتا ہے۔ یہ اس اسکریننگ کی وجہ سے ہے جو سالوینٹ مالیکیول پولی الیکٹرولائٹ کی چارج شدہ ریپیٹ یونٹس کے درمیان انجام دیتے ہیں، جس سے پولیمر چین کے تجربات میں الیکٹروسٹیٹک ریپلشن کم ہوتا ہے۔ چونکہ پولیمر ریڑھ کی ہڈی خود کو اتنی مضبوطی سے پیچھے نہیں ہٹاتی جتنی وہ ناقص سالوینٹ میں کرتی ہے، اس لیے پولیمر چین ایک غیر چارج شدہ پولیمر کی طرح کام کرتا ہے، یہ فرض کرتے ہوئے کہ یہ ایک کمپیکٹ تشکیل ہے۔ ناقص سالوینٹ ناقص سالوینٹ میں سالوینٹ مالیکیول پولی الیکٹرولائٹ کے چارج شدہ حصوں کے ساتھ ناقص یا غیر موافق طور پر تعامل کرتے ہیں۔ سالوینٹ کی ریپیٹ یونٹس کے درمیان چارج کو مؤثر طریقے سے اسکرین کرنے میں ناکامی پولیمر کو اس کی ریپیٹ یونٹس کے الیکٹروسٹیٹک ریپلشن کی وجہ سے ڈھیلی تشکیل اختیار کرنے کا سبب بنتی ہے۔ یہ تعاملات پولیمر کو سبسٹریٹ پر زیادہ یکساں طور پر جمع کرنے کی اجازت دیتے ہیں۔ نمک کا ارتکاز جب کوئی آئنک مرکب سالوینٹ میں تحلیل ہو جاتا ہے، تو آئن پولی الیکٹرولائٹ زنجیروں پر چارج کی اسکریننگ کا کام کرتے ہیں۔ محلول کا آئنک ارتکاز پولی الیکٹرولائٹ کی پرت کی تشکیل کی خصوصیات کے ساتھ ساتھ محلول میں پولیمر کی تشکیل کا تعین کرے گا۔ نمک کی زیادہ مقدار نمک کی زیادہ مقدار ایک سازگار سالوینٹ میں پولیمر کے ذریعے تجربہ کردہ تعاملات سے ملتے جلتے حالات کا سبب بنتی ہے۔ پولی الیکٹرولائٹس، چارج ہونے کے باوجود، اب بھی بنیادی طور پر کاربن بیک بون کے ساتھ غیر قطبی ہوتے ہیں۔ جب کہ پولیمر ریڑھ کی ہڈی پر چارج ایک الیکٹروسٹیٹک قوت کا استعمال کرتے ہیں جو پولیمر کو زیادہ کھلی اور ڈھیلی تشکیل میں لے جاتا ہے، اگر آس پاس کے محلول میں نمک کی زیادہ مقدار ہے، تو چارج کی پسپائی کی جانچ کی جائے گی۔ ایک بار جب اس چارج کی جانچ پڑتال کی جاتی ہے تو پولی الیکٹرولائٹ کسی دوسرے غیر قطبی پولیمر کی طرح اعلی آئنک طاقت والے محلول میں کام کرے گا اور سالوینٹ کے ساتھ تعاملات کو کم کرنا شروع کر دے گا۔ اس کی وجہ سے سطح پر بہت زیادہ جکڑے ہوئے اور گھنے پولیمر جمع ہوتے ہیں۔ کم نمک کم آئنک طاقت والے محلول میں، پولیمر کی دہرائی جانے والی اکائیوں پر موجود چارج تشکیل کو کنٹرول کرنے والی غالب قوت ہوتے ہیں۔ چونکہ دہرائی جانے والی اکائیوں کے درمیان پسپا تعاملات کو اسکرین کرنے کے لیے بہت کم چارج موجود ہوتا ہے، اس لیے پولیمر ایک بہت ہی پھیلی ہوئی، ڈھیلی تشکیل اختیار کرتا ہے۔ یہ تشکیل سبسٹریٹ پر زیادہ یکساں پرتوں کی اجازت دیتی ہے، جو سطح کے نقائص اور غیر یکساں سطح کی خصوصیات کو روکنے میں مددگار ہے۔ پولی الیکٹرولائٹ تہوں کے صنعتی استعمال پولی الیکٹرولائٹس کو مختلف قسم کے آئنک پولیمر دستیاب ہونے کی وجہ سے متعدد قسم کی سطحوں پر لگایا جا سکتا ہے۔ انہیں مختلف ڈیزائن کے مقاصد کو پورا کرنے کے لیے کثیر پرت کی شکل میں ٹھوس سطحوں پر لگایا جا سکتا ہے، انہیں کولائیڈل نظام کے استحکام کو بڑھانے کے لیے ٹھوس ذرات کو گھیرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، اور یہاں تک کہ انہیں ایک آزاد ڈھانچہ بنانے کے لیے جمع کیا جا سکتا ہے جسے پورے انسانی جسم میں منشیات لے جانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ پولیمر کوٹنگز پولی الیکٹرولائٹ ملٹی لیئرز پولیمر کوٹنگ انڈسٹری میں تحقیق کا ایک امید افزا شعبہ ہے کیونکہ انہیں پانی پر مبنی سالوینٹ میں کم قیمت پر اسپرے آن فیشن میں لگایا جا سکتا ہے۔ اگرچہ پولیمر صرف الیکٹروسٹیٹک قوتوں کے ذریعے سطح پر رکھے جاتے ہیں، کثیر پرت والی کوٹنگز مائع شیر کے تحت جارحانہ طور پر چپکی رہتی ہیں۔ اس کوٹنگ ٹیکنالوجی کا نقصان یہ ہے کہ تہوں میں جیل کی مستقل مزاجی ہوتی ہے اور اس طرح وہ رگڑ کے خلاف کمزور ہوتی ہیں۔ سٹینلیس سٹیل کے کٹاؤ کے خلاف مزاحمت پولی الیکٹرولائٹس کو سائنس دانوں نے کٹاؤ کو روکنے کے لیے پرت در پرت درخواست کے طریقہ کار کا استعمال کرتے ہوئے سٹینلیس سٹیل کو کوٹ کرنے کے لیے استعمال کیا ہے۔ درست طریقہ کار جس کے ذریعے کٹاؤ کو محدود کیا جاتا ہے وہ معلوم نہیں ہے کیونکہ پولی الیکٹرولائٹ ملٹی لیئرز پانی سے بھرے ہوتے ہیں اور جیل جیسی مستقل مزاجی کے ہوتے ہیں۔ ایک نظریہ یہ ہے کہ پرتیں چھوٹے آئنوں کے لیے ناقابل تسخیر رکاوٹ بناتی ہیں جو اسٹیل کے کٹاؤ کو آسان بناتی ہیں۔ مزید برآں، کثیر پرت والی فلم کے اندر پانی کے مالیکیول پولی الیکٹرولائٹس کے آئنک گروپوں کے ذریعہ محدود حالت میں رکھے جاتے ہیں۔ اس سے اسٹیل کی سطح پر پانی کی کیمیائی سرگرمی کم ہو جاتی ہے۔ امپلانٹ میں اضافہ بہت سے بائیو میڈیکل آلات جو جسمانی سیالوں کے ساتھ رابطے میں آتے ہیں وہ غیر ملکی جسم کے منفی ردعمل، یا مسترد ہونے اور اس طرح آلہ کی ناکامی کا شکار ہوتے ہیں۔ انفیکشن کا بنیادی طریقہ کار بائیو فلم کی تشکیل ہے، جو سیسائل بیکٹیریا کا ایک میٹرکس ہے جو بڑے پیمانے پر تقریبا 15 فیصد بیکٹیریل خلیوں اور 85 فیصد ہائیڈروفوبک ایکسوپولیسیکرائڈ ریشوں پر مشتمل ہوتا ہے۔ اس خطرے کو ختم کرنے کا ایک طریقہ یہ ہے کہ امپلانٹ کے آس پاس کے علاقے میں مقامی علاج کا اطلاق کیا جائے۔ یہ امپلانٹیشن سے پہلے میڈیکل ڈیوائس پر منشیات سے متاثرہ پولی الیکٹرولائٹ ملٹی لیئر لگا کر کیا جا سکتا ہے۔ اس ٹیکنالوجی کا مقصد پولی الیکٹرولائٹ ملٹی لیئرز کا ایک مجموعہ بنانا ہے جہاں ایک ملٹی لیئر بائیو فلم کی تشکیل کو روکتی ہے اور دوسری پھیلاؤ کے ذریعے چھوٹے مالیکیول کی دوا جاری کرتی ہے۔ یہ جسم میں منشیات کی زیادہ مقدار چھوڑنے اور متاثرہ علاقے میں جانے کے لیے اس میں سے کچھ پر انحصار کرنے کی موجودہ تکنیک سے زیادہ موثر ہوگا۔ امپلانٹ کے لیے ایک موثر کوٹنگ کے لیے بنیادی پرت ڈی ایم ایل پی ای آئی/پی اے اے، یا لکیری این، این-ڈوڈیسل، میتھائل-پولی (ایتھلینیمائن)/پولی (ایکریلک ایسڈ) ہے۔ کولائڈ استحکام پولی الیکٹرولائٹ جذب کی ایک اور بڑی ایپلی کیشن ٹھوس کولائڈیل معطلی، یا سولز کی استحکام (یا عدم استحکام) ہے۔ حل میں موجود ذرات میں وین ڈیر والز قوتوں کی طرح پرکشش قوتیں ہوتی ہیں، جو ہیماکر تھیوری کے مطابق ہوتی ہیں۔ یہ قوتیں کولائیڈل ذرات کو جمع کرنے یا پھسلنے کا سبب بنتی ہیں۔ ہیماکر پرکشش اثر حل میں کولائڈز کے ایک یا دو دونوں پسپا اثرات سے متوازن ہوتا ہے۔ پہلا الیکٹروسٹیٹک اسٹیبلائزیشن ہے، جس میں ذرات کے چارجز کی طرح ایک دوسرے کو پیچھے ہٹاتے ہیں۔ یہ اثر زیٹا پوٹینشل کی وجہ سے ہوتا ہے جو حل میں کسی ذرہ کے سطحی چارج کی وجہ سے موجود ہوتا ہے۔ دوسرا سٹیرک اثرات کی وجہ سے سٹیرک استحکام ہے۔ جذب شدہ پولیمر زنجیروں کے ساتھ مل کر ذرات کو کھینچنے سے سطح پر پولیمر زنجیروں کی کنفارمیشنل اینٹروپی میں بہت کمی واقع ہوتی ہے، جو تھرموڈینامک طور پر ناموافق ہے، جس سے فلوکولیشن اور کوگولیشن زیادہ مشکل ہو جاتا ہے۔ پولی الیکٹرولائٹس کے جذب کو معطلی کو مستحکم کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، جیسے کہ رنگوں اور پینٹ کے معاملے میں۔ اس کا استعمال ذرات کی سطح پر مخالف چارج شدہ زنجیروں کو جذب کرکے، زیٹا پوٹینشل کو بے اثر کرکے اور آلودگیوں کے فلاکولیشن یا جمنے کا سبب بن کر معطلی کو غیر مستحکم کرنے کے لیے بھی کیا جا سکتا ہے۔ یہ گندے پانی کے علاج میں بہت زیادہ استعمال ہوتا ہے تاکہ آلودگیوں کے معطلی کو فلوکولیٹ کرنے پر مجبور کیا جا سکے، جس سے انہیں فلٹر کیا جا سکے۔ مختلف قسم کے صنعتی فلوکولیٹس ہیں جو مخصوص پرجاتیوں کو نشانہ بنانے کے لیے یا تو کیٹیانک یا اینیونک نوعیت کے ہوتے ہیں۔ مائع کوروں کا جکڑنا اضافی استحکام کا اطلاق ایک پولی الیکٹرولائٹ ملٹی پرت ایک کولائڈ فراہم کرے گی جو مائع کور کے لیے ٹھوس کوٹنگ کی تخلیق ہے۔ اگرچہ پولی الیکٹرولائٹ تہوں کو عام طور پر ٹھوس سبسٹریٹس پر جذب کیا جاتا ہے، لیکن وہ مائع سبسٹریٹس جیسے پانی کے ایملشن یا کولائڈز میں بھی جذب ہو سکتے ہیں۔ اس عمل میں بہت زیادہ صلاحیت ہے، لیکن یہ مشکل سے بھرا ہوا ہے۔ چونکہ کولائڈز عام طور پر سرفیکٹینٹس، اور اکثر آئنک سرفیکٹینٹس کے ذریعہ مستحکم ہوتے ہیں، اس لیے ایک کثیر پرت کا جذب جو اسی طرح سرفیکٹینٹ سے چارج ہوتا ہے، پولی الیکٹرولائٹ اور سرفیکٹینٹ کے درمیان الیکٹروسٹیٹک پسپائی کی وجہ سے مسائل کا سبب بنتا ہے۔ اسے غیر آئنک سرفیکٹینٹس کا استعمال کرکے روکا جا سکتا ہے ؛ تاہم، پانی میں ان غیر آئنک سرفیکٹینٹس کی گھلنشیلتا آئنک سرفیکٹینٹس کے مقابلے میں بہت کم ہو جاتی ہے۔ یہ کور، ایک بار بنائے جانے کے بعد، منشیات کی ترسیل اور مائیکرو ریکٹر جیسی چیزوں کے لیے استعمال کیے جا سکتے ہیں۔ منشیات کی ترسیل کے لیے، پولی الیکٹرولائٹ شیل ایک مخصوص وقت کے بعد ٹوٹ جاتا ہے، جس سے دوا خارج ہوتی ہے اور اسے ہاضمے کی نالی سے گزرنے میں مدد ملتی ہے، جو منشیات کی فراہمی کے لیے سب سے بڑی رکاوٹوں میں سے ایک ہے۔ حوالہ جات مواد سائنس