माइक्रोपैटर्नयुक्त पॉलिमर पर जिंक ऑक्साइड नैनोरॉड्स ने समुद्री बायोफाउलिंग को कम किया

समुद्री बायोफाउलिंग — पानी के संपर्क में आने वाली सतहों पर सूक्ष्मजीवों, शैवालों और बड़े जीवों का लगातार जमाव — शिपिंग, उद्योग और जलकृषि में सबसे जिद्दी और महंगी समस्याओं में से एक है। सुल्तान कबूस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब एक ऐसी सामग्री रणनीति की रिपोर्ट दी है जो सूक्ष्म सतह पैटर्न को नैनोस्केल जिंक ऑक्साइड संरचनाओं के साथ जोड़ती है ताकि बैक्टीरिया और सूक्ष्म शैवाल के लिए बसना कठिन हो जाए। ये निष्कर्ष पत्रिका PLOS One में प्रकाशित हुए हैं।

अल-बुसैदी, डोब्रेत्सोव, क्याव और म्यिंट द्वारा लिखित इस अध्ययन में तीन अलग-अलग पैटर्न वाली पॉलिमर सतहों, जिन्हें D1, D2 और D3 नाम दिया गया, पर जिंक ऑक्साइड नैनोरॉड कोटिंग्स बनाई गईं। परिणामी सामग्रियों ने नैनोस्केल जिंक ऑक्साइड संरचनाओं के नीचे माइक्रोस्केल टोपोग्राफी की परत बनाई, और टीम ने फिर मापा कि प्रत्येक संयोजन प्रयोगशाला प्रवाह परिस्थितियों में उपनिवेशण का कितनी अच्छी तरह प्रतिरोध करता है।

बायोफाउलिंग एक स्थायी इंजीनियरिंग समस्या क्यों है

जब सूक्ष्मजीव और बड़े समुद्री जीव जलमग्न सतहों पर जमा होते हैं, तो इसके परिणाम पूरे संचालन में फैल जाते हैं। फाउलिंगयुक्त हल अधिक पानी खींचता है, जिससे जहाज का प्रदर्शन घटता है और ईंधन की खपत बढ़ती है। जंग तेज हो जाती है। पानी के सेवन और हीट एक्सचेंजर अवरुद्ध हो सकते हैं। जलकृषि उपकरण भी इसी तरह प्रभावित होते हैं, और यही प्रक्रिया उस हार्डवेयर को भी खतरे में डालती है जिस पर मछली फार्म निर्भर करते हैं।

इन लागतों ने लंबे समय से एंटीफाउलिंग सामग्रियों की खोज को प्रेरित किया है। पुराने दृष्टिकोण प्रभावी साबित हुए हैं लेकिन अक्सर पर्यावरणीय कीमत पर, और यह क्षेत्र तेजी से ऐसी टिकाऊ कोटिंग्स पर केंद्रित हो गया है जो जुड़ाव को सीमित करते हुए पर्यावरणीय विषाक्तता को कम करती हैं। सुल्तान कबूस विश्वविद्यालय की टीम अपने नैनोसंरचित दृष्टिकोण को उसी प्रयास के भीतर रखती है।

इंजीनियर की गई सतहें कैसे बनाई गईं

शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग माइक्रोपैटर्न वाले पॉलिमर सब्सट्रेट्स के ऊपर जिंक ऑक्साइड नैनोरॉड कोटिंग्स तैयार कीं। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवियों ने बिना कोटिंग वाले माइक्रोपैटर्नयुक्त पॉलिमर की ज्यामिति का दस्तावेजीकरण किया, साथ ही तीनों डिज़ाइनों के क्रॉस सेक्शन भी, जिससे ZnO परत लगाने से पहले एक संरचनात्मक आधार रेखा मिली।

डिज़ाइन का तर्क दो लंबाई-मापदंडों को जोड़ने पर टिका है। माइक्रोस्केल पैटर्न बदलते हैं कि पानी और जीव सतह के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं, जबकि नैनोस्केल जिंक ऑक्साइड रॉड्स बहुत महीन रिज़ॉल्यूशन पर रसायन और बनावट जोड़ते हैं। साथ में, संरचना के ये दो स्तर ऐसी सामग्रियाँ बनाते हैं जो साधारण पॉलिमर से काफी अलग व्यवहार करती हैं।

प्रवाह परिस्थितियों में परीक्षण

स्थिर विसर्जन पर निर्भर रहने के बजाय, टीम ने इंजीनियर की गई सतहों का परीक्षण प्रयोगशाला प्रवाह परिस्थितियों में किया। दो जीव प्राथमिक जैविक प्रोब के रूप में काम आए: जीवाणु Escherichia coli और समुद्री डायटम Amphora sp.। एक जीवाणु और एक डायटम दोनों को चुनने से शोधकर्ताओं को फाउलिंग प्रक्रिया के दो अलग-अलग चरणों की जाँच करने की सुविधा मिली — प्रारंभिक बैक्टीरियल जुड़ाव और बायोफिल्म समुदायों को बनाने में मदद करने वाले एककोशिकीय शैवालों का बसना।

टीम ने व्हाइटलेग श्रिम्प Litopenaeus vannamei के लार्वा का उपयोग करके संभावित तीव्र विषाक्तता का भी आकलन किया, जो इस व्यापक प्रश्न की ओर इशारा करता है कि क्या एंटीफाउलिंग रसायन गैर-लक्षित समुद्री जीवन को नुकसान पहुँचाता है।

गीलापन नाटकीय रूप से बदला

जिंक ऑक्साइड कोटिंग लगाने से पैटर्नयुक्त पॉलिमर के गीलेपन का व्यवहार बदल गया। बिना कोटिंग वाली सतहों ने लगभग 80 से 90 डिग्री के जल संपर्क कोण दिखाए। कोटिंग के बाद, संपर्क कोण लगभग 150 से 165 डिग्री तक बढ़ गए, जिससे सतहें अत्यधिक जल-विकर्षक हो गईं।

यह बदलाव मायने रखता है क्योंकि कम गीलापन सीमित कर सकता है कि तरल फिल्म कितनी जल्दी फैलती है और जीव किसी सतह के साथ कितनी मजबूती से संपर्क स्थापित कर सकते हैं। इस अध्ययन में, गीलापन को देखे गए एंटीफाउलिंग प्रदर्शन का एकमात्र स्पष्टीकरण नहीं, बल्कि कई योगदानकर्ताओं में से एक माना गया है।

जुड़ाव के परिणाम पैटर्न और जीव के अनुसार भिन्न रहे

जैविक परिणामों ने स्पष्ट रूप से पैटर्न-निर्भर प्रभाव दिखाया। कोटेड D1, D2 और D3 सतहों पर क्रमशः बैक्टीरियल जुड़ाव 60.3%, 48.8% और 5.8% गिरा। इस बीच, उन्हीं तीन सतहों पर डायटम कवरेज 9.9%, 72.9% और 71.8% घटा।

• D1: बैक्टीरियल जुड़ाव में सबसे मजबूत कमी 60.3%, लेकिन डायटम कवरेज में केवल 9.9% की कमी।
• D2: 48.8% की मध्यम बैक्टीरियल कमी के साथ डायटम कवरेज में 72.9% की बड़ी गिरावट।
• D3: बैक्टीरियल परिणाम सबसे कमजोर 5.8%, फिर भी डायटम कवरेज 71.8% घटा।

इन संख्याओं का फैलाव उल्लेखनीय है। दोनों जीव प्रकारों में कोई एक माइक्रोपैटर्न प्रभावी नहीं रहा: जिस ज्यामिति ने बैक्टीरिया को सबसे अच्छी तरह रोका, वह डायटम के खिलाफ खराब प्रदर्शन करती रही, और इसके विपरीत भी। यह अंतर बताता है कि दोनों जीव अलग-अलग सतह संकेतों पर प्रतिक्रिया देते हैं, और यह कि पैटर्न ज्यामिति एक समायोज्य चर है, न कि हल की गई समस्या।

एंटीफाउलिंग प्रभाव को क्या चला रहा है

लेखक प्रदर्शन का श्रेय एक प्रमुख कारक के बजाय कई तंत्रों के संयोजन को देते हैं। उनकी व्याख्या में जिंक आयनों का निकलना, प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों का उत्पादन, सतह का गीलापन, और माइक्रोस्केल तथा नैनोस्केल संरचनाओं के बीच अंतःक्रिया शामिल है।

जिंक आयन निकलना और प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियाँ रासायनिक मार्ग हैं जो जुड़े हुए जीवों में बाधा डाल सकते हैं, जबकि गीलापन और माइक्रो-नैनोस्केल टोपोग्राफी भौतिक मार्ग हैं जो प्रभावित करते हैं कि जीव शुरू में टिक ही पाते हैं या नहीं। इन्हें संयुक्त प्रभाव के रूप में प्रस्तुत करना पैटर्नों में देखी गई भिन्नता के अनुरूप है — एक ही जिंक ऑक्साइड रसायन साझा करने वाली लेकिन माइक्रोपैटर्न ज्यामिति में भिन्न सतहों ने काफी अलग जैविक परिणाम दिए।

पर्यावरणीय प्रश्न अभी खुले हैं

समुद्री परिवेश में जिंक कोई तटस्थ योज्य नहीं है, और आयन निकलने पर निर्भर कोटिंग्स जल स्तंभ में दीर्घकालिक संपर्क के बारे में वैध प्रश्न उठाती हैं। परीक्षण कार्यक्रम में व्हाइटलेग श्रिम्प लार्वा को शामिल करना उस तनाव को सीधे स्वीकार करता है। यह कार्य जो स्थापित नहीं करता वह पूर्ण पर्यावरणीय प्रोफ़ाइल है; तीव्र विषाक्तता परीक्षण एक शुरुआती कदम है, पारिस्थितिकी तंत्र प्रभावों का पूर्ण आकलन नहीं।

हालाँकि, व्यापक लक्ष्य स्पष्ट है: ऐसी एंटीफाउलिंग सामग्रियाँ जो पुराने रसायनों से जुड़ी कमियों के बिना प्रदर्शन करें। एक कोटिंग जो भौतिक टोपोग्राफी को नियंत्रित रासायनिक घटक के साथ जोड़ती है, वह प्रदर्शन को समायोजित करने और आवश्यक सक्रिय सामग्री की मात्रा सीमित करने के तरीके प्रदान कर सकती है।

माइक्रो- और नैनोसंरचित एंटीफाउलिंग के लिए आगे क्या है

इन परिणामों से कई प्रश्न उठते हैं। वास्तविक समुद्री वातावरण एक जीवाणु और एक डायटम की तुलना में बहुत अधिक जटिल फाउलिंग समुदाय प्रस्तुत करते हैं, और फाउलिंग प्रयोगशाला प्रवाह परीक्षण की समय-सीमा के बजाय महीनों में विकसित होती है। घर्षण, धूप और बार-बार विसर्जन के तहत टिकाऊपन तय करेगा कि पैटर्नयुक्त जिंक ऑक्साइड कोटिंग्स सेवा में टिक सकती हैं या नहीं।

फिर भी, यह अध्ययन एंटीफाउलिंग साहित्य में एक उपयोगी डेटा बिंदु जोड़ता है। यह दिखाता है कि माइक्रोस्केल पैटर्निंग और नैनोस्केल जिंक ऑक्साइड को पॉलिमर सब्सट्रेट्स पर संयोजित किया जा सकता है, कि परिणामी सतहें अत्यधिक जल-विकर्षक हो जाती हैं, और यह कि बैक्टीरिया और डायटम द्वारा जुड़ाव को काफी कम किया जा सकता है — जिसमें कमी का आकार काफी हद तक इस पर निर्भर करता है कि कौन सा पैटर्न उपयोग किया गया।

हल कोटिंग्स, सेवन सुरक्षा और जलकृषि हार्डवेयर पर काम करने वाले इंजीनियरों के लिए, यह पैटर्न-निर्भर व्यवहार सबसे व्यावहारिक निष्कर्ष है: सतह बनावट का डिज़ाइन उतना ही मायने रख सकता है जितना उस पर लगाया गया रसायन।

यह लेख Phys.org की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।