पॉलीइलेक्ट्रोलाइट सोखना

ठोस सब्सट्रेट्स पर polyelectrolytes  का सोखना एक सतही घटना है जहां चार्ज समूहों (डब किए गए पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स) के साथ लंबी श्रृंखला वाले पॉलिमर अणु विपरीत ध्रुवता में चार्ज की गई सतह से जुड़ते हैं। आणविक स्तर पर, पॉलिमर वास्तव में सतह से नहीं जुड़ते हैं, बल्कि अंतर-आणविक बलों और पॉलिमर के विभिन्न पार्श्व समूहों के पृथक्करण द्वारा बनाए गए आवेशों के माध्यम से सतह से चिपक जाते हैं। क्योंकि पॉलिमर अणु इतने लंबे होते हैं, उनके पास सतह से संपर्क करने के लिए बड़ी मात्रा में सतह क्षेत्र होता है और इस प्रकार वे अवशोषित नहीं होते हैं जैसा कि छोटे अणुओं के होने की संभावना होती है। इसका मतलब यह है कि पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स की सोखी हुई परतें एक बहुत टिकाऊ कोटिंग बनाती हैं। पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परतों की इस महत्वपूर्ण विशेषता के कारण उन्हें उद्योग में बड़े पैमाने पर फ्लोकुलेंट्स के रूप में, घुलनशीलता के लिए, सुपरसॉर्बर्स, एंटीस्टैटिक एजेंटों के रूप में, पेट्रोलियम निष्कर्षण सहायकों के रूप में, पोषण में जेलिंग सहायकों के रूप में, कंक्रीट में एडिटिव्स के रूप में, या रक्त अनुकूलता बढ़ाने के लिए उपयोग किया जाता है।.

परत निर्माण की गतिकी
ठोस सतह के समाधान में पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के सोखने के व्यवहार के मॉडल बेहद स्थितिजन्य हैं। विभिन्न पॉलीइलेक्ट्रोलाइट चरित्र और एकाग्रता, समाधान की आयनिक शक्ति, ठोस सतह चरित्र और पीएच, और कई अन्य कारकों के आधार पर काफी भिन्न व्यवहार प्रदर्शित किए जाते हैं। सटीक मॉडल बनाने के लिए इन जटिल मॉडलों को कुछ मापदंडों के लिए अनुप्रयोग द्वारा विशेषीकृत किया जाता है।

सैद्धांतिक गतिकी
हालाँकि, प्रक्रिया के सामान्य चरित्र को समाधान में एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट और एक विपरीत रूप से चार्ज की गई सतह के साथ उचित रूप से अच्छी तरह से तैयार किया जा सकता है, जहां सतह और श्रृंखला के बीच कोई सहसंयोजक बातचीत नहीं होती है। आवेशित सतह पर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की अधिशोषित मात्रा के लिए यह मॉडल डीएलवीओ सिद्धांत से लिया गया है, जो समाधान में आवेशित कणों की परस्पर क्रिया को मॉडल करता है, और माध्य क्षेत्र सिद्धांत, जो विश्लेषण के लिए सिस्टम को सरल बनाता है। संशोधित पॉइसन-बोल्ट्ज़मैन समीकरण और माध्य क्षेत्र समीकरण का उपयोग करके, चार्ज सतह के पास एकाग्रता प्रोफ़ाइल को संख्यात्मक रूप से हल किया जाता है। इन समीकरणों के समाधान से इलेक्ट्रोलाइट चार्ज अंश, ρ और थोक नमक सांद्रता के आधार पर अधिशोषित मात्रा, Γ के लिए एक सरल संबंध प्राप्त होता है। $$c_b$$.


 * $$\Gamma = \int_0^{\infty} \! c(x)\,dx \, \approx \frac{\left\vert y_s \right\vert^{3/2}}$$

कहाँ $$y_s$$ घटी हुई सतह क्षमता है:


 * $$y_s = \frac \,$$

और $$\lambda_B$$ बजर्रम लंबाई है:


 * $$\lambda_B = \frac{e^2}{4\pi \varepsilon_0 \varepsilon_r \ k_B T},$$

परत-दर-परत सोखना
चूँकि चार्ज पॉलीइलेक्ट्रोलाइट सोखना में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, चार्ज की गई सतहों पर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट सोखना की प्रारंभिक दरें अक्सर तेज़ होती हैं, जो केवल सतह पर द्रव्यमान-परिवहन (प्रसार) की दर से सीमित होती हैं। यह उच्च दर तब तेजी से कम हो जाती है क्योंकि सतह पर चार्ज संचय होता है, और आकर्षक बल अब सतह पर अधिक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट श्रृंखला नहीं खींच रहे हैं। अधिशोषण दर में इस गिरावट का मुकाबला चार्ज ओवरकंपेंसेशन की प्रवृत्ति का फायदा उठाकर किया जा सकता है। नकारात्मक रूप से चार्ज की गई ठोस सतह के मामले में, धनायनित पॉलीइलेक्ट्रोलेट श्रृंखलाएं विपरीत चार्ज वाली सतह पर अवशोषित हो जाती हैं। उनका बड़ा आकार और उच्च चार्ज घनत्व मूल नकारात्मक सतह चार्ज को अधिक मुआवजा देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप धनायनित पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के कारण शुद्ध सकारात्मक चार्ज होता है। यह ठोस सतह, अपनी धनायनित पॉलीइलेक्ट्रोलाइट फिल्म और परिणामी सकारात्मक सतह चार्ज के साथ, फिर एक आयनिक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट समाधान के संपर्क में आ सकती है, जहां प्रक्रिया फिर से शुरू होती है, एक विपरीत चार्ज सतह के साथ एक और फिल्म बनाती है। फिर ठोस सतह पर कई दोहरी परतें बनाने के लिए इस प्रक्रिया को दोहराया जा सकता है।

सामग्री का प्रभाव और समाधान की गुणवत्ता
पॉलीइलेक्ट्रोलाइट सोखने की प्रभावशीलता समाधान की सामग्री और विलायक की गुणवत्ता से बहुत प्रभावित होती है जिसमें पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स घुल जाते हैं। प्राथमिक तंत्र जिसके द्वारा विलायक सतह-बहुलक इंटरफ़ेस की सोखने की विशेषताओं को प्रभावित करता है, विलायक का ढांकता हुआ प्रभाव, विलायक में या प्रजातियों की रासायनिक प्रकृति और उसके तापमान द्वारा सुगम आकर्षण या प्रतिकर्षण है। प्रतिकारक स्थैतिक बल एन्ट्रापी पर आधारित होते हैं और पॉलिमर श्रृंखलाओं के कम विन्यास एन्ट्रापी के कारण होते हैं। किसी विशेष पॉलीइलेक्ट्रोलाइट समाधान द्वारा प्रदर्शित होने वाली अंतःक्रिया को सटीक रूप से मॉडल करना मुश्किल है क्योंकि स्थैतिक बल पॉलिमर और विलायक दोनों के रासायनिक मेकअप के साथ-साथ समाधान में मौजूद किसी भी आयनिक प्रजाति के संयोजन पर निर्भर होते हैं।

विलायक विकल्प
पॉलीइलेक्ट्रोलाइट और इसमें रखे गए विलायक के बीच की परस्पर क्रिया, समाधान में और सब्सट्रेट पर जमा होने पर, पॉलिमर की संरचना पर बड़ा प्रभाव डालती है। अपनी अनूठी प्रकृति के कारण, पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के पास सॉल्वैंट्स के लिए कई विकल्प होते हैं, जिनमें पॉलीथीन, स्टाइरीन और अन्य जैसे पारंपरिक पॉलिमर घुलनशील नहीं होते हैं। इसका एक उत्कृष्ट उदाहरण पानी है। जबकि पानी एक उच्च-ध्रुवीय विलायक है, फिर भी यह कई पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स को भंग कर देगा। समाधान में एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की संरचना विलायक और बहुलक के बीच (आमतौर पर प्रतिकूल) बातचीत के संतुलन और बहुलक की व्यक्तिगत दोहराव इकाइयों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण द्वारा निर्धारित की जाती है। यह सुझाव दिया गया है कि एक पॉलीइलेक्ट्रोलाइट श्रृंखला अपनी ऊर्जा को अनुकूलित करने के लिए एक लम्बी बेलनाकार ग्लोब्यूल बनाएगी। कुछ मॉडल आगे बढ़ते हैं और मानते हैं कि सबसे कुशल विन्यास बेलनाकार ग्लोब्यूल्स की एक श्रृंखला है जो एक हार विन्यास में बहुत बड़े व्यास वाले गोलाकार ग्लोब्यूल्स को जोड़ता है।

अच्छा विलायक
एक अच्छे विलायक में, बहुलक और विलायक की दोहराई जाने वाली इकाइयों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक बल अनुकूल होते हैं। हालांकि यह पूरी तरह से सहज नहीं है, फिर भी यह पॉलिमर को अधिक मजबूती से पैक की गई संरचना ग्रहण करने का कारण बनता है। यह पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की आवेशित दोहराई जाने वाली इकाइयों के बीच विलायक अणुओं की स्क्रीनिंग के कारण होता है, जिससे पॉलिमर श्रृंखला द्वारा अनुभव किए जाने वाले इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण में कमी आती है। चूंकि पॉलिमर बैकबोन स्वयं को उतनी दृढ़ता से प्रतिकर्षित नहीं करता है जितना कि यह एक खराब विलायक में होता, पॉलिमर श्रृंखला एक कॉम्पैक्ट संरचना मानकर एक अपरिवर्तित पॉलिमर के समान कार्य करती है।

ख़राब विलायक
एक खराब विलायक में, विलायक के अणु पॉलीइलेक्ट्रोलाइट के आवेशित भागों के साथ खराब या प्रतिकूल रूप से संपर्क करते हैं। दोहराई जाने वाली इकाइयों के बीच आवेशों को प्रभावी ढंग से स्क्रीन करने में विलायक की असमर्थता के कारण बहुलक अपनी दोहराई जाने वाली इकाइयों के इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के कारण शिथिल संरचना ग्रहण कर लेता है। ये इंटरैक्शन पॉलिमर को सब्सट्रेट पर अधिक समान रूप से जमा करने की अनुमति देते हैं।

नमक की सघनता
जब एक आयनिक यौगिक विलायक में घुल जाता है, तो आयन पॉलीइलेक्ट्रोलाइट श्रृंखलाओं पर आवेशों को स्क्रीन करने का कार्य करते हैं। समाधान की आयनिक सांद्रता पॉलीइलेक्ट्रोलाइट की परत निर्माण विशेषताओं के साथ-साथ समाधान में बहुलक द्वारा ग्रहण की गई संरचना को निर्धारित करेगी।

अधिक नमक
उच्च नमक सांद्रता एक अनुकूल विलायक में एक बहुलक द्वारा अनुभव की गई बातचीत के समान स्थितियों का कारण बनती है। पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स, चार्ज होने पर भी, कार्बन बैकबोन के साथ अभी भी मुख्य रूप से गैर-ध्रुवीय होते हैं। जबकि पॉलिमर बैकबोन पर आवेश एक इलेक्ट्रोस्टैटिक बल लगाते हैं जो पॉलिमर को अधिक खुली और ढीली संरचना में ले जाता है, यदि आसपास के घोल में नमक की उच्च सांद्रता है, तो चार्ज प्रतिकर्षण की जांच की जाएगी। एक बार जब इस चार्ज की जांच हो जाती है तो पॉलीइलेक्ट्रोलाइट उच्च आयनिक शक्ति समाधान 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 गुच्छित और सघन बहुलक जमा हो जाता है।

कम नमक
कम आयनिक शक्ति वाले समाधान में, बहुलक की दोहराई जाने वाली इकाइयों पर मौजूद आवेश संरचना को नियंत्रित करने वाली प्रमुख शक्ति हैं। चूंकि दोहराई जाने वाली इकाइयों के बीच प्रतिकारक अंतःक्रियाओं को स्क्रीन करने के लिए बहुत कम चार्ज मौजूद होता है, इसलिए पॉलिमर बहुत फैला हुआ, ढीला ढांचा ग्रहण करता है। यह संरचना सब्सट्रेट पर अधिक समान परत लगाने की अनुमति देती है, जो सतह के दोषों और गैर-समान सतह गुणों को रोकने में सहायक है।

पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परतों का औद्योगिक उपयोग
उपलब्ध आयनिक पॉलिमर की विविधता के कारण पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स को कई प्रकार की सतहों पर लागू किया जा सकता है। विभिन्न डिज़ाइन उद्देश्यों को पूरा करने के लिए उन्हें बहु-परत रूप में ठोस सतहों पर लागू किया जा सकता है, उनका उपयोग कोलाइडल 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 जो इसका उपयोग पूरे मानव शरीर में दवाओं को पहुंचाने के लिए किया जाता है।

पॉलिमर कोटिंग्स
पॉलीइलेक्ट्रोलाइट मल्टी-लेयर पॉलिमर कोटिंग उद्योग में अनुसंधान का एक आशाजनक क्षेत्र है क्योंकि उन्हें पानी आधारित विलायक में कम लागत पर स्प्रे-ऑन फैशन में लागू किया जा सकता है। यद्यपि पॉलिमर केवल इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों द्वारा सतह पर टिके रहते हैं, बहु-परत कोटिंग्स तरल कतरनी के नीचे आक्रामक रूप से चिपक जाती हैं। इस कोटिंग तकनीक का नुकसान यह है कि परतों में जेल जैसी स्थिरता होती है और इसलिए वे घर्षण के प्रति कमजोर होती हैं।

स्टेनलेस स्टील संक्षारण प्रतिरोध
जंग को रोकने के लिए परत-दर-परत अनुप्रयोग विधि का उपयोग करके स्टेनलेस स्टील को कोट करने के लिए वैज्ञानिकों द्वारा पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग किया गया है। वह सटीक तंत्र जिसके द्वारा संक्षारण को प्रतिबंधित किया जाता है अज्ञात है क्योंकि पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बहु-परतें जल-भरी होती हैं और जेल जैसी स्थिरता की होती हैं। एक सिद्धांत यह है कि परतें छोटे आयनों के लिए अभेद्य अवरोध बनाती हैं जो स्टील के क्षरण को सुविधाजनक बनाती हैं। इसके अतिरिक्त, मल्टी-लेयर फिल्म के भीतर पानी के अणुओं को पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के आयनिक समूहों द्वारा प्रतिबंधित स्थिति में रखा जाता है। इससे स्टील की सतह पर पानी की रासायनिक गतिविधि कम हो जाती है।

प्रत्यारोपण वृद्धि
कई बायोमेडिकल उपकरण जो शारीरिक तरल पदार्थों के संपर्क में आते हैं, वे प्रतिकूल विदेशी शरीर प्रतिक्रिया, या अस्वीकृति के प्रति संवेदनशील होते हैं और इस प्रकार, उपकरण की विफलता होती है। संक्रमण का मुख्य तंत्र एक बायोफिल्म का निर्माण है, जो कि सेसाइल बैक्टीरिया का एक मैट्रिक्स है जिसमें द्रव्यमान द्वारा लगभग 15% जीवाणु कोशिकाएं और 85% जल विरोधी  एक्सोपॉलीसेकेराइड फाइबर होते हैं। इस जोखिम को खत्म करने का एक तरीका इम्प्लांट के आसपास के क्षेत्र में स्थानीय उपचार लागू करना है। यह आरोपण से पहले चिकित्सा उपकरण पर दवा-संसेचित पॉलीइलेक्ट्रोलाइट मल्टी-लेयर लगाकर किया जा सकता है। इस तकनीक का लक्ष्य पॉलीइलेक्ट्रोलाइट बहु-परतों का एक संयोजन बनाना है जहां एक बहु-परत 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 जारी करने और प्रभावित क्षेत्र में जाने के लिए इसमें से कुछ पर भरोसा करने की वर्तमान तकनीक से अधिक प्रभावी होगी। इम्प्लांट के लिए प्रभावी कोटिंग की आधार परत डीएमएलपीईआई/पीएए, या रैखिक एन, एन-डोडेसिल, मिथाइल-पॉली (एथिलीनमाइन) / पॉली (ऐक्रेलिक एसिड) है।

कोलाइड स्थिरता
पॉलीइलेक्ट्रोलाइट सोखना का एक अन्य प्रमुख अनुप्रयोग ठोस कोलाइडल सस्पेंशन या सोल का स्थिरीकरण (या अस्थिरता) है। समाधान में कणों में वैन डेर वाल्स बलों के समान आकर्षक बल होते हैं, जो हैमेकर सिद्धांत द्वारा प्रतिरूपित होते हैं। ये बल कोलाइडल कणों को कण एकत्रीकरण या flocculation का कारण बनते हैं। हैमेकर आकर्षक प्रभाव समाधान में कोलाइड्स के दो प्रतिकारक प्रभावों में से एक या दोनों द्वारा संतुलित होता है। पहला है इलेक्ट्रोस्टैटिक स्थिरीकरण, जिसमें कणों के समान आवेश एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। यह प्रभाव जेटा क्षमता के कारण होता है जो घोल में कण के सतह आवेश के कारण मौजूद होता है। दूसरा है स्थैतिक स्थिरीकरण, स्थैतिक प्रभावों के कारण। अधिशोषित पॉलिमर श्रृंखलाओं के साथ कणों को खींचने से सतह पर पॉलिमर श्रृंखलाओं की गठनात्मक एन्ट्रॉपी बहुत कम हो जाती है, जो थर्मोडायनामिक रूप से प्रतिकूल है, जिससे फ्लोक्यूलेशन और जमावट अधिक कठिन हो जाती है।

पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स के सोखने का उपयोग सस्पेंशन को स्थिर करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि डाई और पेंट के मामले में। इसका उपयोग कणों की सतह पर विपरीत रूप से चार्ज की गई श्रृंखलाओं को सोखने, जीटा-क्षमता को निष्क्रिय करने और संदूषकों के फ्लोक्यूलेशन या जमाव के कारण निलंबन को अस्थिर करने के लिए भी किया जा सकता है। इसका उपयोग अपशिष्ट-जल उपचार में प्रदूषकों के निलंबन को बलपूर्वक प्रवाहित करने के लिए किया जाता है, जिससे उन्हें फ़िल्टर किया जा सके। विभिन्न प्रकार के औद्योगिक फ़्लोकुलेंट हैं जो विशेष प्रजातियों को लक्षित करने के लिए या तो धनायनित या ऋणायनिक प्रकृति के होते हैं।

तरल कोर का एनकैप्सुलेशन
पॉलीइलेक्ट्रोलाइट मल्टी-लेयर द्वारा कोलाइड को अतिरिक्त स्थिरता प्रदान करने का एक अनुप्रयोग तरल कोर के लिए एक ठोस कोटिंग का निर्माण है। जबकि पॉलीइलेक्ट्रोलाइट परतें आम तौर पर ठोस सब्सट्रेट्स पर सोख ली जाती हैं, उन्हें पानी के इमल्शन या कोलाइड्स में तेल जैसे तरल सब्सट्रेट्स पर भी सोख लिया जा सकता है। इस प्रक्रिया में काफी संभावनाएं हैं, लेकिन कठिनाई भी बहुत है। चूंकि कोलाइड्स को आमतौर पर सर्फेकेंट्स और अक्सर आयनिक सर्फेक्टेंट द्वारा स्थिर किया जाता है, एक बहु-परत का सोखना जो सर्फेक्टेंट के समान चार्ज होता है, पॉलीइलेक्ट्रोलाइट और सर्फेक्टेंट के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के कारण समस्याएं पैदा करता है। गैर-आयनिक सर्फेक्टेंट का उपयोग करके इसे टाला जा सकता है; हालाँकि, पानी में इन गैर-आयनिक सर्फेक्टेंट की घुलनशीलता आयनिक सर्फेक्टेंट की तुलना में बहुत कम हो जाती है।

एक बार बन जाने के बाद इन कोर का उपयोग दवा वितरण और माइक्रोरिएक्टर जैसी चीजों के लिए किया जा सकता है। दवा वितरण के लिए, पॉलीइलेक्ट्रोलाइट शेल एक निश्चित समय के बाद टूट जाएगा, दवा जारी करेगा 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।