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स्व-उगने वाली इंजीनियरिंग सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए जीवित जीवाणुओं का उपयोग करना

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23 फरवरी, 2021 (नानोवरक स्पॉटलाइट) संरचनात्मक सामग्री जो वर्तमान में हमारे मानव निर्मित वातावरण में उपयोग की जाती हैं, वे उम्र और क्षति के कारण खराब हो जाती हैं, और उनके आसपास के वातावरण में परिवर्तन का जवाब देने की सीमित क्षमता होती है। इसके विपरीत, जीवित जैविक सामग्री जैसे हड्डी, त्वचा, छाल और मूंगा, में ऐसे गुण होते हैं जो उन गैर-जीवित सामग्रियों से लाभ प्रदान करते हैं जिनके साथ लोग निर्माण करते हैं - उन्हें जहां जरूरत हो वहां उगाया जा सकता है, क्षतिग्रस्त होने पर स्व-मरम्मत और उनके परिवर्तनों के लिए प्रतिक्रिया दें परिवेश। सीधे शब्दों में कहें: प्रकृति में जैविक प्रणालियां उन जीवित सामग्रियों को इकट्ठा करती हैं जो स्वायत्त रूप से प्रतिरूपित हैं, स्व-मरम्मत कर सकती हैं और अपने पर्यावरण के प्रति समझ और प्रतिक्रिया कर सकती हैं; हालाँकि, इंजीनियरिंग सामग्री आम तौर पर विकसित नहीं हो सकती (बढ़ी हुई इंजीनियरिंग सामग्री पूरी तरह से नई नहीं है, जैसे लकड़ी, लेकिन निर्माण प्रक्रिया के दौरान वे निष्क्रिय हैं, इसलिए वे अपने कुछ घटकों के मूल जैविक लाभ प्रदर्शित करते हैं)। मानव निर्मित वातावरण में जीवित सामग्रियों का समावेश महत्वपूर्ण लाभ प्रदान कर सकता है। दुर्भाग्य से, वैज्ञानिक और इंजीनियर जीवित सामग्रियों के आकार और आकार को आसानी से नियंत्रित करने में असमर्थ हैं, जो उन्हें निर्माण के लिए उपयोगी बनाते हैं। इससे अपेक्षाकृत नए अनुसंधान क्षेत्र का उदय हुआ है: इंजीनियर रहने वाली सामग्री (ईएलएम)। यह सामग्रियों का एक उपन्यास वर्ग है जो जीवित जीवों के गुणों का शोषण करता है। DARPA ने भी लॉन्च किया है इंजीनियर लिविंग मैटेरियल्स प्रोग्राम जीवित बायोमेट्रिक विकसित करके सैन्य रसद और दूरस्थ, निर्माण, उच्च जोखिम, और / या आपदा के बाद के वातावरण में क्रांति लाने की कोशिश करना, जो जीवित प्रणालियों की विशेषताओं के साथ पारंपरिक निर्माण सामग्री के संरचनात्मक गुणों को जोड़ते हैं, जिसमें तेजी से बढ़ने की क्षमता शामिल है। साइट पर, स्व-मरम्मत और पर्यावरण के अनुकूल। ” अंततः, ईएलएम एक ऐसे भविष्य की ओर ले जा सकता है, जहां संसाधन-गहन केंद्रीकृत विनिर्माण के बजाय जीवविज्ञान का उपयोग करते हुए, विभिन्न सामग्रियों को घर पर या स्थानीय उत्पादन सुविधाओं में उगाया जा सकता है। दक्षिणी कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब आदेश दिया है कि सूक्ष्म जीवाणु (उन्नत सामग्री, "बढ़ते माइक्रोस्ट्रक्चर और असाधारण यांत्रिक गुणों के साथ बढ़ते रहने वाले कम्पोजिट") का है। यह कागज जीवित जीवाणुओं को आत्म-बढ़ती सामग्री को डिजाइन करने के लिए दोहन करने का एक उदाहरण प्रदान करता है और इंजीनियरिंग सामग्रियों की एक नई कक्षा के लिए द्वार खोलता है जो जीवित प्राणियों की तरह आत्म-विकास कर सकते हैं। "हमने 3 डी-प्रिंटेड पॉलीमर स्कैफ़ॉल्ड्स के भीतर बैक्टीरिया-सहायता प्राप्त खनिजकरण द्वारा बायोनिक खनिजयुक्त कंपोजिट बनाने की रणनीति विकसित की है," किमिंग वांगस्टीफन श्रैंक सिविल एंड एनवायरनमेंटल इंजीनियरिंग में अर्ली करियर चेयरमैन और दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय में सिविल और पर्यावरण इंजीनियरिंग विभाग में एक सहायक प्रोफेसर, नानवरक बताता है। "अन्य मौजूदा तरीकों की तुलना में, हमारी बायोनिक विधि खनिजों के उच्च अंशों के साथ खनिज युक्त कंपोजिट का उत्पादन कर सकती है और अत्यधिक खनिज खनिजों को छूट देती है।" टेक्स्ट शीर्ष: स्कैमैटिक्स जीवित प्राणियों में खनिजयुक्त संरचनात्मक कंपोजिट की उत्पादन प्रक्रिया को दर्शाता है (जैसे कि स्टामाटोपॉड डैक्टाइल क्लब)। नीचे: स्केमैटिक्स इस काम में बायोनिक कंपोजिट बढ़ने के लिए प्रस्तावित रणनीति को दर्शाता है: 3 डी-प्रिंटेड पाड़ के भीतर बैक्टीरिया-सहायता प्राप्त खनिज विकास। (छवि: क्विंग वांग, यूएससी विर्बी स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग) (छवि पर क्लिक करें विस्तार करने के लिए) वांग और उनकी टीम के काम खनिज खनिजों पर केंद्रित है। ये कठोर सामग्री हैं जो व्यापक रूप से प्रकृति में मौजूद हैं, जैसे दांत, मोती, नैक्रे और मेंटिस झींगा क्लब। उच्च फ्रैक्चर बेरहमी के साथ खनिजयुक्त कंपोजिट डिजाइन करने के लिए, दो आवश्यकताओं को पूरा किया जाना चाहिए: खनिज मात्रा अंश अधिक होना चाहिए; और खनिज तंतुओं को आदेशित अभिविन्यासों (जैसे बाउलिगैंड संरचना) के साथ माइक्रोस्ट्रक्चर बनाना चाहिए। "प्रकृति की बढ़ती विधि दोनों आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है," वांग कहते हैं। "हालांकि, मौजूदा इंजीनियरिंग विधियां केवल एक आवश्यकता को पूरा कर सकती हैं: या तो खनिजों का उच्च मात्रा-अंश, या खनिज लेआउट का एक जटिल वास्तुकला।" टीम की नई विधि दोनों आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है: खनिज मात्रा अंश अपेक्षाकृत अधिक (45-90%) है और खनिज लेआउट ऑर्डर किए गए अवरोध का अनुसरण करता है। "हालांकि, बैक्टीरिया-सहायता प्राप्त खनिजकरण का उपयोग पहले सीमेंटेड सामग्रियों को भरने के लिए किया गया है, संरचनात्मक कंपोजिट डिजाइन करने के लिए निर्देशित जीवाणु खनिज का दोहन नहीं किया गया है," वांग नोट। यह उपन्यास निर्माण रणनीति मुख्य रूप से 3 डी-प्रिंटेड माइक्रोप्रोसेस जाली स्केफोल्ड के भीतर बैक्टीरिया-सहायता प्राप्त खनिज विकास पर निर्भर करती है। एक जाली पाड़ के भीतर बैक्टीरिया-सहायता प्राप्त खनिज विकास 3 डी-मुद्रित जाली पाड़ के भीतर बैक्टीरिया-सहायता प्राप्त खनिज विकास। ए) बैक्टीरिया-सहायता प्राप्त खनिज विकास प्रक्रिया को दिखाने के लिए स्कैमैटिक्स। H खनिज की मोटाई है और R आधी बीम चौड़ाई है। बी-डी) नमूने (बी), उनकी ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपिक छवियां (सी), और बैक्टीरिया के दौरान खनिज सहायता प्रक्रिया के दौरान उनकी एसईएम छवियां (डी) 10 दिनों से अधिक। (विली-वीसीएच वर्लग से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित) (छवि पर क्लिक करें विस्तार करने के लिए) शोधकर्ता विशिष्ट बैक्टीरिया के साथ काम करते हैं (एस। पाश्चुरी) एंजाइम यूरिया को स्रावित करने के लिए जाना जाता है। जब यूरिया और कैल्शियम आयनों के संपर्क में आता है, तो यह हड्डियों और दांतों में पाया जाने वाला एक मौलिक और मजबूत खनिज यौगिक कैल्शियम कार्बोनेट का उत्पादन करता है। कैल्शियम कार्बोनेट खनिजों को विकसित करने के लिए बैक्टीरिया का मार्गदर्शन करके, शोधकर्ताओं ने आदेश दिया microstructures, जो प्राकृतिक खनिजयुक्त कंपोजिट में उन लोगों के समान हैं। "क्योंकि हमारी नई सामग्री दोनों आवश्यकताओं को पूरा करती है - खनिजों का एक उच्च मात्रा-अंश और साथ ही एक जटिल खनिज वास्तुकला - हमारे बायोनिक सामग्रियों की यांत्रिक संपत्ति असाधारण है," वांग बताते हैं। "वे उत्कृष्ट विशिष्ट शक्ति और फ्रैक्चर क्रूरता का प्रदर्शन करते हैं जो प्राकृतिक कंपोजिट और असाधारण ऊर्जा अवशोषण क्षमता के साथ तुलनात्मक हैं जो प्राकृतिक और कृत्रिम दोनों समकक्षों से बेहतर है।" इन सामग्रियों को उन क्षेत्रों में अनुप्रयोग मिल सकते हैं जिनके लिए उच्च प्रदर्शन संरचनाओं की आवश्यकता होती है जैसे कि एयरोस्पेस पैनल और वाहन फ़्रेम। सामग्री अपेक्षाकृत हल्के होते हैं, शरीर या वाहन कवच जैसे रक्षा अनुप्रयोगों के लिए विकल्प भी प्रदान करते हैं। "एक दिलचस्प दृष्टि यह है कि इन जीवित सामग्रियों में अभी भी आत्म-बढ़ती गुण हैं," वांग कहते हैं। "उदाहरण के लिए यदि हम उन्हें एक पुल में उपयोग करते हैं, तो हम प्रभावित संरचनाओं को वापस विकसित करने के लिए बैक्टीरिया को शुरू करके किसी भी क्षति की मरम्मत कर सकते हैं।"

यह वीडियो प्रस्तावित पद्धति की समग्र प्रयोगात्मक प्रक्रिया को दर्शाता है। टीम के शोध का अगला चरण जीवित बैक्टीरिया का उपयोग करना है ताकि अतिरिक्त कार्यात्मक सामग्री विकसित की जा सके जो मौजूदा तरीकों से नहीं बनाई जा सकती है। "हमारी रणनीति भविष्य के संकर सिंथेटिक-जीवित बायोनिक सामग्रियों के लिए एक रोमांचक अवसर पर प्रकाश डालती है, जिसमें जीवित जीवों और 3 डी-मुद्रित सिंथेटिक सामग्रियों के बीच बातचीत या संचार होता है," वांग निष्कर्ष निकालते हैं। "निर्माण रणनीति आसानी से आदेश दिया, पदानुक्रमित, और ढाल microstructures के साथ अभूतपूर्व संरचनात्मक कंपोजिट को संश्लेषित करने के लिए जीवित जीवों की गतिविधि को नियंत्रित करके बढ़ाया जा सकता है।" By
माइकल रॉयल सोसायटी ऑफ केमिस्ट्री की तीन पुस्तकों के लेखक हैं:
नैनो-सोसाइटी: प्रौद्योगिकी की सीमाओं को धक्का देना,
नैनो टेक्नोलॉजी: द फ्यूचर इज टिनी, तथा
नैनोइंजीनियरिंग: स्किल्स एंड टूल्स मेकिंग टेक्नोलॉजी इनविजिबल
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नानावरक

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स्रोत: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=57362.php

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