ভূ-পলিমার

ভূ-পলিমার হলো অজৈব, সাধারণত মৃত্তিকা-সদৃশ পদার্থ, যাদের মধ্যে সমযোজী বন্ধনে আবদ্ধ, অ-স্ফটিক (অনিয়তাকার) বিপুল পদার্থসমূহ অন্তর্ভুক্ত। আগ্নেয়শিলা, ওবসিডিয়ান (আগ্নেয় কাঁচ)-এর মিশ্রিত উপাদানও হয় কিছু ভূ-বহুলক। বাণিজ্যিকভাবে উৎপাদিত ভূ-বহুলক, অগ্নি ও তাপ-প্রতিরোধী আবরণ এবং অ্যজেসিভ গোচের আঠা, মেডিক্যাল অ্যাপ্লিকেশন, উচ্চ-তাপীয় সিরামিক, তাপ-রোধী ফাইবার কম্পোজিটের জন্য নতুন বাইন্ডার, বিষাক্ত এবং তেজস্ক্রিয় বর্জ্যের আবরণ এবং কংক্রিটের জন্য নতুন সিমেন্ট উৎপাদনে ব্যবহার করা যায়। ভূ-বহুলকের বৈশিষ্ট্য এবং ব্যবহার আজ বহু বৈজ্ঞানিক এবং শিল্পের নানা শাখায় অনুসন্ধানের বিষয় হয়ে উঠেছে: আধুনিক অজৈব রসায়ন, শারীরিক রসায়ন, কলয়েড রসায়ন, খনিজ বিজ্ঞান, ভূতত্ত্ব এবং আরও অন্যান্য ধরনের ইঞ্জিনিয়ারিং প্রক্রিয়ার প্রযুক্তি।  ভূ-বহুলকের ক্ষেত্রটি বহুলক বিজ্ঞান, রসায়ন এবং প্রযুক্তির একটি অংশ যা উপাদান বিজ্ঞানের অন্যতম প্রধান ক্ষেত্র গঠন করেছে। বহুলক বা বহু-অণু জৈব পদার্থ, অর্থাৎ কার্বন-ভিত্তিক, অথবা অজৈব বহুলক, যেমন সিলিকন-ভিত্তিক হতে পারে। জৈব বহুলক-এর মধ্যে আছে প্রাকৃতিক বহুলক (রাবার, সেলুলোজ), কৃত্রিম সিন্থেটিক জৈব বহুলক (টেক্সটাইল ফাইবার, প্লাস্টিক, ফিল্ম, ইলাস্টোমারস ইত্যাদি) এবং প্রাকৃতিক বায়োবহুলক (জীববিজ্ঞান, ঔষধ, ফার্মাসি)। সিলিকন-ভিত্তিক বহুলক সংশ্লেষণে ব্যবহৃত কাঁচামাল, মূলত ভূতাত্ত্বিক উৎসের শিলা-গঠনকারী খনিজ ব'লে তার নাম: ভূ-বহুলক। ১৯৭৮ সালে শব্দটি তৈরি করেন  জোসেফ ডেভিডোভিটস  এবং অ-লাভজনক ফরাসি বৈজ্ঞানিক প্রতিষ্ঠান (অ্যাসোসিয়েশন লুই ১৯০১) ভূ-বহুলক ইনস্টিটিউট।

টি.এফ. ইয়েন অনুসারে, ভূ-বহুলকগুলিকে দুটি প্রধান বিভাগে শ্রেণিবদ্ধ করা যেতে পারে: খাঁটি অজৈব ভূ-বহুলক এবং জৈব সমৃদ্ধ ভূ-বহুলক, প্রাকৃতিকভাবে সংঘটিত ম্যাক্রো-মলিকুলস-এর সিন্থেটিক অ্যানালগ। নিচের উপস্থাপনায়, একটি ভূ-বহুলক মূলত একটি খনিজ রাসায়নিক যৌগ বা পুনরাবৃত্ত একক সমন্বিত যৌগের মিশ্রণ, যেমন সিলিকো-অক্সাইড (-Si-O-Si-O-), সিলিকো-অ্যালুমিনেট (-Si-O-Al-O-), ফেরো-সিলিকো-অ্যালুমিনেট (-Fe-O-Si-O-Al-O-) অথবা এলুমিনো-ফসফেট (-Al-O-P-O-), যা জিওপলিমেরাইজেশন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে তৈরি হয়। এই খনিজ সংশ্লেষণ (জিয়োসিনথেসিস) ১৯৭৬ সালে প্রথম আইইউপিএসি সিম্পোজিয়ামে উপস্থাপিত হয়।

ভূ-বহুলকের মাইক্রোস্ট্রাকচারটি মূলত তাপমাত্রা নির্ভর: ঘরের তাপমাত্রায় এক্স-রে অনিয়তাকার, তবে ৫০০ ডিগ্রি সেন্টিগ্রেড (°C) তাপমাত্রায় স্ফটিকের ম্যাট্রিক্সে বিকশিত হয়।

দুই পথে সংশ্লেষণের মধ্যে পার্থক্য: ক্ষার মাধ্যমে (Na+, K+, Li+, Ca2+, Cs+ ইত্যাদির মতো); অথবা অ্যাসিডিক মাধ্যমে ফসফোরিক অ্যাসিড, জৈব কার্বক্সিলিক অ্যাসিড উদ্ভিদ থেকে নিষ্কাশিত (অ্যসেটিক, সাইট্রিক, অক্সালিক, এবং হিউমিক অ্যাসিড)।

গবেষণা, বিকাশ এবং বাণিজ্যিক ব্যবহারের ক্ষেত্রে ক্ষারীয় পথটি সর্বাধিক গুরুত্বপূর্ণ এবং তা নীচে বর্ণিত হয়েছে। অ্যাসিডিক পথটি আলোচিত হয়েছে অন্যত্র।

ভূ-বহুলক কী?
১৯৫০-এর দশকে, ইউএসএসআরের ভিক্টর গ্লুকভস্কি (কিয়েভ) মূলত "মাটির সিলিকেট কনক্রিটস" এবং "মাটির সিমেন্ট" নামে পরিচিত কংক্রিট উপকরণ তৈরি করেছিলেন, কিন্তু জোসেফ ডেভিডোভিটস প্রবর্তিত ভূ-বহুলক ধারণার পর থেকে, পরিভাষা ও 'জিওপোলিমার' সংজ্ঞা আরও বৈচিত্র্যময় এবং প্রায়ই বিরোধীতায় পরিপূর্ণ। নীচের উদাহরণগুলি বিভিন্ন পটভূমির বিজ্ঞানীদের লেখা, ২০১১ সালের বৈজ্ঞানিক প্রকাশনা থেকে নেওয়া।

ভূ-বহুলক শব্দের সংজ্ঞা

রসায়নবিদদের জন্য
'... ভূ-বহুলকে রয়েছে, পলিমেরিক Si–O–Al গঠন(ফ্রেমওয়ার্ক), অনেকটা জিওলাইটের মতো। জিওলাইটের সঙ্গে মূল পার্থক্য হল, ভূ-বহুলক স্ফটিকের পরিবর্তে অনিয়তাকার। ন্যানোমিটার মাপকাঠিতে টিইএম দ্বারা দেখা গেছে, ভূ-বহুলকের মাইক্রোগঠন, বহু ছিদ্রযুক্ত নেটওয়ার্কের মধ্যে ছোট্ট অ্যালুমিনোসিলিকেট গুচ্ছর ছিদ্র বিচ্ছুরিত(বা ডিসপার্স) হয়ে রয়েছে। গুচ্ছগুলির আকার ৫ থেকে ১০ ন্যানোমিটারের মধ্যে। '

ভূ-বহুলক উপাদান রসায়নবিদদের জন্য
'... রাসায়নিক বিক্রিয়ায়, SiO2/Al2O3 -এর অনুপাতের উপর নির্ভর করে, পলি (সিয়ালেটস) বা পলি (সিয়ালেট-সাইলোক্সো) বা পলি (সিয়ালেট–ডাইসাইলোক্সো) হিসাবে অক্সিজেনের সাথে সংযুক্ত হয়ে, টেট্রাহেড্রাল গঠনের  SiO4 এবং AlO4 উৎপন্ন হয়। টেট্রাহেড্রাল ফ্রেমওয়ার্ক সংযোগ, দীর্ঘ-পরিসীমায় সমযোজী বন্ধনের মাধ্যমে ঘটে। সুতরাং, ভূ-বহুলক কাঠামোটি অর্ধ-স্ফটিক থ্রি-ডি অ্যালুমিনো-সিলিকেট মাইক্রোস্ট্রাকচারের সমন্বয়ে ঘন অনিয়তাকার স্তর হিসাবে ধরা যায় ক্ষারীয়-সিমেন্ট বিজ্ঞানীদের জন্য'... ভূ-বহুলক গঠনকাঠামো হ'ল, ক্ষারীয় ধাতব আয়নগুলি টেট্রাহেড্রাল Al এর সাথে যুক্ত আধানের সাম্য বজায় রেখে টেট্রাহেড্রাল অ্যালুমিনোসিলিকেট ইউনিটসমূহের ঘনীভবন দ্বারা উৎপাদিত কাঠামো। প্রচলিতভাবে, ভূ-বহুলক সংশ্লেষিত হয়, দু-ভাগ ক্ষারীয় দ্রবণের (প্রায়ই দ্রবণীয় সিলিকেট)  সাথে শক্ত অ্যালুমিনোসিলিকেটের মিশ্রণে। ভু-বহুলকায়ন ঘটে সাধারণ বা সামান্য উঁচু তাপমাত্রায়, যেখানে ক্ষারীয় দ্রবণে শক্ত অ্যালুমিনোসিলিকেটের অল্প অল্প মিশ্রণে কঠিন থেকে জেল পর্যায়ে পরিবর্তণ বাড়তে থাকে। তারপরে তার নিউক্লিয়েশন এবং ঘনীভবনের পরে শক্ত হয়ে তৈরি হয় কঠিন বাইন্ডার।'ভূ-বহুলক সিরামিক রসায়নবিদদের জন্য'… যদিও ভূ-বহুলক সাধারণত এক্স-রে নিরাকার হয়, তবে প্রমাণ চাপ এবং তাপমাত্রায় তা লিউসাইট বা পলুসাইটের মতো স্ফটিকাকার সিরামিক পর্যায়ে রূপান্তরিত হয়।'সিরামিক বিজ্ঞানীদের জন্য'... ভূ-বহুলক, I অক্সাইড (বা আই অক্সাইড) গ্রুপের অন্তর্গত সম্পূর্ণ অজৈব, অ্যালুমিনো-সিলিকেট ভিত্তিক সিরামিক। এগুলি অনমনীয় জেল, যা তাপমাত্রা এবং চাপের তুলনামূল পরিমাপে প্রায় জালের মতো মাত্রা পায়, এবং পরবর্তীতে স্ফটিক বা কাচ-সিরামিক পদার্থে রূপান্তরিত হতে পারে। '

ভূ-বহুলক সংশ্লেষণ

আয়নিক সমন্বয় অথবা সমযোজী বন্ধন?

১৯৩৭ সালে ডবলিউ. এল. ব্র্যাগ, লিনাস পাউলিং-এর আয়োনিক তত্ত্বের ধারণার ভিত্তিতে, সমস্ত ধরনের সিলিকেট এবং তাদের স্ফটিক কাঠামোর শ্রেণিবদ্ধ করার জন্য একটি পদ্ধতি প্রকাশ করেন। সেই পদ্ধতিতে, এর মৌলিক একক হচ্ছে, একটি টেট্রাহেড্রাল যৌগ, যাতে থাকে চারটি অক্সিজেনের সাথে Si4+, অথবা Al3+-এর একটি ক্ষুদ্র কেশন সমন্বয় (পাউলিংয়ের প্রথম নিয়ম)। অনেক পাঠ্যপুস্তকে বিভিন্ন আয়নগুলির আপেক্ষিক আকারের দ্বারা SiO44− টেট্রাহেড্রন এবং অন্যান্য খনিজের কাঠামোর জ্যামিতি, ব্যাখ্যা করা হয়েছে।

সমযোজী বন্ধন শাসিত ভূ-বহুলক রসায়নের প্রয়োজনীয়তার সাথে এই আয়নিক সমন্বয়ের প্রতিনিধিত্বের ব্যাপারটি কোন মতেই খাপ খায় না। আয়নিক ধারণা (সমন্বয়) এবং সমযোজী বন্ধনের মধ্যে পার্থক্যগুলি গভীরভাবে প্রকট। ডবল টেট্রাহেড্রন কাঠামোয় (সমন্বয়) যেখানে অক্সিজেন অ্যানায়ন O2− ভাগ করে চলে, অন্যদিকে  Si-O-Si- আণবিক কাঠামোতে সমযোজী বন্ধন সাধিত হয় Si এবং O এর সাথে কেবল মাত্র একটি ইলেকট্রনের সহ-ভাগাভাগির দ্বারা। এর ফলে, পরের কাঠামোর মধ্যে বন্ধন আরও শক্তিশালী হয়। আমেরিকান খনিজবিদ এবং ভূ-রসায়নবিদ জি.ভি. গিবস এবং তাঁর দল Si-O-Si-O এর পলিমেরিক বন্ড অধ্যয়ন করে ১৯৮২-২০০০-এ বলেছেন: সিলিকার বৈশিষ্ট্য এবং কাঠামোর সফল মডেলিং ... এই বিবৃতিতে এই বিশ্বাসযোগ্যতাই দেয় যে একটি সিলিকা পলিমর্ফ, কোয়ার্টজের মতো Si-O-Si কাঠামোর পরমাণুগুলিকে একটি ছোট্ট সিলোক্সেন অণুতে আবদ্ধ হতে যে শক্তির প্রয়োজন হয়, মূলত তেমনই, একটি দৈত্য অণু বন্ধন হিসাবে দেখা যেতে পারে। জি.ভি. গিবস ব্যবহৃত শব্দ এই দৈত্য অণু , ভূ-বহুলক  সংজ্ঞার সমতুল্য এবং ব্যবহৃত শব্দ ছোট্ট সিলোক্সেন অণু ভালভাবে বর্ণনা করে, অর্গানো-সিলিকন যৌগের প্রকৃত অলিগোমারসমূহকে যা সিলিকন বহুলক নামে পরিচিত। এই নিবন্ধের নীচে বর্ণিত সিলিকো-অ্যালুমিনেট অলিগোমারগুলির মতো এই সিলোক্সেন অলিগোমারগুলিরও রয়েছে একই কাঠামো।

ভু-বহুলকায়ন আরম্ভ অলিগোমার দিয়ে

ভু-বহুলকায়ন হ'ল অলিগোমার নামে পরিচিত অনেকগুলি ছোট অণুর একটি সমযোজী বন্ধনেযুক্ত নেটওয়ার্কের সাথে সংযুক্ত করার প্রক্রিয়া। ভূ-রাসায়নিক সংশ্লেষণ অলিগোমার্স (ডাইমার, ট্রাইমার, টেট্রামার, পেন্টামার) এর মাধ্যমে সাধিত হয় যা ত্রিমাত্রিক ম্যাক্রোমোলিকুলার এডিফাইসের আসল ইউনিট কাঠামো সরবরাহ করে। ২০০০ সালে, টি.ডব্লিউ. সাডল এবং তাঁর দল  তুলনামূলকভাবে উচ্চ ঘনত্ব এবং উচ্চ পিএইচ  দ্রবণে দ্রবণীয় বিচ্ছিন্ন অ্যালুমিনো-সিলিকেট অণুর অস্তিত্ব প্রমাণ করেন। তাঁদের গবেষণার একটি প্রধান উন্নতি হ'ল তাঁদের গবেষণাটি খুব কম তাপমাত্রায় (−৯ °সেলসিয়াসেরও কম) পরিচালিত হয়েছিল। প্রকৃতপক্ষে, এটি আবিষ্কার করা গিয়েছিল যে অলিগো-সিয়ালেট, ঘরের তাপমাত্রায় বহুলকাইজেশন সময়সীমার চেয়ে প্রায় ১০০ মিলিসেকেন্ডের মধ্যে অর্থাৎ অর্থো-সিলিকেট, অলিগো-সাইলোক্সো ইউনিটের বহুলকাইজেশনের চেয়ে ১০০ থেকে ১০০০ গুণ বেশি গতিবেগে চলছে। ঘরের সাধারণ তাপমাত্রায় বা ততোধিক উষ্ণতায়, বিক্রিয়াটি এত দ্রুত হয় যে এটি প্রচলিত বিশ্লেষণাত্মক সরঞ্জাম দিয়ে শনাক্ত করা যায় না।

ছবিতে K-পলি(সিয়ালেট)/পলি(সিয়ালেট-সাইলোক্সো) ধরনের ৫ টি দ্রবণীয় অলিগোমার দেখানো হয়েছে, যা পটাশিয়াম-ভিত্তিক অ্যালুমিনো-সিলিকেট জিওপোলিমারাইজেশনের আসল সূচনা-ইউনিট।উদাহরণ ক্ষারীয় মাধ্যমে মেটাকেওলিন এমকে-৭৫০ সহ (-Si-O-Al-O-) ভূ-বহুলকাইজেশএতে চারটি প্রধান পর্যায়ে সাতটি রাসায়নিক বিক্রিয়ার ধাপ জড়িত:
কেওলিনাইট-এর পলি(সাইলোক্সো) স্তরের ক্ষারীয় ডিপোলিমারাইজেশন;
মনোমেরিক এবং অলিগোমেরিক জাতীয় গঠন, “অর্থো- সিয়ালেট” (OH)3-Si-O-Al-(OH)3 অণু  চিত্র # ১);
ওয়াটারগ্লাসের উপস্থিতিতে (দ্রবণীয় K-পলিসাইলোক্সোনেট)-এর একটি অর্থো-সিয়ালেট-ডিসাইলোক্সো সাইক্লিক গঠন (উদাঃ চিত্রে # ৫) তৈরি করে, যার ফলে ঘনীভবন বিক্রিয়ায় হাইড্রোক্সাইড মুক্ত হয় এবং আবারও বিক্রিয়ায় অংশ নেয়;
উচ্চতর অলিগোমার এবং পলিমেরিক থ্রিডি-নেটওয়ার্কগুলিতে ভু-বহুলকায়ন (পলিকনডেনসেশন) সাধন।

Na-পলি(সিয়ালেট-সাইলোক্সো) এবং K-পলি(সিয়ালেট-সাইলোক্সো) এর ভু-বহুলকায়ন গতিবিদ্যা যথাক্রমে কিছুটা আলাদা। Na+ এর চেয়ে K+  বড় ব’লে, এটি সম্ভবত হয়েছে Na+ এবং K+ কেশনের বিভিন্ন মাত্রার কারণে।উদাহরণ ক্ষারীয় মাধ্যমে ফ্লাই অ্যাশ সহ জিওলাইটিক(Si-O-Al-O-) এর ভু-বহুলকায়ন''

এটিতে ৫ টি প্রধান পর্যায় জড়িত
নিউক্লিয়েশন পর্যায় যেখানে ফ্লাই অ্যাশ কণা থেকে অ্যালুমিনিসিলিকেট ক্ষারীয় মাধ্যমে (Na+) দ্রবীভূত হয়ে, সম্ভবত মনোমার হিসাবে, অ্যালুমিনেটস এবং সিলিকেট মুক্ত করে।
এই মনোমারগুলি আন্তঃ প্রক্রিয়ায় ডাইমার গঠনে করে, যা ফলস্বরূপ অন্যান্য মনোমারের সাথে ক্রিয়া করে ট্রাইমার, টেট্রামার এবং আরও অন্যান্য কিছু তৈরি করে।
যখন দ্রবণ সম্পৃক্ততায় এসে পৌঁছোয়, তখন অ্যালুমিনিয়াম সমৃদ্ধ জেল (ডিনোমিনেটেড জেল ১) অধক্ষেপ থিতিয়ে পড়ে।	
বিক্রিয়াটির অগ্রগতির সাথে সাথে প্রাথমিক কঠিন উৎস থেকে আরও Si-O যৌগমূলক দ্রবীভূত হয়, মিডিয়ামে সিলিকনের ঘনত্ব বাড়ায় এবং ধীরে ধীরে জিওলাইট, পূর্ববর্তী জেলটিতে সিলিকনের অনুপাত বাড়িয়ে তোলে (জেল ২)।	
জিওলাইটের মতো থ্রিডি-ফ্রেমওয়ার্কে পলিকনডেনসেশন হয়।

তথ্যসূত্র 

সিমেন্ট
নির্মাণ উপাদান
সিরামিক উপকরণ
ভূরসায়ন
অজৈব রসায়ন
উপাদান বিজ্ঞান
পলিমার
সিলিকেট