अकार्बनी ऑक्साइड व कमी-अधिक सिलिका ज्यांच्यात आहेत अशा पदार्थांचा वितळलेला द्रव वेगाने थंड झाल्यावर तयार होणाऱ्या घन पदार्थांना काच म्हणतात. आधुनिक मानवी जीवनामध्ये काचेचे अनन्यसाधारण महत्त्व आहे. त्यांत शोभिवंत वस्तू, विविध भांडी, घड्याळांसाठी वापरण्यात येणारी काच, उंच इमारतींमध्ये भरपूर सूर्यप्रकाश मिळावा म्हणून वापरण्यात येणारी काच वा भ्रमणध्वनीमध्ये वापरण्यात येणारी काच आदींचा समावेश होतो.मानवाला इसवी सन पूर्व सातव्या शतकापासून काच माहीत आहे. ईजिप्शियन लोक ज्वालामुखीच्या लाव्ह्यातून मिळालेल्या काचेचा उपयोग विविध अवजारे आणि शस्त्रे तयार करण्यासाठी करीत असत. भूमध्य समुद्राच्या किनाऱ्यावरील वाळू सिलिका (SiO2), समुद्रातील मीठ (NaCl) आणि हाडे (CaO) यांच्या संयोगातून पहिली मानवनिर्मित काच अस्तित्वात आली.यथावकाश काच विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातील प्रगतीमुळे काचेपासून विविध प्रकारची साधने आणि उपकरणे बनविण्यात येऊ लागली.
मूलतः काच हा एक अस्फटिकीय पदार्थ आहे, त्यामध्ये स्फटिकीय पदार्थांप्रमाणे कोणत्याही प्रकारचा लांब श्रेणी क्रम (long range order) असत नाही. सर्वसाधारणपणे आपल्या दैनंदिन वापरात येणाऱ्या काचांमध्ये सिलिका (SiO2) हा एक अविभाज्य भाग असतो; परंतु काच बनविण्यासाठी ते आवश्यकच असते असे नाही. काच विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातील प्रगतीमुळे सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड न वापरताही काच बनविणे शक्य झाले आहे. काचेची रचना समजून घेण्यासाठी मांडण्यात आलेले सुरुवातीचे सिद्धांत हे काच ही फक्त विविध ऑक्साइड पदार्थांपासून बनविण्यात येते या गृहीतकावर आधारित आहेत. आजच्या घडीला ऑक्साइड पदार्थ न वापरतादेखील काच बनविणे शक्य असले, तरीही काचेची रचना समजून घेण्याकरिता ऑक्साइड काचांसंदर्भातील सिद्धांत उपयुक्त ठरतात.
काच बनविण्यासाठी सिलिका वाळू कच्चा माल म्हणून वापरली जाते. सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडचा द्रवणांक (Melting point) १७०० ० से. आहे, परंतु सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडपासून चांगल्या दर्जाची काच तयार करण्यासाठी सिलिका वाळू २०००० – २२००० से. पर्यंत वितळविली जाते, जेणेकरून द्रव काच प्रवाही असेल. ही काच वितळविल्यानंतर हा द्रव क्रांतिक शीतन गतीने (Critical cooling rate) थंड करावा लागतो जेणेकरून सिलिकेचे स्फटिक तयार होणार नाहीत आणि द्रवाचे काचेत रूपांतर होईल. या काचेला ‘सिलिका काच ’ असेही म्हणतात. ही काच अतिशय मजबूत असते, तसेच तिची रासायनिक प्रतिकारक्षमताही उत्कृष्ट असते. ही काच प्रामुख्याने तंतू प्रकाशकीय संदेशवहनासाठी वापरली जाते. तसेच ती वैज्ञानिक उपकरणांसाठी वापरली जाते. परंतु ती तयार करण्यासाठी उच्च तापमानाची आवश्यकता असल्याने अशा काचेची निर्मिती करणे आर्थिक दृष्ट्या खर्चिक असते आणि त्यामुळेच दैनंदिन वापरासाठी या काचेचा उपयोग करणे व्यवहार्य ठरत नाही. म्हणून सिलिका काच दैनंदिन व्यवहारांमध्ये उपयोगात आणावयाची असेल, तर तिचा द्रवणांक कमी करणे क्रमप्राप्त बनते. यासाठी सिलिका वाळूमध्ये सोडियम ऑक्साइड आणि कॅल्शियम ऑक्साइडसारखे अल्कली ऑक्साइड विशिष्ट प्रमाणात मिसळल्यास सिलिका काचेचा द्रवणांक १२००० – १३००० से. पर्यंत कमी होतो, द्रवाचा प्रवाहीपणा टिकून राहतो आणि काचेचा निर्मितीचा खर्चदेखील पुष्कळ प्रमाणात कमी होतो. या काचेला ‘सोडा लाईम सिलिका काच’ असे म्हणतात. खिडक्यांच्या काचा तसेच स्वयंपाकघरातील विविध भांडी या काचेपासून बनविली जातात. परंतु या काचा सिलिका काचेएवढया मजबूत नसतात आणि त्यामुळे त्यांची मजबुती वाढविण्यासाठी ॲल्युमिनियम ऑक्साइडचा वापर करतात. अशा काचांना ‘सोडा ॲल्युमिनो सिलिकेट काच’ असे म्हणतात. सिलिका न वापरतादेखील काच बनविणे शक्य असते, परंतु विविध प्रकारच्या सिलिका मिश्रणांची काचेत रूपांतरित व्हावयाची क्षमता उत्कृष्ट असल्याने दैनंदिन साधनांमध्ये या काचांचा वापर अधिक आढळतो. सर्वसाधारणपणे काचेची घनता २.१ ते ८ पर्यंत असते. ही घनता काचेतील घटकद्रव्यांच्या प्रमाणावर अवलंबून असते.पारदर्शक सिलिका काचेची घनता २.२ असते.
सिलिका काचांप्रमाणेच बोरेट काचांचेही विविध उपयोग आहेत. सिलिका काचांमध्ये ज्याप्रमाणे सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड हा प्रमुख घटक असतो त्याप्रमाणे बोरेट काचांमध्ये बोरॉन ट्राय-ऑक्साइड (B2O3) हा प्रमुख घटक असतो. बोरॉन ट्राय-ऑक्साइडचा द्रवणांक केवळ ४५०० से. असल्याने बोरेट काचांच्या निर्मितीचा खर्च तुलनेने कमी असतो. अल्कली ऑक्साइड सिलिकॉन डाय-ऑक्साइडमध्ये मिसळल्यानंतर सिलिका काचेचा द्रवणांक आणि मजबुती कमी होते; परंतु हेच घटक बोरॉन ट्राय- ऑक्साइडमध्ये मिसळल्यानंतर बोरेट काचांचा द्रवणांक आणि मजबुती वाढते. या परिणामाला ‘बोरेट विसंगती’ असे म्हणतात. बोरेट काचांचा उपयोग मुख्यतः सोडियम व्हेपर दिवे, सोडियम बीटा बॅटरी आणि लिथियम बॅटरीमध्ये सील द्रव्य (Sealing material) म्हणून केला जातो, तसेच विशिष्ट भिंग बनविण्यासाठी केला जातो.
सिलिका आणि बोरेट काचांप्रमाणे ऑक्साइड काचांमधील मुबलक प्रमाणावर वापरली जाणारी काच म्हणजे बोरोसिलिकेट काच. सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड, बोरॉन ट्राय-ऑक्साइड आणि सोडियम ऑक्साइड हे या काचांचे प्रमुख घटक असतात. मूळ बोरेट काचेमध्ये सोडियम ऑक्साइड आणि सिलिकॉन डाय-ऑक्साइड विशिष्ट प्रमाणात मिसळल्यामुळे या काचांची मजबुती आणि रासायनिक प्रतिकारक्षमता वाढते. त्यामुळे या काचांचा उपयोग प्रामुख्याने प्रयोगशाळांमधील विविध भांडी आणि उपकरणे तयार करण्यासाठी तसेच सूक्ष्मतरंग गरम पेटीसाठी (Microwave oven) लागणारी भांडी बनविण्यासाठी केला जातो.
काही विशिष्ट साधनांमध्ये ऑक्साइड विरहीत काचाही वापरल्या जातात. या काचांमध्ये प्रामुख्याने हॅलाइड आणि चाल्कोजनाइड काचांचा समावेश होतो. हॅलाइड काचांमध्ये मुख्यत्वे बेरिलियम फ्ल्युओराइड आणि झिंक क्लोराइड काचांचा समावेश होतो. परंतु या काचा पाण्यात विरघळतात आणि त्यामुळे त्यांचा वापर कोणतेही साधन बनवण्यासाठी करण्यात येत नाही. चाल्कोजनाइड काचा ऑक्सिजन वगळता एक किंवा अधिक चाल्कोजेनापासून – सल्फर, सिलिनियम, टेल्यूरियम – बनविल्या जातात. या काचांचे स्वरूप ऑक्साइड काचांपेक्षा पूर्णपणे वेगळे असते. या काचा अवरक्त शोधकांमध्ये (Infrared detectors) तसेच पुन्हा लिहिता येण्याजोग्या तबकडीमध्ये (Re writable compact disks) वापरतात. धातूंपासूनही काचा बनविता येतात. जर द्रव अवस्थेतील धातू क्रांतिक शीतन गतीने थंड केले तर त्यांचे रूपांतर काचेमध्ये होते. परंतु अशा पद्धतीने काच तयार करण्यासाठी लागणारा क्रांतिक शीतन वेग साधारणपणे एक ते दहा लाख अंश सेल्सिअस प्रतिसेकंद इतका प्रचंड असतो. त्यामुळे स्वाभाविकपणे अशा काचेपासून एखादे साधन मोठ्या प्रमाणावर तयार करणे अवघड असते. धातूंपासून काच बनविण्यासाठी किमान तीन धातूंची आवश्यकता असते आणि अशा प्रकारच्या काचा बनविण्यासाठी पॅलॅडियम, झिर्कोनियम व सोने अशा धातूंचा समावेश असल्याने साहजिकच या काचांची निर्मिती अतिशय खर्चिक असते. या काचांपासून विविध प्रकारचे खेळ साहित्य तसेच वेगबदल पेटी आणि पंप बनविले जातात.
काचेमध्ये वापरण्यात येणारे कच्चे पदार्थ – सिलिका, वाळू, सोडा, व लाइम- शुद्ध असले म्हणजे त्यांच्यापासून तयार होणारी काच स्वच्छ व बिनरंगी असते. कच्च्या पदार्थांत निरनिराळी लवणे मिसळून ते वितळल्यावर निरनिराळ्या रंगांच्या काचा तयार होतात. ठिसूळपणा हा कोणत्याही काचेचा मुख्य दोष असल्यामुळे काचेचा विविध साधनांमध्ये उपयोग करावयाचा असल्यास तिचा कडकपणा वाढविणे आवश्यक ठरते. काचेचा कडकपणा प्रामुख्याने रासायनिक पद्धतीने किंवा काचेवर दाब देऊन वाढविला जातो. अशा काचेला ‘कठीण काच’ म्हणतात. अशा पद्धतीने तयार केलेली काच वाहनांमध्ये तसेच इमारतींमध्ये वापरली जाते. काचेचा कडकपणा वाढवण्याचा दुसरा उपाय म्हणजे काचेचे काच मृत्तिकांमध्ये रूपांतर करणे. काचेमध्ये काही विशिष्ट घटक मिसळून एका विशिष्ट तापमानाला काच गरम केली असता त्यामध्ये काचेत असणाऱ्या काही घटकांचे स्फटिक तयार होतात आणि त्यामुळे मूळ काचेचा कडकपणा वाढतो. काच मृत्तिकांचे बहुतांश गुणधर्म उदाहरणार्थ,मजबुती, रासायनिक प्रतिकारक्षमता, विद्युत गुणधर्म इत्यादी मूळ काचांपेक्षा चांगले असल्याने सध्या जगभरातील आघाडीच्या संशोधन संस्थांमध्ये आणि विद्यापीठांमध्ये यांविषयीचे संशोधन चालू आहे.
संदर्भ :
- Shelby,J. Introduction to Glass Science and Technology, Cambridge, 2005.
- Surynarayana, C; Inoue, A. Bulk Metallic Glasses, Boca Raton, 2011.
- Zarzycky, J. Glass and Vitreous State, Cambridge, 1991. समीक्षक – बाळ फोंडके