आधुनिक तंत्रज्ञान हे विज्ञानाच्या मूलभूत संकल्पनांच्या आधारे विकसित होते. त्यामुळेच अब्जांश तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीकरिता ‘अब्जांश-पदार्थ’ विज्ञानाचा सखोल अभ्यास सातत्त्याने होणे आवश्यक आहे.
बृहद् पदार्थ : सामान्यत: जे पदार्थ आपल्याला उघड्या डोळ्यांनी दिसतात, त्यांना ‘बृहद् पदार्थ’ (Bulk material) असे म्हणतात. उदाहरणार्थ, लाकूड, प्लॅस्टिक, मातीची भांडी, पोलादी सळया, ॲल्युमिनियम चकत्या इत्यादी. बृहद् स्वरूपातील पदार्थांचा शास्त्रीय अभ्यास विस्तृत प्रमाणात झाला असल्याने त्यांचे विविध गुणधर्म आपल्याला ज्ञात आहेत. कोणत्याही बृहद् स्वरूपातील पदार्थाचे मूलभूत गुणधर्म हे त्यांचा मूलभूत प्रकार (धातु, अधातू इत्यादी), स्फटिकी असल्यास स्फटिकप्रकार (Crystalstructure), सूक्ष्मसंरचना (Microstructure) आणि आणवीय बंध (Atomic bonding) इत्यादी गोष्टींवर अवलंबून असतात. पदार्थ विज्ञानात (Materials science) अशा विविध गोष्टींचा अभ्यास केला जातो.
अब्जांश पदार्थविज्ञान : ज्या पदार्थांचे आकारमान साधारणपणे १-१०० नॅनोमीटरएवढे असते त्यांना अब्जांश पदार्थ असे म्हणतात. अब्जांश पदार्थांच्या अभ्यासाच्या शाखेला ‘अब्जांश पदार्थविज्ञान’ असे म्हणतात. कोणत्याही पदार्थाचा आकार जेव्हा १-१०० नॅमी. (१ नॅनोमीटर = १०-९ मीटर) इतका लहान होतो तेव्हा त्या पदार्थाच्या गुणधर्मांमध्ये आमूलाग्र बदल होतात. उदा., सोन्याच्या अब्जांश कणांचा रंग बृहद् स्वरूपातील सोन्याच्या रंगापेक्षा पूर्णत: वेगळा असतो आणि तो त्यांच्या आकारमानावर अवलंबून असतो. इतर गुणधर्म देखील वेगळे असतात.
अब्जांश पदार्थांची संरचना : बृहद् पदार्थांमधील अणूंच्या अब्जांशी संरचनेचे सामान्यत: तीन प्रकार आढळतात : (१) स्फटिकी (Crystalline), (२) बहुस्फटिकी (Polycrystalline) आणि (३) अस्फटिकी (Amorphous). क्ष-किरण (X-ray) अथवा इलेक्ट्रॉन विवर्तनमापी (Electron diffractometer) अशा विविध उपकरणांचा वापर करून अब्जांश पदार्थांच्या आणवीय संरचनेचा अभ्यास केला जातो. आकृती क्र. १ मध्ये या प्रकारांमधील आणवीय संरचना द्विमितीय (Two dimensional) स्वरूपात दाखविल्या आहेत.
(अ) स्फटिक संरचना : स्फटिक संरचनेमध्ये पदार्थाचे अणू अथवा रेणू एका विशिष्ट पद्धतीने रचलेले असतात. या प्रकारच्या पदार्थांच्या संरचनेमध्ये पदार्थामधील अणू/रेणू समूह स्वरूपात असतात. अशा समुहास ‘एकक अणुगट’ (Unit cell) म्हणतात. त्याची पुनरावृत्ती पदार्थामध्ये त्रिमितीय (Three dimensional) झालेली असते (आ. १). या आकृतीचे बारकाईने निरीक्षण केल्यास असे दिसून येईल की, या संरचनेमध्ये कोणत्याही दोन अणूंमधील अंतर एकसमान असते. तसेच पदार्थाच्या पृष्ठभागांवरील अणू वगळता पदार्थाच्या अंतर्भागातील प्रत्येक अणूच्या भोवतालच्या अणूंची संख्या समान आहे. या संख्येला ‘समन्वय क्रमांक’ (Coordination Number) म्हणतात. पदार्थाच्या स्फटिक प्रकारानुसार सर्व अणू एका विशिष्ट संरचना स्वरूपात एकमेकांशी संलग्न झालेले म्हणजेच जोडलेले असतात. उदा., हिऱ्यामधील कार्बनचे अणू, माणिकामधील ॲल्युमिनियम ऑक्साइडचे (Al2O3) रेणू .
स्फटिक संरचनेमधील दोष : स्फटिक संरचनेमध्ये प्रामुख्याने दोन प्रकारचे दोष आढळतात. (१) अणूंच्या न्यूनतम संरचनेमध्ये काही अणू त्यांच्या निर्धारित जागी नसतात. म्हणजेच त्या ठिकाणी अणूची रिक्तता (Vacancy) असते. (२) ज्या ठिकाणी पदार्थाच्या अणूची रिक्तता असते अशा काही जागी इतर कोणत्या तरी पदार्थाचा अणू स्थित झालेला आढळतो. अशा अणूला ‘अशुद्धी’ (Impurity) म्हणतात. आ. १ (अ) मध्ये अशुद्धी अणू पिवळ्या रंगाने दाखवली आहे.
स्फटिक संरचनेचे दोषात्मक परिणाम : स्फटिकी संरचना असलेल्या पदार्थामध्ये अणूंच्या रिक्तता असतील, तर त्याची पारदर्शकता कमी होते आणि अशुद्धी असतील, तर त्याचा रंग बदलतो. उदा., आकर्षक लाल रंगाचा माणिक क्रोमिअम (Chromium) म्हणजे अशुद्धी अणू असलेले ॲल्युमिनियम ऑक्साइड (Al2O3). त्याचप्रमाणे या रत्नामध्ये आकर्षक निळ्या रंगाच्या वेगवेगळ्या छटा आयर्न (iron) आणि टिटॅनियम (titanium) या अशुद्धी अणूंमुळे येतात (आ. २. अ). तसेच आकृती २ ब मध्ये स्फटिकी संरचना असलेले लाल रत्न आणि निळ्या रंगाचे रत्न दाखविले आहे.
(ब) बहुस्फटिकी संरचना : बहुस्फटिकी संरचनेमध्ये पदार्थाचे अणू त्याच्या सर्व भागांत एका विशिष्ट पद्धतीने रचलेले नसतात. तथापि आ. १. (ब) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे या संरचनेमध्ये मर्यादित भागांत एकक अणुगटाची पुनरावृत्ती झालेली असते. त्या भागाला अब्जांश बीज (Nano grain) म्हणतात. दोन अब्जांश बीजांमध्ये स्फटिकप्रकार जरी सारखा असला तरी त्यांची दिशानिश्चिती (Orientation) वेगवेगळी असते. अब्जांश बीजाच्या पृष्ठभागाला अब्जांश बीज सीमा (Grain boundary) म्हणतात. आकृती १ (ब) मध्ये ही सीमा काळ्या रेषेने दाखविली आहे.
साधारणपणे सर्व धातू (Metals) आणि सिरॅमिके (Ceramics) यांमध्ये बहुस्फटिकी संरचना आढळते. अब्जांश बीज असलेल्या पदार्थांना अब्जांश स्फटिकीय (Nano crystalline) पदार्थ म्हणतात.
अब्जांश बीजयुक्त पदार्थाचे गुणधर्म : (१) बहुस्फटिकी संरचनेमध्ये अब्जांश बीज हा ‘एकक अणुगट’ असतो आणि अब्जांश बीज सीमा हे आंतर पृष्ठ असते. (२) अब्जांश बीज सीमेवर स्थित अणूंचा समन्वय क्रमांक अब्जांश बीज सीमेच्या आत असलेल्या अणूंच्या समन्वय क्रमांकापेक्षा लहान असतो. त्यालाच ‘पृष्ठीय दोष’ (Surface defects) म्हणतात. (३) अब्जांश बीजांमधील अणूंच्या तुलनेमध्ये अब्जांश बीज सीमारेषेवर स्थित असलेले अणू कमकुवत अशा बंध सामर्थ्याने (Bond strength) संलग्न असतात. म्हणून तेथील अणूंची पृष्ठीय ऊर्जा (Surface energy) अब्जांश बीजांमधील अणूंच्या तुलनेमध्ये जास्त असते.
अब्जांश बहुस्फटिकी पदार्थाची वैशिष्ट्ये : मूळ स्फटिकी पदार्थांपेक्षा अब्जांश स्फटिकी पदार्थांचे गुणधर्म तुलनात्मक दृष्ट्या अधिक संवर्धित झालेले आढळतात. पदार्थाचे काठिण्य (Hardness), प्रसरणक्षमता (Diffusitivity), तन्यता (Ductility), विद्युत् रोधकता (Electric resistance), विशिष्ट उष्णता (Specific heat), उष्णता प्रसरण गुणक (Thermal expansion coefficient) यांमध्ये वाढ होते. पदार्थाच्या घनता, प्रत्यास्थता मापांक (Elastic modulus) अशा काही गुणधर्मांमध्ये मात्र स्फटिकी स्वरूपात असताना घट झालेली आढळते.
(क) अस्फटिकी संरचना : अस्फटिकी संरचनेमध्ये ‘एकक अणुगटा’ची पुनरावृत्ती नसते, म्हणूनच अशा प्रकारच्या अस्फटिकी संरचनेमध्ये रंध्र (Pores) असतात (आ. १. क). प्रत्येक रंध्राचे आकारमान काही नॅनोमीटर इतके असते. जलशुद्धीकरण उपकरणामध्ये वापरला जाणारा सक्रियित कार्बन (Activated carbon) हे अस्फटिकी संरचनेचे प्रातिनिधिक उदाहरण होय. काच, लाकूड, पेपर, रबर आणि प्लॅस्टिक या पदार्थांमध्ये देखील अस्फटिकी संरचना आढळते.
आ. ३ मध्ये इलेक्ट्रॉन प्रेषित सूक्ष्मदर्शकाद्वारे (Electron transmission microscope – TEM) घेतलेली एका अब्जांश बीजाची प्रतिमा दाखविली आहे. अब्जांश पदार्थामध्ये पृष्ठीय रिक्ततांची संख्या ही तेथील एकूण अणूंच्या संख्येच्या ३० ते ५० % इतक्या अधिक प्रमाणात असते. या रिक्ततांची पृष्ठीय ऊर्जा आणि रासायनिक क्रियाशीलता (Chemical activity) खूप जास्त असते.
यावरून हे ठळकपणे दिसून येते की अब्जांश स्फटिकांची संरचना ही वैविध्यपूर्ण तसेच वैशिष्ट्यपूर्ण असते. पदार्थांचे गुणधर्म देखील त्यानुसार वेगवेगळे असतात.
संदर्भ :
- Balasubramaniam R. (Adapted) Callister’s Materials Science and Engineering, Wiley India, 2014.
- Elliott, Stephen The Physics and Chemistry of Solids, Wiley Publication, 1998.
समीक्षक — वसंत वाघ
