पदार्थविज्ञान आणि मानवी संस्कृतीचा उत्कर्ष
पदार्थविज्ञान आणि मानवी संस्कृतीचा उत्कर्ष
- डॉ. प्रविण प्रल्हाद देशपांडेे
शासकीय अभियांत्रिकी महाविद्यालय, पुणे (COEP)
अश्मयुगातील (Stone Age) मानवाचे पृथ्वीतलावरील अस्तित्व लाखो वर्षें मागे जाते. प्रदीर्घ अश्मयुगानंतर मानवाने केलेल्या पदार्थविज्ञानातील (Materials Science and Engineering ) प्रगतीमुळे संस्कृतीचा विकास झपाट्याने होत गेला. गेल्या काही वर्षांत मूलभूत आणि उपायोजित विज्ञानात अनेक शोध लागून या शोधांचा उपयोग पदार्थ तंत्रज्ञानात करण्यात आला आहे. यामुळे अभियांत्रिकीमधील अनेक आधुनिक प्रकल्प शक्य होत आहेत.
या पार्श्वभूमीवर अगदी अलीकडेच अमेरिकास्थित 'द मिनरल्स, मेटल्स आणि मटेरीअल्स सोसायटी’च्या नियतकालिकाने (JOM) धातूविज्ञान किंवा पदार्थविज्ञानात आणि तंत्रज्ञानातील क्रांतिकारक घटनांची क्रमवारी ठरवण्यासाठी मतदान घेतले. यात नऊशेपेक्षा जास्त संशोधकांनी भाग घेतला होता. प्रस्तुत लेखात यांपैकी काही ठळक घटनांचा आढावा घेण्यात आला आहे. कालानुक्रमे यांपैकी पहिली महत्त्वाची घटना म्हणजे ख्रिस्तपूर्व अठ्ठावीस हजार वर्षे इतक्या प्राचीन काळात होऊ लागलेला मृदिकी किंवा सिरॅमिकचा (ceramic) पोलंड आणि ऑस्ट्रियाच्या दरम्यानच्या प्रदेशात वापर.
ग्रीक भाषेत केरमॉस म्हणेज भाजलेली माती, यावरून सिरॅमिक हा शब्द प्रचलित झाला असावा. सिरॅमिक हे आकार देता येणारे, आणि उष्णतेच्या सहाय्याने काठीण्य आणता येणारे असेंद्रिय (inorganic) पदार्थ असतात. काठीण्य, उच्च तापमानास टिकाव धरणे, पाणी आणि इतर रसायने यांचे हानिकारक परिणाम न होणे, या गुणधर्मांचा वापर करून भांडी आणि इतर वस्तू तयार होऊ लागल्या. या नंतरचा टप्पा म्हणजे इ.पू. ८०००पासून जगातील अनेक संस्कृतींमध्ये तांब्याचा वापर सुरू झाला. ही होती ताम्रयुगाची पहाट (Copper Age). भारताच्या संदर्भात याच सुमारास बलुचिस्तानामधील मेहरगढ येथे तांब्याचा वापर होत होता. तुर्कस्तानात तांब्याचे ओतीव काम करण्यात येऊ लागले. लवकरच कथिल मिसळून काश्याच्या (bronze) वस्तू तयार करण्याची कला अवगत झाली. कासे हे तांब्यापेक्षा कठीण असते, कमी तापमानाला वितळते आणि सुलभ रीतीने ओतता येते. यामुळे शेतीकरता लागणारी हत्यारे काश्यापासून करता येऊ लागली. पर्यावरण अनुकूल असल्याने कांस्य युगाची परिणती इ.पू.३२००च्या सुमारास जगातील महान अशा सिंधू संस्कृतीमध्ये झाली. जगात इतरत्रही याच सुमारास अनेक संस्कृती उदयास आल्या.
या अगोदरच इ.पू. ५०००मध्ये मेसापोटेमियामध्ये कुंभाराच्या चाकाचा शोध लागला आणि तंत्रज्ञानाची घोडदौड सुरू झाली होती. कुंभाराच्या चाकाचा उपयोग करून रांजण घडवता आल्याने धान्य साठवता येऊ लागले. याच सुमारास इजिप्शियन लोकांनी लोखंड क्षपण (reduction) करण्यास सुरुवात केली होती. लोखंड नैसर्गिकरीत्या धातूरूपात आढळत नाही. लोखंडाचा विलयबिंदू (melting point) १५४० अंश सेल्सियस इतका आहे, तर क्षपण तापमान ८०० अंश सेल्सियस इतके आहे. विलयबिंदूइतके तापमान मिळवणे प्राचीन भट्टीत शक्य नव्हते. क्षपण पद्धतीने हा प्रश्न सुटला आणि प्रगतीला खरी कलाटणी मिळाली ती यानंतरच. प्राचीन भारतीय कारागिरांनी लोखंड तयार करण्यासाठी सरळ क्षपण पद्धत (direct reduction) शोधून काढली. या पद्धतीत प्राविण्य मिळूवून भारतीय कारागिरांनी शेतीच्या अवजारांपासून नवी दिल्ली येथील कुतुब संकुलातील लोहस्तंभापर्यंत अनेक वस्तू निर्माण केल्या.
गेली सोळाशे वर्षे न गंजता उभा असलेला हा लोहस्तंभ म्हणजे धातुशास्त्रातले आश्चर्यच.
दिल्लीचा लोहस्तंभ
गुप्त राज्यकर्त्यांपैकी चंद्रगुप्त दुसरा विक्रमादित्य याने इ.स. ४०२च्या आसपास खगोलशास्त्रीय अभ्यासाकरिता घडाई- जोडकाम (forge welding) करून लोहस्तंभ घडवला असावा. या लोहस्तंभाची उंची तेवीस फूट सहा इंच असून जमिनीतील भाग तीन फूट खोल आहे. लोहस्तंभाच्या अनेक वैशिष्ट्यांपैकी महत्त्वपूर्ण म्हणजे गंजप्रतिबंधक क्षमता. लोखंड निर्मितीकरिता प्रचलित असलेल्या प्राचीन भारतात 'सरळ क्षपणपद्धती’मध्ये चुनखडीचा वापर होत नव्हता. परिणामी तयार होणाऱ्या लोखंडामध्ये फॉस्फरसचे प्रमाण जास्त असायचे. भारतीय कारागिरांनी लोहस्तंभाकरिता जाणीवपूर्वक फॉस्फरसयुक्त घडीव लोखंड वापरले आहे. लोखंडामधील फॉस्फरसचा हवेतील बाष्पाशी संपर्क येऊन फॉस्फरिक आम्ल तयार होते. फॉस्फरिक आम्लाची लोखंडावर अभिक्रिया होऊन आयर्न-हायड्रोजन-फॉस्फेट-हायड्रेटचे गंजप्रतिबंधक आवरण तयार होते. हे आवरण अस्फटिकी स्वरूपात असते. यामुळे अस्फटिकी आयर्न हायड्रोजन फॉस्फेट हायड्रेटचे रूपांतर स्फटिकी स्वरूपात होते. या स्फटिकांमुळे गंजाच्या आवरणातील छिद्रे आणि भेगा भरून निघतात आणि गंजण्याची प्रक्रिया पूर्णपणे थांबते.
या लोहस्तंभाशिवाय महत्त्वाचे म्हणजे वुट्झ पोलादाचे तंत्रज्ञान. कर्नाटक अणि आंध्रप्रदेशातील स्थानिकभाषेत पोलादास 'उक्कु’ (Ukku) असे म्हणतात. युरोपिअन प्रवाशांमुळे या शब्दाचा अपभ्रंश होऊन 'वुट्झ’ हे नाव तयार झाले असावे. इ. पू. ३००च्या सुमारास वूट्झ पोलादाचे ठोकळे दक्षिण भारतातून आखाती देश, युरोप आणि चीनमध्ये निर्यात होत. सिरीयाची राजधानी दमास्कसमधील लोहार तलवारीची पाती तयार करीत आणि युरोपातील राजांना विकत. दमास्कस पोलादाची अंतर्गत संरचना शोधून काढण्यासाठी युरोपात खूप प्रयत्न झाले. यासाठी सूक्ष्मदर्शीचा (metallurgical microscope) वापर होऊ लागला. इ. स १८९८मध्ये पोलादाच्या प्रावस्थांचा (phases) अभ्यास करण्यासाठी लोह-कार्बन समतोलावस्थेची (Iron-Iron carbide phase diagram) निर्मिती केली. अशा प्रकारे वूट्झ पोलादाचे रहस्य शोधण्याच्या प्रयत्नात युरोपात आधुनिक धातू विज्ञानाची (metallurgy) सुरुवात झाली. धातूमध्ये विस्थानन दोष (dislocation) आहे असे इ. स. १९३४मध्ये लक्षात आले होते. वुट्झ पोलादामध्ये आकार्यता (plasticity), शरणसामर्थ्य (yield strength), अंतिम-ताण-सामर्थ्य (ultimate strength) यांचा मिलाफ आढळून येतो. यामुळे पोलादाची भंग-प्रतिबल-क्षमता (fracture strength) उच्च प्रतीची असते. २००४मध्ये जर्मनीमधील वेनैर कोचमन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांना इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शीच्या साहाय्याने केलेल्या अभ्यासात वूट्झ पोलादामध्ये कार्बन नॅनोट्युबस आढळून आल्या. या कार्बन नॅनो ट्युब्समधील सिमेंटाईटच्या नॅनो वायर्स विस्थानन दोषांना (dislocation) अटकाव करतात. परिणामी वूट्झ पोलादातले भेगप्रसरण (crack propagation) थांबते.
जस्ताचे क्षपण तापमान ९१३ अंश सेल्सियस इतके आहे आणि जस्ताचा विलयबिंदू ४२० अंश सेल्सियस इतका आहे. त्यामुळे जस्ताचे प्राचीन काळी प्रचलित असलेल्या उंच भट्टीमध्ये क्षपण केल्यास ९१३ अंश सेल्सियस तापमानावर जस्ताची वाफ तयार होत असे. जावर, राजस्थान येथील कारागिरांनी इ. पू. ५००च्या सुमारास ऊर्ध्वपातन (downward distillation) पद्धतीचा शोध लावून जस्ताचे क्षपण शक्य करून दाखवले होते. जस्ताचे १.५ किलोग्रम वजनाचे खनिज आणि इतर रसायने उच्च तापमानावर टिकू शकणाऱ्या नळींमध्ये (retort) भरण्यात येत. या नळ्या १२५० अंश सेल्सियसपर्यंत सहा तास गरम करण्यात येत असत. ३० ते ३५ से. मी. लांबीच्या आणि १० ते १५ से. मी व्यासाच्या ३६ नळ्या भट्टीत उभ्या रचलेल्या असत. सछिद्र विटा वापरून या नळ्यांना आधार दिलेला असे नळ्यांना जोडलेल्या टाकीमध्ये जस्ताची वाफ थंड होऊन प्रत्येकी २०० ते ५०० ग्रॅम द्रवरूप जस्त जमा होत असे. सोळाव्या शतकापर्यंत येथे १ लाख टन जस्त तयार केले गेले होते.
सोळाव्या शतकामध्ये ही युक्ती चीनमध्ये पोहोचली होती. हेच तंत्रज्ञान वापरून इ. स. १७३६मध्ये विल्यम चँपियन याने इंग्लंडमधील ब्रिस्टॉल येथे जस्ताचे औद्यागिक उत्पादन सुरू केले. अमेरिकेत चार्लेस हॉल आणि फ्रान्समध्ये हेरौल्त यांनी इ. स. १७३६ साली विद्युतविभाजन (electrolysis) करून स्वतंत्रपणे अल्युमिनियम मिळविले. यामुळे पदार्थविज्ञानात एक दालनच उघडले गेले.
जावर येथील जस्ताची भट्टी
इ.स १४५० मधील शिसे-कथिल मिश्रधातूमुळे जर्मनीमध्ये मुद्रणकलेत आमूलाग्र बदल घडून आले. दक्षिण अमेरिकेत शोधल्या गेलेल्या रबराने आज सारे जग काबीज केले आहे. हे कार्बन आणि हायड्रोजन यांचे एक संयुग आहे. इ. स. १८४४मधील गुडइयरने केलेल्या व्हलकनिकरणामुळे (Vulcanization) रबराच्या उत्पादनात क्रांती झाली. या पद्धतीमध्ये कच्या रबरात गंधक मिसळून ४०-१६० अंश सेल्सियस इतके गरम करतात. परिणामी रबरास काठीण्य (hardness) आणि ताण-सामर्थ्य प्राप्त होते.
चीनमध्ये इ. पू. २००मध्ये लोखंड ओतता (casting) येऊ लागले होते. ओतीव लोखंडामुळे (cast iron) लोह तंत्रज्ञानात क्रांतिकारक बदल झाले. सन १८५६च्या सुमारास सर हेन्री बेसेमर यांनी जगातील कमी खर्चातले पोलाद प्रथम तयार केले. या पद्धतीत द्रव लोखंडात दाबाखाली हवा सोडून त्यातील कार्बन, सिलिकॉन, मँगनीज ही द्रव्ये त्यांच्या ऑक्साइड स्वरूपांत वेगळी केली जातात, त्यांची मळी तयार होते. नंतर ऑक्सिजन काढून टाकण्याची विक्रिया करतात आणि पोलाद तयार होते. इ.स १९०४मध्ये अगंज पोलाद (stainless steel) तयार केले गेले. यानंतर मात्र इतिहास घडला. पोलादाच्या वाढत्या महत्त्वामुळे अजूनही आपण लोहयुगात आहोत, असे म्हणले जाते. विश्वातील सर्वांत कमी तापमान म्हणजे उणे २७३.१५ अंश सेल्शिअस किवा शून्य अंश केल्व्हिन. हे तापमान गाठण्यासाठी केमरलिंग ओनेस यांनी इ. स. १९११ साली प्रयोग सुरू केले होते. यात अतिसंवाहकतेचा (superconductivity) शोध लागला आणि संशोधकांचे लक्ष या गुणधर्माकडे वेधले गेले.
इ. स. १९०९मधील बेकेलाइटच्या शोधाने प्लास्टिक अथवा पॉलिमरयुग अवतरले. पॉलिमरमध्ये विशिष्ट रेणूंच्या साखळ्या असतात. प्लास्टीकने मोठ्या प्रमाणात धातु उत्पादनाची जागा काबीज केली. १९४८मध्ये शॉकली, बार्दिन आणि ब्राटेन यांनी अर्धवाहकाचा (transistor) शोध लावून संगणक क्रांतीची बीजे पेरली. दाबविद्युत मृत्तिका (piezoelectric materials) हे आधुनिक सिरॅमिक. बलाचा वापर केल्यानंतर विद्युतभाराची निर्मिती करणारे पदार्थ म्हणजे दाबविद्युत पदार्थ. विसाव्या शतकाच्या प्रारंभी क्वार्ट्झ आणि रोचेल लवण यांसारखे ठरावीक, मर्यादित दाबविद्युत पदार्थ वापरात होते, पण बेरियम टिटॅनेटच्या (BaTiO3) शोधामुळे दाबविद्युतपदार्थ ही श्रेणी निर्माण झाली. यांचा उपयोग यांत्रिकी संदेशाचे रूपांतर विद्युत संदेशात किंवा विद्युत संदेशाचे रूपांतर यांत्रिकी संदेशात करण्यासाठी होऊ लागला. याखेरीज वाहन उद्योगात वापरले जाणारे फेराइटसारखे चुंबकीय पदार्थ आणि अनेक सुवाहक (superconductor) सिरॅमिक आहेत. लोखंडाच्या ऑक्साईडबरोबर निकेल, जस्त, बेरियम इत्यादींच्या ऑक्साईडांचे मिश्रण म्हणजे फेराइट. चुंबकीय आणि विद्युतरोधक गुणधर्म असल्याने फेराइट बहुउपयोगी ठरते. अशा रीतीने बरीच मजल दरमजल करत सिरॅमिकचा वापर दैनदिन वापरातील वस्तूंखेरीज अत्याआधुनिक उत्पादने, संवेदक, विजेरी, दूरसंदेशवहन इत्यादी तंत्रज्ञानाच्या क्षेत्रांत वेगाने झाला.
पॉलिमरच्या अणूंमधील इलेक्ट्रॉन स्थानीकृत स्वरूपात असतात. यामुळे पॉलिमरमधून वीजवहन शक्य होत नाही. १९९०च्या दशकातील वीजवाहक पॉलिमरच्या (conducting polymers) शोधामुळे हे शक्य झाले आहे. वीजवाहक पॉलिमरचे अक्षरशः हजारो उपयोग आहेत. उदाहरणार्थ, सेमिकंडक्टर्स, लाईट एमिटिंग डायोड्स (LED), सोलर सेल्स, कपॅसिटर्स, सेन्सर्स, रोबोट्स, ड्रग डिलिव्हरी सिस्टिम्स, स्मार्ट खिडक्या, बॅटरी, इत्यादी. यांपैकी काहींवर आधारित उत्पादनेदेखील बाजारात आली आहेत.
नॅनो तंत्रज्ञान (nano technology) हा एक परवलीचा शब्द. नॅनो म्हणजे एक मीटरचा एक अब्जावा भाग. ज्या पदार्थांची लांबी किंवा रुंदी किंवा उंची अथवा या सर्व मिती नॅनोमीटर एवढ्या लहान असतील तर त्यांचे गुणधर्म अतिशय वेगळे असतात. एक-एक अणु एकत्र आणून किंवा मोठा पदार्थ कोरून काढून अति सूक्ष्म पद्धतीने पदार्थ किंवा यंत्र तयार करणे म्हणजे नॅनो तंत्रज्ञान. यामुळे होणाऱ्या क्रांतीची सुरुवात विसाव्या शतकाच्या उतर्राधात झाली आहे. इ. स. १९९१ साली जपानमध्ये इजीमा याने कार्बन नॅनोट्युब्स तयार केल्या. आज या कार्बन नॅनोट्युब्सवर जगात प्रचंड संशोधन चालू आहे आणि त्यावर आधारलेली बरीच उत्पादने बाजारात अलीकडेच उपलब्ध झाली आहेत. ग्राफीन हा आश्चर्यजनक गुणधर्म असलेला नॅनो पदार्थ जगातील पहिला द्विमितीय स्फटिक पदार्थ. ग्राफीन म्हणजे कार्बनच्या अणूंचा पापुद्रा. ग्रॅफीन उद्याच्या तंत्रज्ञानाचा आधार समजला जातो. सध्या उच्चविस्कळ मिश्रधातू (high entropy alloys) संशोधनास महत्त्व प्राप्त झाले आहे. विस्कळ किंवा entropy म्हणजे पदार्थ किंवा व्यवस्थेतील अनियंत्रिततेचे परिमाण. मूलद्रव्यांचे प्रमाण बदलुन मिश्रधातूंच्या आण्विक रचनेमध्ये बदल घडविता येतो. ज्या मिश्रधातूंमध्ये पाच किंवा अधिक घटक मूलद्रव्ये सम-आण्विक प्रमाणात असतात त्यांमध्ये अनियंत्रितपणा आढळून येतो. अशा मूलद्रव्यांच्या प्रत्येकी वीस अणूंचं मिश्रण करून बनवलेल्या शंभर अणूंच्या मिश्रधातुला “उच्चविस्कळ मिश्रधातू” म्हणतात. प्रचलित मिश्राधातूंसाठी हा एक उत्तम पर्याय ठरू शकतो.
संदर्भ :
१. प्रा. प्रविण देशपांडे, प्राचीन आणि मध्य युगीन भारतीय धातूशास्तचा संक्षिप्त इतिहास, मराठी राज्य विकास संस्था, मुंबई, २०१४
२. धातूतंत्रज्ञान विभाग, मराठी विश्वकोश, २०२१
प्रतिक्रिया
वरचा लेख वाचल्यावर
वरचा लेख वाचल्यावर कुतुबमिनारजवळील लोहस्तंभ गंजत का नाही "याचे रहस्य अजून शास्त्रज्ञांना कळलेले नाही" ही लोणकढीच* आहे हे लक्षात आले.
*हजार वर्षापूर्वी अनमानधपक्याने** भारतीयांना हे जमले हे कौतुकास्पदच आहे.
**हा अनमानधपकाच होता असे दिसते कारण आजतरी लोखंडाच्या निर्मितीत लाइम वापरतातच. तेव्हा ते वापरत नसतील आणि फॉस्फ़रसचे प्रमाण जास्त असलेलेच लोखंड मिळत असेल तर "जाणीवपूर्वक फॉस्फरसयुक्त लोखंड वापरले आहे" हा उल्लेख चुकीचा वाटतो. म्हणजे माझ्याकडे एकच फाटकाच शर्ट असेल तर मी जाणीवपूर्वक फाटका शर्ट घातला आहे असं म्हणण्याला काही अर्थ नाही.
आम्हाला चोपडेसरांनी शिकवल्याप्रमाणे फॉस्फ़रसयुक्त लोखंडाला म्युनिसिपल कास्ट आयर्न म्हणतात. जे म्युनिसिपालिट्या मॅनहोलच्या झाकणांसाठी वापरतात. (ती सुद्धा अगदी सहज गंजत नाहीत). फॉस्फरसयुक्त लोखंड चिवट नसते हा त्याचा दुर्गुण असतो.
ओव्हरॉल लेख माहितीपूर्ण आहे. पण जरा भसाभसा जंत्री सांगितल्यासारखा वाटतो आहे.
--------------------------------------------
ऐसीवरील गमभन इतरांपेक्षा वेगळे आहे.
प्रमाणित करण्यात येते की हा आयडी एमसीपी आहे.
ईसवी सन पूर्व
ही काल गणना च स्विकरण्या सारखी नाही.
येशू chya जन्मा पूर्वी असा अर्थ आहे त्याचा.
म्हणजे येशू हा अस्तित्वात होता हे स्वीकारा हा दुसरा अर्थ.
मानवी इतिहास कोणालाच माहित नाही.सर्व अंदाज आहेत
सॉलिड पुरावे काहीच नाहीत.
पुरावे आहेत त्यांचा अभ्यास आणि नी त्या मधून काढलेला निष्कर्ष खराच आहे असे काही नाही.
चुकीचे parameter वापरले गेले असण्याची शक्यता च जास्त आहे.
CE आणि BCE
बरोबर आहे. म्हणूनच अलीकडे इतिहास लेखन करताना AD आणि BC याऐवजी Common Era (CE) आणि BCE असे प्रयोग केले जातात. जेणेकरून ख्रिस्ताचा उल्लेखच टाळला जाईल.
With all due respect
पदार्थविज्ञानामुळे मानवाची जशी प्रगती झाली तशीच ती रसायनशास्त्रामुळेही झाली. निसर्गातून धातु व अधातु शोधणे व ते शुद्ध स्वरुपात आणणे हे रसायनशास्त्रामुळेच शक्य झाले. सर्वच शास्त्रांचा यथायोग्य उपयोग केल्यामुळे मानवी बुद्धीने अशी अफाट प्रगती केली, असे म्हणता येईल.
पदार्थविज्ञान = Physics
अशी माझी समजूत आहे. त्यांना एकूण “material science” आणि त्यातल्या काही ठिकाणी “metallurgy” ह्मणायचे असावे. मराठी लेखांत इंग्रजी पारिभाषिक शब्द वापरले नाहीत, तर असे घोटाळे होणारच. बाकी लेख आवडला. हा विषय रोचक आणि ऐसीवर नवीन आहे, त्याचे स्वागत.
….शेवटी मदांध तख्त फोडते मराठी!
सर्व शोध हे
मानवाची प्रगती ह्या विषयावर बोलायचे झाले तर ठरवून लावलेले शोध.
आणि
अनुभवातून मिळालेले ज्ञान आणि त्या मधून लागलेला नवीन शोध .
अशी विभागणी करणे खूप गरजेचे आहे.
चाकाचा शोध हा अनुभवातून
आणि त्या नंतर चाकावर आधारित शोध हे कल्पनेतून लागले आहेत
आता जे शोध लागत आहेत त्या मध्ये नवीन काही नाही.
पहिल्या बेसिक ज्ञान वर आधारित फक्त सुधारणा आहेत पण जाहिरात अशी केली जाते की नवीन शोध लागला आहे.
पण ते शोध नवीन नाहीत.
nice information
nice information