आश्चर्यकारक मिश्रधातू

अतिथंड तापमानाला धातूंचे आणि मिश्रधातूंचे गुणधर्म बदलतात. सर्वसाधारण तापमानाला अतिशय उपयुक्त ठरणारा एखादा धातू वा मिश्रधातू हा अतिथंड तापमानात ठिसूळ बनतो व निरुपयोगी ठरतो. त्यामुळे अतिथंड तापमानाला वापरायच्या धातू व मिश्रधातूंवर मर्यादा येते. परंतु हा प्रश्न कदाचित नजीकच्या भविष्यात सुटण्याची शक्यता आहे. अमेरिकेतील लॉरेन्स बर्कली राष्ट्रीय प्रयोगशाळेतील रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या इतर सहकाऱ्यांनी अतिथंड तापमानातही टिकाव धरू शकेल, असा एक मिश्रधातू तयार केला आहे. महत्त्वाची गोष्ट म्हणजे, अतिथंड तापमानात तो नुसता टिकूनच राहत नाही, तर त्याचा मजबूतपणाही वाढतो. या वैशिष्ट्यपूर्ण मिश्रधातूच्या निर्मितीवरचं रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांचं हे संशोधन अलीकडेच ‘सायन्स’ या शोधपत्रिकेत प्रसिद्ध झालं आहे.

रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी तयार केलेला हा मिश्रधातू, आतापर्यंत तयार केला गेलेला सर्वांत मजबूत मिश्रधातू ठरला आहे. पोलादापेक्षा मजबूत असणाऱ्या या मिश्रधातूला हवा तसा आकार देताना त्याचे तुकडे होत नाहीत. रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी तयार केलेला हा मिश्रधातू क्रोमिअम, कोबाल्ट आणि निकेल या तीन धातूंपासून बनला आहे. मिश्रधातूंच्या एका वेगळ्याच गटात मोडणारा हा मिश्रधातू आहे. सर्वसाधारणपणे मिश्रधातूमध्ये कोणता तरी एक धातू मोठ्या प्रमाणात वापरलेला असतो आणि इतर धातूंचं प्रमाण अल्प असतं. उदाहरणार्थ, कांस्य हा धातू मुख्यतः तांब्यापासून बनलेला असून, त्यांत ताब्यांचं प्रमाण जवळपास ८८ टक्के इतकं असतं. त्यातील कथलाचं प्रमाण १२ टक्क्यांइतकंच असतं. त्यामुळे कांस्यातील कथलाच्या अणूंची संख्या अल्प असते. रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी बनवलेल्या या नव्या मिश्रधातूत मात्र कोणत्याही एका धातूचं प्राबल्य नाही. या मिश्रधातूत क्रोमिअम, कोबाल्ट आणि निकेल या तीनही धातूंच्या अणूंची संख्या सारखीच आहे – प्रत्येकी एक तृतीयांश. हा वैशिष्ट्यपूर्ण मिश्रधातू बाराशे अंश सेल्सिअस तापमानाला तयार केला गेला आहे.

रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी हा मिश्रधातू प्रथम दशकभरापूर्वीच तयार केला. या अत्यंत मजबूत मिश्रधातूचे गुणधर्म अतिथंड तापमानात किती बदलतात हे अभ्यासण्यासाठी त्यांनी या मिश्रधातूच्या, द्रवरूपी नायट्रोजनच्या तापमानाला चाचण्या घेतल्या. आश्चर्य म्हणजे द्रवरूपी नायट्रोजनच्या, शून्याखाली १९६ अंश सेल्सिअस तापमानालासुद्धा या मिश्रधातूने आपला मजबूतपणा अजिबात गमावला नव्हता. पोलादासह बहुतेक सर्व मिश्रधातू आणि धातू अशा कमी तापमानाला मजबूतपणा गमावून ठिसूळ होतात. हा मिश्रधातू याला अपवाद ठरला. या निरीक्षणांनंतर, या संशोधकांनी हा मिश्रधातू यापेक्षाही कमी तापमानाला अभ्यासायचं ठरवलं. असं तापमान निर्माण करण्यासाठी त्यांना द्रवरूपी हेलिअमचा वापर करायचा होता. मात्र यांत आलेली एक मोठी अडचण म्हणजे इतक्या कमी तापमानाला अतिसूक्ष्म स्तरावरच्या चाचण्या करणारी साधनं त्यावेळी त्यांना उपलब्ध होऊ शकली नव्हती. अशा चाचण्यांत धातूवर ताण निर्माण केला जातो व या धातूच्या पृष्ठभागाचं सूक्ष्मस्तरावर निरीक्षण केलं जातं. ताणामुळे धातूच्या पृष्ठभागावरील निर्माण होणाऱ्या भेगांच्या स्वरूपावरून धातूचा मजबूतपणा समजू शकतो. रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांना अलीकडेच अशी साधनं उपलब्ध झाली आणि या मिश्रधातूचे गुणधर्म अतिथंड परिस्थितीत अभ्यासणं शक्य झालं. द्रवरूपी हेलिअमच्या सान्निध्यातील, शून्याखाली २५३ अंश सेल्सिअस इतक्या कमी तापमानालाही या मिश्रधातूचा मजबूतपणा कमी न होता, तो वाढला असल्याचं या चाचण्यांतून दिसून आलं. इतक्या कमी तापमानालासुद्धा या मिश्रधातूचा मजबूतपणा उत्तम दर्जाच्या पोलादाच्या मजबूतपणाच्या तुलनेत पाचपट मोठा भरला.

एखाद्या धातूचा वा मिश्रधातूचा मजबूतपणा आणि संबंधित गुणधर्म हे त्याच्या अणुरचनेच्या स्वरूपावरून ठरतात. या मिश्रधातूलाही त्याचा मजबूतपणा त्याच्या वैशिष्ट्यपूर्ण अणुरचनेमुळे लाभला आहे. पण यातला लक्षवेधी भाग म्हणजे या मिश्रधातूतील अणूंची रचना ही अतिशय साधी आहे. गुंतागुंतीची रचना नसूनही हा मिश्रधातू अत्यंत मजबूत आहे. रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी, क्रोमिअम, कोबाल्ट आणि निकेल या तीन धातूंनी तयार केलेल्या या मिश्रधातूबरोबरच, क्रोमिअम, मँगॅनिज, लोह, कोबाल्ट आणि निकेल या पाच धातूंपासून असाच आणखी एक मिश्रधातू तयार करून तोही अभ्यासला. पाच धातूंपासून तयार केला गेलेला मिश्रधातूही अतिथंड तापमानाला तोंड देऊ शकत होता. परंतु तीन धातूंपासून बनलेला मिश्रधातू हा, पाच धातूंपासून तयार केलेल्या मिश्रधातूच्या तुलनेत बराच उजवा ठरला.

रॉबर्ट रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी क्रोमिअम, कोबाल्ट आणि निकेल या तीन धातूंपासून तयार केलेला हा मिश्रधातू नेहमीच्या तापमानापासून ते अतिथंड तापमानापर्यंत सर्वच तापमानांना वापरता येणार आहे. दूरवरच्या अंतराळमोहिमांत, अंतराळयानांना अतिथंड तापमानाला तोंड द्यावं लागतं. या मिश्रधातूपासून तयार केलेले अंतराळयानाचे भाग, अशा अतिथंड परिस्थितीत सहजपणे टिकाव धरू शकतील. आत्यंतिक परिस्थितीत आपली मजबूती राखणारे, याच प्रकारातले आणखी मिश्रधातू तयार करण्याचा रॉबर्च रिची आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांचा प्रयत्न चालू आहे. या संशोधकांना सहजपणे आणि कमी खर्चात उपलब्ध होऊ शकणाऱ्या धातूंपासून हे मिश्रधातू बनवायचे आहेत. कारण आताच्या मिश्रधातूत वापरल्या गेलेल्या कोबाल्ट किंवा निकेलसारख्या धातूंची, भविष्यातील उपलब्धता मर्यादित असणार आहे. रिची आणि त्यांचे सहकारी आता या धातूंना पर्याय ठरू शकतील अशा धातूंचा वापर करून मिश्रधातू निर्माण करणार आहेत. यामुळे या मिश्रधातूंच्या निर्मितीचा खर्चही कमी होईल आणि भविष्यात या मिश्रधातूंचा वापरही सढळपणे करता येईल.

(छायाचित्र सौजन्य – Easo George/ORNL and Robert Ritchie/Berkeley Lab)