....अपवादानेच नियम सिद्ध होतो!

वैज्ञानिक संकल्पनांना छेद देणाऱ्या दोन प्रयोगांविषयी नुकतेच शोधनिबंध प्रसिद्ध झाले आहेत. अपवादाने नियम सिद्ध होतो, हे खरे. तरीही अपवादांचा सखोल शोध घेण्याचे आव्हानात्मक संशोधन या निमित्ताने हाती घेण्यात येत आहे. 

धुणं वाळत टाकण्याची काठी उन्हात ठेवली तरी ती तापत नाही. ती काठी वीज वाहत असलेल्या तारेला आपल्या हाताने चिकटवली तरी झटका बसत नाही. याचा अर्थ लाकडी काठी वीजवाहक नाही आणि त्यातून उष्णतेचे संक्रमणही होत नाही. असे अनेक पदार्थ आहेत - काच, बूच, प्लॅस्टिक, रबर, लाकूड, कागद आदी. याच्या उलट गुणधर्म असलेले धातू म्हणजे चांदी, तांबं, सोनं किंवा ऍल्युमिनियम. यामधून वीजप्रवाह सहज वाहतो. असे धातू थंडीत गार पडतात, तर थोड्या उष्णतेनेही बरेच तापतात. या विविध पदार्थांना इंग्रजीत 'बॅड' किंवा 'गुड कंडक्‍टर ऑफ इलेक्‍ट्रिसिटी' किंवा 'हीट' म्हणतात.

वीज म्हणजे इलेक्‍ट्रॉन्सचा प्रवाह; 'फ्लो ऑफ इलेक्‍ट्रॉन्स'! धातूंमधून वीज सहजतेने वाहते, कारण त्यात मोकळे इलेक्‍ट्रॉन्स खूप असतात. यथायोग्य विद्युतदाब असेल तर वीजवहन उत्तम होते. अधातूंमध्ये मात्र असे मुक्त वाहणारे इलेक्‍ट्रॉन्स खूपच कमी असतात. उष्णतेचे चांगले वाहक होण्यासाठी त्या पदार्थाच्या स्फटिकातील रचने(फोनॉन)मध्ये उत्तम प्रकारे कंपन व्हायला पाहिजे आणि इलेक्‍ट्रॉन्सची हालचालही पुरेशी हवी. एखाद्या पदार्थामधून उष्णतेचे वहन उत्तम होत असेल तर त्यातून वीजवहन काही अंशी कमी होते, असेही एक निरीक्षण आहे. 

विज्ञानामध्ये 'वीडेमन-फ्रान्झ नियम' आहे. तो म्हणजे - (ढोबळ मानाने) जे चांगले वीजवाहक पदार्थ आहेत, ते चांगले उष्णतावाहकदेखील असतात. या समजुतीला आणि क्रमिक पुस्तकातील नियमाला धक्का बसणारा एक महत्त्वपूर्ण शोधनिबंध 'सायन्स'मध्ये 27 जानेवारी 2017 रोजी प्रकाशित झालाय. 'अपवादानेच नियम सिद्ध होतो' या उक्तीची प्रचिती त्यामुळे येईल. 

व्हॅनेडियम हा निळसर चंदेरी धातू (मूलद्रव्य) असून कणखर पोलाद-निर्मितीमध्ये त्याचा वापर होतो. त्याच्या मिश्रधातूपासून बनवलेले अनेकविध पार्टस मोटारीमध्ये गेली शंभर वर्षे वापरले जात आहेत. अतिसंवाहक चुंबक बनवताना त्यात एक घटक म्हणूनही त्याचा वापर होतो. सध्या मृत्तिकां (सिरॅमिक्‍स)मध्ये आणि कृत्रिम दातांची जडणघडण करताना व्हॅनेडियम उपयुक्त पडते. व्हॅनेडियमपासून व्हॅनेडियम डाय ऑक्‍साइड नामक एक निळा असेंद्रिय (इनऑरगॅनिक) पदार्थ बनतो. हा उत्तम वीजवाहक आहे. पण याची उष्णता वाहून न्यायची क्षमता नगण्य आहे. तापमान 67 अंश सें. पेक्षा कमी असताना हा पदार्थ अवाहक म्हणजे चक्क इन्शुलेटर बनतो. यापेक्षा जास्त तापमानात तो धातूसारखे गुणधर्म दर्शवतो. याचा अर्थ व्हॅनेडियम डाय ऑक्‍साइड धातू-अधातू असे दुहेरी गुणधर्म दाखवू शकतो. म्हणजेच उष्णतेचे वहन हे सर्वस्वी त्या पदार्थामधील इलेक्‍ट्रॉन्सवर अवलंबून नसते.

लॉरेन्स बर्कले नॅशनल लॅबोरेटरीचे युकिओ वू, स्यांग वूक ली (दक्षिण कोरिया) आणि केदार हिप्पळगावकर (सिंगापूर) आणि सहकारी यांनी हे संशोधन केलंय. या स्मार्ट मटेरियलमधून उष्णता वाहून जात नाही म्हणून त्याचा उपयोग औष्णिक इंजिनाची कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी होईल. इमारतींच्या खिडक्‍यांना असलेल्या काचांना व्हॅनेडियम डाय ऑक्‍साइडचे 'थर्मोक्रोमिक फिल्म'च्या स्वरूपातील आवरण लावले तर उन्हाळ्यात उष्णता बाहेर फेकता येईल आणि हिवाळ्यात आतच राखून ठेवता येईल. तापमानाचे नियंत्रण साधल्यामुळे वातानुकूलनचा खर्च कमी होईल. या मूलभूत निरीक्षणामुळे संशोधकांनी पर्यावरण-अनुकूल तंत्रज्ञान विकसित होऊ शकणारा एक विलक्षण पदार्थ शोधून काढलाय. 

बिस्मथ हा गुलाबीसर चमकदार धातू आहे. शिसं हा धातू मिळवताना एक बाय-प्रॉडक्‍ट म्हणून बिस्मथही मिळते. त्याची संयुगे रंग-उद्योगात, सौंदर्यप्रसाधनात आणि औषधनिर्मिती उद्योगात वापरतात. बिस्मथची घनता ( 9.8) असल्याने ते 'जड' असले तरी विषारी नाही. यासाठी जिथं शिसं (लेड) वापरणं योग्य नाही, तिथं बिस्मथ वापरतात. बिस्मथच्या एका मिश्रधातूमधून वीजप्रवाह सोडल्यावर तो गार होतो. त्यामुळे 'मिनिफ्रीज' करण्यासाठी तो मिश्रधातू उपयुक्त पडतो. बिस्मथ हे वीजवाहक आणि उष्णतावाहक नाही. 

वीजवाहक असण्यासाठी कोणत्याही धातूच्या अणू(रेणूं)मध्ये भरपूर 'मोबाईल' इलेक्‍ट्रॉन्स असणं आवश्‍यक आहे. त्यांच्या जोड्याही तयार व्हायला पाहिजेत. अशा प्रवाही जोड्या वीजवहन करतात. तथापि, समान ध्रुवामध्ये आकर्षण नसतं. उलट अपसरण होते. इलेक्‍ट्रॉन्सच्या जोड्या तयार होण्यासाठी जॉन बार्डीन, लिआन कूपर आणि रॉबर्ट श्रायफर यांनी अतिशीत तापमानात अतिसंवाहक धातू बनवून 1972 चा नोबेल पुरस्कार मिळवला होता. बिस्मथ असंवाहक आहे, कारण त्याच्या एक लाख अणूंमध्ये फार तर एकच 'मोकळा' इलेक्‍ट्रॉन आढळेल. एवढी मोठी त्रुटी असूनही बिस्मथ उणे 273 तापमानात चक्क अतिसंवाहकतेचे गुणधर्म दाखवतो. हे महत्त्वपूर्ण निरीक्षण मुंबईच्या 'टीआयएफआर' मधील ओमप्रकाश शुक्‍ल, अनिलकुमार, थमीजावेल आणि प्रो. एस. रामकृष्णन यांनी 'सायन्स' नियतकालिकात नोंदवलंय.

'थिअरी'ला हुलकावणी देऊन असंवाहक असणारे बिस्मथ अतिसंवाहक बनते तरी कसे? याचा अर्थ सुपर कंडक्‍टिव्हिटीसाठीची जी प्रचलित थिअरी किंवा ज्या संकल्पना आहेत, त्या बिस्मथसारख्या अणूंना बिलकूल लागू पडत नाहीत. गेल्या दोन महिन्यांत दोन वैज्ञानिक संकल्पनांना छेद देणारे हे प्रयोग आहेत. अपवादाने नियम सिद्ध होतो, हे खरंय. तरीही अपवादांचा सखोल शोध घेण्याचे आव्हानात्मक संशोधन आता हाती घेतले जात आहे. कारण अपवाद का आहे, हे कळलं, तर आपल्याला जीवन सुखकर करण्यासाठी अजूनही अनेक स्मार्ट मटेरियल्सचा शोध घेता येईल.