द्रव काच : पदार्थाची नवी अवस्था

घन, द्रव, वायू आणि प्लाझ्मा या पदार्थाच्या चार अवस्था सर्वांनाच माहीत असेल. परंतु, शास्त्रज्ञांनी नुकतीच पदार्थाची एक नवीन अवस्था शोधली असून, तिला त्यांनी ‘द्रव काच'' (लिक्विड ग्लास) असं नाव दिलं आहे. जर्मनीतील कॉनस्टॅंझ विद्यापीठाच्या प्रा. अँड्रीयाझ झुंबुश आणि प्रा. मॅथियाज फुंच यांनी हे संशोधन ‘प्रोसिडिंग ऑफ द नॅशनल ऍकॅडमी ऑफ सायन्सेस ऑफ युनायटेड स्टेट ऑफ अमेरिका’ इथे सादर केले आहे. गेली वीस वर्षे ‘द्रव काच'' ही पदार्थाची अवस्था असल्याची सैद्धांतिक मांडणी करण्यात येत होती. आता प्रत्यक्ष त्या अवस्थेचे ‘दर्शन'' झाले आहे. 

कॉन्फोकल लेझर स्कॅनिंग मायक्रोस्कोपीच्या साहाय्यानं पदार्थाची नवी अवस्था "द्रव काच'' पाहता आली आहे. लंबवर्तुळाकार कोलाइड्‌स (असे द्रावण ज्यात पदार्थाचे कण एकसारखे मिसळलेले असतात, उदा. दूध) असलेल्या या पदार्थाची निर्मिती कृत्रिमरीत्या करण्यात आली आहे. या द्रव काचेतील प्रत्येक कण (पार्टिकल) हा स्वतःभोवती फिरू शकत नाही, मात्र हालचाल करण्यासाठी तो सक्षम असतो. हा प्रयोग करत असताना शास्त्रज्ञांनी ‘पॉलिमरीक इलिप्सॉइडल कोलाइड’ वर लक्ष केंद्रित केले होते. आजवरच्या बहुतेक प्रयोगांमध्ये वापरण्यात येणाऱ्या ‘कोलायडल'' रसायनामध्ये एक तर गोलाकार किंवा गोलाकार नसलेल्या ओबडधोबड कणांचा समावेश असतो. संशोधकांनी बहुवारीक (पॉलिमर) रसायनशास्त्राचा वापर करत ‘हॉट-स्ट्रेचिंग''च्या (उष्णता देऊन थंड करण्याची एक विशिष्ट प्रक्रिया) साहाय्यानं कणांची लंबवर्तुळाकार स्थिती प्राप्त केली. यामध्ये बहुवारीकाला उष्णता देत त्याला विशिष्ट तापमानाला थंड केले जाते. त्यामुळे या पदार्थातील कणांचा आकार लंबवर्तुळाकार होतो. ‘द्रव काचे''तील कणांचा आकार लंबवर्तुळाकार असल्यामुळं त्यांचे वर्तनही गोलाकार कणांपेक्षा भिन्न असते. कणांच्या या भिन्न वर्तनातूनच निर्माण झाली पदार्थाची ही नवीन अवस्था अर्थात ‘द्रव-काच''! 

- ताज्या बातम्यांसाठी डाऊनलोड करा ई-सकाळचे ऍप

‘द्रव-काच'चे अस्तित्व 
नव्याने शोधलेल्या या पदार्थातील कणांची परिभ्रमण गती (रोटेशनल) आणि स्थानांतरण गती (ट्रान्सलेशनल) अभ्यासण्यात आली. पदार्थाच्या निरीक्षणासाठी सूक्ष्मदर्शकाचा वापर करण्यात आला होता (कारण या कणांचा आकार हा काही मायक्रोमीटर एवढा आहे.) विशिष्ट घनतेला या पदार्थातील कणांची परिभ्रमण गती बंद होते, तर स्थानांतरण गती मात्र तशीच सुरू राहते. यामुळे पदार्थाला काचेसारखी अवस्था प्राप्त होते. 

सप्तरंगमधील इतर लेख वाचण्यासाठी क्लिक करा.

मात्र यामध्ये तयार झालेल्या कणांच्या छोट्याछोट्या समूहाला (क्‍लस्टर) एक प्रकारची समान गती असते. याच अवस्थेला द्रव-काच किंवा लिक्विड ग्लास म्हणून ओळखले जाते, यात असे समूह एकमेकांना अडथळा किंवा विरोधी असलेली गती दर्शवितात. पदार्थाची दीर्घकाळापर्यंत ही स्थिती अभ्यासण्यात आली आहे. शास्त्रज्ञांनी या पदार्थाची त्रिमितीय रचना (थ्री-डी) विकसित केली असून, त्यामध्ये सहा हजार लंबवर्तुळाकार कणांची स्थिती आणि गती स्पष्ट दिसत आहे. या पदार्थामध्ये काही भागातील परिभ्रमण गती बंद आहे. 

पर्यायाने तो भाग गोठलेल्या बर्फासारखा अर्थात काचेसारखे वर्तन करतो. मात्र त्यातील कणांच्या समूहाला (क्‍लस्टर) स्थानांतरण गती आहे. पर्यायाने ते द्रवासारखे वर्तन करतात. त्यामुळे हा संपूर्ण पदार्थ एकाच वेळी द्रव आणि  काचेची अवस्था दाखवत आहे. स्फटिक नसलेल्या (नॉन क्रिस्टलाईन) स्थितीतील विस्कळीतपणामुळे पदार्थाला "ग्लास'' (काच) ही अवस्था प्राप्त होते. 

- पुण्याच्या बातम्या वाचण्यासाठी येथे ► क्लिक करा

सामान्यतः पदार्थाची द्रव अवस्थेतून स्थायू अवस्थेत जातो. तेंव्हा त्यातील रेणूंमध्ये "क्रिस्टलाइन पॅटर्न'' (स्फटीक) पहायला मिळतो. मात्र, या पदार्थाच्या (ग्लास) बाबतीत असे होताना दिसत नाही. उलट या पदार्थाचे कण स्फटीकीकरण होण्यापूर्वीच परिणामकारकपणे गोठतात. 

‘द्रव काच'' अवस्थेतील या पदार्थामध्ये "लिक्विड क्रिस्टल'' (द्रव स्फटिक) प्रयोगादरम्यान तयार झाला नाही. त्यासाठीची प्रतिबंधात्मक उपाययोजना करण्यात आली होती. ‘लिक्विड क्रिस्टल''चे रेणू हे "ऑप्टिकली ऍक्‍टीव'' असून, त्यांच्या रचनेचा "डायपोलर नेचर'' विशिष्ट प्रकारे दिसते. या नव्या पदार्थामध्ये दोन "ग्लास ट्रांझिशन'' दिसतात. एक म्हणजे रेग्युलर शेप ट्रान्सफॉर्मेशन तर, दुसरे ट्रांझिशन असमान (नॉन- एक्‍विलिब्रियम) पद्धतीचे असते. विशेष म्हणजे या दोन्ही ट्रांझिशनमध्ये अभिक्रियाही होत असते. पदार्थाला उष्णता दिल्यावर तो "सॉफ्ट'' व्हायला लागतो. तापमानाच्या एका विशिष्ट रेंजमध्ये घनापासून द्रव "सॉफ्ट'' पदार्थात (ग्लासी) त्याचे रुपांतर होत असते. 

नव्या अवस्थेची उपयोजितता 
भविष्यात संरक्षणात्मक कोटींगमध्ये पदार्थाची ही अवस्था जास्त उपयोगी ठरेल. कारण एकाच वेळी कठीण आणि लवचिक अवस्था असलेली काच उपलब्ध होईल. तसेच सिरॅमिक, रंग, फॅब्रिक यामध्येही उपयोग होईल. द्रव-काचेच्या या अवस्थेमुळे याचे कोटिंग असलेल्या पृष्ठभाग "मास्क''च्या स्वरूपात वापरता येईल. जेथे हवा खेळती राहील आणि थेट संपर्कही येणार नाही. 

(लेखिका दक्षिण कोरियातील एसकेकेयू विद्यापीठात अभ्यागत संशोधक आहेत.)

Edited By - Prashant Patil