धातुविज्ञान

 

इंजिनियरिंग कॉलेजला जायच्या आधी मला फक्त सिव्हिल, मेकॅनिकल आणि इलेक्ट्रिकल एवढ्याच शाखांची नावे ऐकून माहीत होती. त्यात काय काय शिकवले जाणार आहे याचीही काही  कल्पना नव्हती. दोन तीन वर्षांपूर्वीच तिथे मेटॅलर्जी नावाची वेगळी शाखा निघाली होती. तोपर्यंत मी हा शब्दसुद्धा ऐकला नव्हता. पण आम्हाला तो एक विषय म्हणून शिकवला गेला तेंव्हापासून मला त्यात खूप इंटरेस्ट वाटायला लागला होता. पुढे नोकरीत असतांना लोखंड, पोलाद आणि त्याच्या मिश्रधातूंचा खूप उपयोग करायचा असल्यामुळे त्यांच्या विशिष्ट गुणधर्मांचा आणि त्यांच्या विविध प्रकारच्या तपासण्यांचा कसून अभ्यास करावा लागला, तसेच युरेनियम, थोरियम आणि झिर्कोनियम यासारख्या पूर्वी कधीच न ऐकलेल्या धातूंशीही संबंध आला. आता विज्ञानधारा या मासिकासाठी लेख लिहिण्याच्या निमित्याने मला या शाखेचे थोडेसे मूलभूत ज्ञान करून घेण्याची संधी मिळाली. त्यात मला मराठी विश्वकोशाची मुख्य मदत झाली. 

"धातुकांचे (खनिजांचे) संस्करण, धातूंचे प्रगलन, धातूचे तुकडे तापवून किंवा थंड अवस्थेतच त्यांना विविध आकार देणे, धातूंचे जोडकाम करणे, धातूचा रस करून विविध आकारांची ओतिवे तयार करणे, धातूचे चूर्ण करून त्यापासून उपयुक्त वस्तू बनविणे, धातूच्या वस्तूवर उष्णता संस्करण करणे, धातूच्या वस्तूवर दुसऱ्या धातूचा वा इतर संरक्षक द्रव्याचा मुलामा देणे, मिश्रधातू तयार करणे, मिश्रधातू आणि धातुमळी यांचे रासायनिक पृथक्करण करण्याच्या भौतिक आणि रासायनिक पद्धती शोधून त्या वापरणे, धातुवैज्ञानिक भट्ट्यांचा अभिकल्प  तयार करणे आणि त्यांची रचना करणे, शुद्ध आणि मिश्रधातूच्या संरचना आणि त्यांमधील प्रावस्थाबदलांच्या मूलभूत नियमांचा अभ्यास करणे, धातुवैज्ञानिक यंत्रे आणि उपकरणे कोठे व कोणत्या पद्धतीने बसवावयाची ते ठरविणे इ. अनेक बाबींचा समावेश या धातुविज्ञानात होतो. भौतिकी आणि रसायनशास्त्र या दोहोंचा उपयोग करणारे हे विज्ञान अभियांत्रिकीची एक महत्त्वाची शाखा आहे." असे धातुविज्ञान (मेटॅलर्जी), धातुविद्या किंवा धातुशास्त्र म्हणजे काय हे विश्वकोषातील या विषयावरील लेखामधील पहिल्या वाक्यात सांगितले आहे. यावरून हा विषय किती विस्तृत आहे याची कल्पना येईल.    

सोने, चांदी, तांबे, कथिल, शिसे, जस्त, आर्सेनिक, लोखंड आदि काही धातूंचा उपयोग हजारो वर्षांपासून होत आला आहे हे 'धातूंचा इतिहास' या लेखात दिले होते. यातील काही थोड्या धातू जगातील काही प्रदेशांमध्ये नैसर्गिक स्वरूपात सापडल्या आणि बाकीच्या धातू माणसाने खनिजांपासून तयार केल्या. खनिजांमध्ये मुख्यत्वे धातूंचे ऑक्साइड, सल्फाइड अशा प्रकारची संयुगे असतात. अशा खनिजांमधून धातूंना वेगळे करण्यासाठी त्या खनिजांना कोळसा, चुना यासारख्या काही इतर पदार्थांबरोबर एका खास प्रकारच्या भट्टीत घालून  खूप जास्त तापमानापर्यंत भाजल्यावर ती धातू वितळून तिचा रस बाहेर पडतो. त्यामध्ये मिसळलेली अशुद्ध द्रव्ये काढून टाकून त्या धातूंना शुद्ध करण्यासाठी त्यांना पुन्हा पुन्हा वितळवले जाते, दोन किंवा अधिक धातूंना एकत्र वितळवून मिश्र धातू तयार केले जातात, शुद्ध किंवा मिश्र धातू तापवल्यानंतर वितळायच्या बरेच आधी ते मऊ होतात आणि त्या वेळी त्यांना ठोकून हवा तसा आकार दिला जातो किंवा त्यांच्यापासून पत्रे, नळ्या, भांडी वगैरे तयार करता येतात, तर काही धातूंना वितळवून आणि साच्यात ओतून हवे तसे आकार दिले जातात. प्राचीन काळात हे सगळे तंत्रज्ञान असंख्य प्रयोग करूनच साध्य झाले असणार. म्हणून हा विज्ञानाचा भाग समजला जातो. मात्र त्या काळात या प्रयत्नांच्या क्रमवार आणि तपशीलवार नोंदी करून ठेवलेल्या नाहीत. कुठल्या शास्त्रज्ञाने कुठला धातू कधी शोधून काढला किंवा सर्वात आधी तयार करून दाखवला किंवा कुठला धातू कुठल्या देशात प्रथम वापरला गेला असे लेखी उल्लेख सापडत नाहीत. उत्खननांमध्ये मिळालेल्या पुरातन अवशेषांची तपासणी करून पुरातत्वविद्यावेत्त्यांनी (आर्किऑलॉजिस्ट) अंदाजाने त्यांची माहिती जमा केली आहे.

पूर्वीच्या काळी मूलद्रव्ये, संयुगे आणि मिश्रणे अशी पदार्थांची वर्गवारी केलेली नव्हती आणि त्यांची सुस्पष्ट कल्पनाही नसायची किंवा त्याची गरजही वाटत नसेल. इतर धातूंचे सोन्यात रूपांतर करणे शक्य आहे अशीच शहाण्या लोकांचीसुद्धा समजूत असल्यामुळे ते साध्य करण्यासाठी अनेक प्रकारचे मुख्यतः रासायनिक प्रयोग केले जात होते. त्याला अल्केमी किंवा किमया म्हणत असत. यातून कृत्रिम रित्या सोने तर तयार होऊ शकले नाही, पण प्रायोगिक तंत्रे, भट्टीचे नियंत्रण आणि भौतिक शुद्धीकरण यांचा विकास करून अल्केमीने धातुविज्ञानात लक्षणीय भर टाकली. त्यातून अनेक रसायने तयार केली गेली, तसेच जगाला नवनवे धातू आणि मिश्रधातूही मिळाले आणि त्यांचे व्यवहारात उपयोग व्हायला लागले.

भारतामध्ये राजस्थानातील अरवली पर्वताच्या खेत्री विभागात मिळणाऱ्या तांब्याच्या धातुकांपासून (खनिजापासून) शुद्ध तांबे मिळविणे व त्यामध्ये इतर देशांतून आणलेले कथिल मिसळून कासे तयार करण्याचा उद्योग इ.स.पूर्व २५०० पासून अनेक ठिकाणी चालू होता. त्या वेळी तांब्यापासून वस्तरे, सुऱ्या, बाणाची टोके इ.घडीव वस्तू आणि कुऱ्हाडी व लहान मूर्ती अशा ओतीव वस्तू तयार करीत असत. पुढील काळात उत्तर आणि दक्षिण भारतात सगळीकडे त्याचा प्रसार झाला आणि अनेक कुशल कारागीर धातूंच्या वस्तू तयार करायला लागले. 

पितळ ही तांबे आणि जस्त यांची मिश्रधातू इ.स.पूर्व १६०० ते ६०० च्या दरम्यानच्या काळात प्रचारात आली;  धातुविज्ञानाच्या प्रगतीच्या दृष्टीने रोमन लोकांची ही  कामगिरी महत्त्वाची मानण्यात येते. धातुवैज्ञानिक प्रक्रियांचे पहिले वर्णन रोमन शास्त्रज्ञ थोरले प्लिनि (इ.स. २९ – ७९) यांच्या Naturalis Historia या ग्रंथात आढळते. त्यांनी त्या काळी उपलब्ध असलेली धातूंसंबंघीची सर्व माहिती या ग्रंथात संग्रहित केलेली होती.

प्राचीन काळी  धातुविज्ञानामध्ये रसायनशास्त्राचा मोठा वाटा होता. महान प्राचीन भारतीय शास्त्रज्ञ नागार्जुन हे या दोन्ही शास्त्रांमध्ये तसेच वैद्यकशास्त्रातही पारंगत होते. त्यांनी अनेक प्रयोग करून नवी रसायने आणि नवे मिश्रधातू तयार केले.  त्यांनी पारा आणि सोने यांचा विशेष अभ्यास केला होता. रसायनशास्त्रावर  रसरत्नाकर, रसहृदय आणि रसेंद्रमंगल यासारखे ग्रंथ लिहिले आणि काही रसायनांचे वैद्यकीय उपयोगही सांगितले. त्यांना कृत्रिम सोने तयार करण्याची किमया गवसली होती अशी एक दंतकथा आहे.

नंतरच्या काळात धातुविज्ञानाच्या प्रगतीच्या दृष्टीने महत्त्वाचे असे बरेच शोध लागले. उदाहरणार्थ आर्किमिडीज याचा सिद्धांत. ती एक मजेदार गोष्ट आहे. ग्रीसच्या राजानं एक सोन्याचा मुकुट बनवून घेतला होता. पण सोनारानं लबाडी करून त्यात भेसळ केली असावी असा संशय त्याला आला. हे खरं की खोटं हे शोधून काढायचं कठीण काम त्यानं आर्किमिडीजला दिलं. त्या काळच्या तंत्रज्ञानानुसार सोन्याचा खरेपणा शोधायचे दोनच रूढ मार्ग होते, एकतर भट्टीत टाकून तापवून नाहीतर तीव्र आम्लामध्ये बुडवून पहाणं. दोन्हीमध्ये तो सुंदर नक्षीदार मुकुट खराब होणार. निदान तशी शक्यता होतीच. तसे न करता त्यातील सोन्याचा कस कसा पहायचा हे एक फक्त आर्किमिडीजलाच नव्हे तर दरबारातील विद्वत्तेपुढे आव्हान होते. त्यासाठी सोन्याच्या तिसऱ्याच कुठल्यातरी गुणधर्माचा उपयोग करता येईल कां असा विचार आर्किमिडीज करीत होता. पाण्याच्या टबात उतरल्याबरोबर त्याला पाण्याच्या उध्दरणशक्तीची जाणीव झाली व त्याचा उपयोग सोन्याची घनता मोजण्यासाठी करता येईल ही नामी कल्पना सुचली. त्याने राजाच्या मुकुटामधले सोने किती शुद्ध आहे हे ठरवण्यासाठी त्याचे हवेत आणि पाण्यात बुडवून वजन केले आणि त्या मुकुटाने दूर सारलेल्या पाण्याचे घनफळ मोजून  त्या मुकुटातल्या सोन्याची घनता मोजली. त्यावरून सोनाराची लबाडी पकडली गेली. या प्रयत्नात भौतिक विज्ञानातील सुप्रसिद्ध आर्किमिडीजचा सिद्धांत  प्रस्थापित झाला.  या गोष्टीवरूनही हे दिसते की त्या काळात युरोपात धातूंचा उपयोग सर्रास केला जात होता, एवढेच नव्हे तर त्यात मिसळसुद्धा केली जात होती.   त्यानंतर इतर पदार्थांप्रमाणेच विविध धातूंच्या भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांचा कसून अभ्यास केला गेला.     

आल्केमीमध्ये केले जाणारे प्रयोग आणि त्यात साध्य झालेले यश याबद्दल कमालीची गुप्तता बाळगली जात असे. आपण कुठली रसायने किंवा उपकरणे, प्रक्रिया वगैरे वापरतो याची गुपिते इतरांना कळू नयेत असा उद्देश असावा. धातूंचा उपयोग करून शस्त्रे तयार केली जात असल्यामुळे ती विद्या शत्रूला कळता कामा नये असाच विचार तेंव्हाही केला जात असणार. पण सोळाव्या शतकात व्हॅनोसियो बिरिनगुकिओ या इटालियन धातुकारागिराचा De la pirotechnia व जॉर्जिअस ॲग्रिकोला या जर्मन धातुवैज्ञानिकाचा De re metallia हे धातुविज्ञानाच्या दृष्टीने महत्त्वाचे ग्रंथ प्रसिद्ध झाले. बिरिनगुकिओ यांच्या ग्रंथात प्रगलन, परिष्करण, आमापन पद्धती, धातु-ओतकाम, साचाकाम, ओतिवात जरूरीप्रमाणे पोकळ्या वा भोके तयार करणे, तसेच तोफा व तोफांचे बिडाचे गोळे यांसारख्या वस्तू तयार करण्याच्या पद्धती इत्यादींचे पद्धतशीर व संपूर्ण वर्णन दिलेले होते. ॲग्रिकोला यांच्या ग्रंथात धातुकांचे पूर्वेक्षण, सर्वेक्षण, धातुके चुरडणे आणि त्यांचे संकेंद्रीकरण करणे, तसेच प्रगलन, परिष्करण, आमापन यांच्या पद्धती वर्णिलेल्या होत्या. त्यांनी वर्णन केलेल्या काही पद्धती अद्यापही तत्त्वतः प्रचलित आहेत. ॲग्रिकोला यांना आधुनिक धातुविज्ञानाचे जनक मानण्यात येते. 

त्यानंतर गेल्या चारशे वर्षात धातुविज्ञानामध्ये प्रचंड प्रगति झाली आहे. मूलद्रव्ये, संयुगे आणि मिश्रणे, तसेच शुद्ध आणि मिश्र धातू यांच्या व्याख्या करण्यात आल्या. मेंडेलीव्ह याने तयार केलेल्या  आवर्तसारणी (पीरिऑडिक टेबल)मध्ये जगातील सर्व मूलद्रव्ये दाखवली त्यात सुमारे ८० टक्के धातू आहेत, त्यातले बरेचसे दुर्मिळ धातू (रेअर अर्थ्स) आहेत. आता यातील बहुतेक सगळ्या धातूंची निर्मिती प्रक्रिया माहीत झाली आहे आणि काही वस्तुसंग्रहांमध्ये सर्व धातूंचे नमूने ठेवले आहेत. धातूंच्या नमून्याला सूक्ष्मदर्शक यंत्रातून पाहिले तर त्याच्या सूक्ष्म कणांच्या रचनेचे चित्र (मायक्रोस्ट्रक्चर) दिसते. धातूंचा असा अभ्यास करण्याची मेटलोग्राफी ही धातुविज्ञानाची शाखा तयार झाली. यातून धातूंचे अनेक गुणधर्म समजतात. 

सर्व धातूंचे विविध गुणधर्म मोजण्यासाठी अनेक प्रकारच्या चाचण्या करण्याचे एक वेगळे शास्त्र तयार झाले आहे. त्यात रासायनिक पृथःकरण (केमिकल अॅनॅलिसिस), तन्यता चाचणी(टेन्साइल टेस्ट), प्रभाव चाचणी (इम्पॅक्ट टेस्ट), थकवा चाचणी (फटीग टेस्ट), कडकपणा चाचणी (हार्डनेस टेस्ट), औष्णिक चालकता (थर्मल कंडक्टिव्हिटी), विद्युत चालकता (इलेक्ट्रिकल कंडक्टिव्हिटी), गंज प्रतिकार (करोजन रेझिस्टन्स) यासारख्या अनेक चाचण्या करून त्या धातूंचा दणकटपणा, लवचिकपणा, काठिण्य वगैरे गुणधर्म मोजले जातात,  गैर-विध्वंसक  चाचण्या(नॉन डिस्ट्रक्टिव्ह टेस्टिंग) करून त्यात दडलेली अंतर्गत वैगुण्ये शोधली जातात. कुठल्या धातूचा उपयोग कुठल्या कामासाठी करायला पाहिजे ते अशा तपासण्यांवरून ठरवले जाते. 

लोखंड, पोलाद आणि त्यांच्या मिश्रधातूंमधून अनेक प्रकारची यंत्रसामुग्री तयार होत गेली. विशिष्ट गुणधर्म असलेल्या निरनिराळ्या मिश्रधातूंची निर्मिती करून त्यांना विशिष्ट आकार देण्यात झालेल्या प्रगतीमुळेच अनेक प्रकारची आणि विविध आकारांची उपकरणे तयार करता आली आणि त्यामधून संशोधनाला वेग मिळाला. अॅल्युमिनियम आणि स्टेनलेस स्टील यासारख्या धातूंनी स्वयंपाकघरातल्या भांड्यांचे स्वरूप बदलून टाकले. दुर्मिळ धातूंच्या उपयोगातून इलेक्रॉनिक्स आणि अणुशक्ती या आजच्या युगातल्या महत्वाच्या शास्त्रांचा विकास  झाला. घरे, कारखाने, प्रयोगशाळा, रुग्णालये, रणांगण अशा सगळ्याच ठिकाणी वापरल्या जाणाऱ्या बहुतेक वस्तू निरनिराळ्या धातूंपासूनच तयार केल्या जातात. अशा प्रकारे धातुविज्ञानात झालेल्या प्रगतीमधून माणसाचे जीवन अत्यंत समृद्ध झाले आहे.

----------------------------------------------------------