ट्यूमर आणि रक्ताच्या नमुन्यांमधून शोधले मेनिन्जिओमाचे निदान आणि पूर्वानुमान वर्तवू शकतील असे प्रथिनांचे संच.

मिश्रधातूंमधील दोषांच्या अधिक अभ्यासातून त्यांची गुणवत्ता सुधारणे शक्य

Read time: 1 min
मुंबई
19 एप्रिल 2023
मिश्रधातूंमधील दोषांच्या अधिक अभ्यासातून त्यांची गुणवत्ता सुधारणे शक्य

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई (आयआयटी मुंबई) यांनी केलेल्या दोन संशोधनांमधून एखाद्या स्फटिकामधील अणूंच्या रचनेत असणारे दोष कसे महत्त्वाचे आहेत हे दिसून आले आहे. त्या दोषांना विस्थानन (डिसलोकेशन dislocation) असे म्हणतात. मिश्रधातूंचे भौतिक गुणधर्म निश्चित करताना हे दोष महत्त्वाचे ठरतात.  

स्फटिकांचा विचार करताना बहुतांशी, त्यातील अणू-रेणूंच्या उभ्या आडव्या ओळी किंवा रचना या अचूक असतील असे गृहीत धरले जाते. परंतु, वास्तवात असे अचूक स्फटिक दिसून येत नाहीत. बहुतेक सर्व स्फटिक जालकांमध्ये दोष असतातच आणि त्यापैकी एका प्रकाराला विस्थानन असे म्हणतात. एखाद्या स्फटिकातल्या अणूंच्या किंवा रेणूंच्या रचनेत काही अनियमितता किंवा तुटकपणा आला तर तेथे विस्थानन तयार होते. थोडक्यात सांगायचे तर एखाद्या स्फटिकाच्या नियमित रचनेतून काही अणू वगळले जातात. या अनुपस्थित अणूंची रिकामी जागा भरून काढण्यासाठी आजूबाजूच्या अणूंची प्रतले सरकतात.    

विस्थानन हा जरी दोष असला तरीही त्यामुळे त्या पदार्थाचे भौतिक गुणधर्म बदलतात. या वस्तुस्थितीचा अधिक अभ्यास करून पदार्थ वैज्ञानिक त्याचा वापर एखाद्या पदार्थाची मजबूती, तन्यता आणि विद्युतधारकता असे भौतिक गुणधर्म नेमकेपणाने योजण्यासाठी करत आहेत. 

मॉलिब्डेनम असलेल्या माराजिंग स्टील सारख्या लोखंडाच्या मिश्रधातूंमध्ये, लोखंडाच्या अणूंपासून तयार झालेल्या सबंध आधारकामध्ये (मॅट्रिक्स) मॉलिब्डेनमचे अणू विखुरलेले असतात. जर त्यामध्ये विस्थानन असेल तर ते एखाद्या नळीसारखे किंवा पाईपसारखे काम करते, ज्यातून द्राव्य मॉलिब्डेनम अणू प्रवास करू शकतात. विस्थानन नसलेल्या मिश्रधातूपेक्षा विस्थानन असलेल्या मिश्रधातूतून द्राव्य मॉलिब्डेनम अणू या नळ्यांतून अधिक वेगाने प्रवास करू शकतात. या प्रक्रियेला पाईप विसरण (डिफ्यूजन diffusion) असे म्हणतात. द्राव्य अणू विस्थाननातून वेगाने प्रवास करत असल्याने मिश्रधातूचे कालप्रभावन (एजिंग ageing) वेगाने होत जाते. कालप्रभावन या प्रक्रियेलाच अवक्षेपण कठिणीकरण (प्रेसिपिटेशन हार्डनिंग precipitation hardening) असेही म्हणतात. या प्रक्रियेत पदार्थ मजबूत करण्यासाठी एखादा पदार्थ आवश्यक तेवढा मजबूत होईपर्यंत त्याला दीर्घकाळ उष्णता पुरवली जाते. पदार्थाला उष्णता पुरवत असताना, सबंध द्रावक पदार्थात द्राव्य अणूंचे अवक्षेपक तयार होतात (या उदाहरणात Fe2Mo) आणि ते या मिश्रधातूला अधिक मजबूत करतात. जितके जास्त विस्थानन असेल तितक्या वेगाने द्राव्य अणू सबंध पदार्थात विखुरतात. त्यामुळे आवश्यक असलेल्या कालप्रभावनासाठी लागणारा वेळ आणि ऊर्जा कमी होते. 

आयआयटी मुंबईतील संशोधकांना आपल्या पहिल्या संशोधनातून असे दिसून आले की पाईप विसरण प्रक्रियेतून तयार झालेल्या अवक्षेपकाच्या आकारात द्राव्य पदार्थाच्या वेगवान विसरणामुळे बदल होतो. द्राव्य पदार्थाच्या अणूंचे पुंजके सर्व पदार्थात फिरल्याने अवक्षेपक तयार होतात. हे अवक्षेपक नेहेमीच्या वर्तुळाकार आकाराचे नसून चपटे झाले होते आणि त्यांची रचना एखाद्या पट्टी सारखी होती. विस्थाननांच्या दाटीभोवती अवक्षेपकांची वाढ झाली असता विस्थाननांबरोबर होणाऱ्या परस्परक्रियेनुसार त्यांचा आकारदेखील बदलत गेला असे या संशोधकांनी संगणकीय प्रारूपे आणि सदृशीकरणाच्या (सिम्युलेशन) मदतीने दाखवून दिले. या संशोधनात सहभागी असलेल्या प्रा. नागमणी जया सांगतात, “अवक्षेपकांच्या आकारीकीतील बदलामुळे मिश्रधातूंच्या गुणधर्मांचा, विशेषतः तन्यतेचा, ऱ्हास होतो. ही चांगली गोष्ट नव्हे. वेगवान कालप्रभावनाचे फायदे मिळावेत मात्र त्याचबरोबर चपट्या आकाराचे खूप जास्त अवक्षेपक तयार होऊ नयेत याची खबरदारी घेता यावी यासाठी पुरेसे तेवढेच विस्थानन घडवून आणले पाहिजे. त्यासाठी आधीचे विरूपण (डिफॉर्मेशन deformation) नियंत्रणात ठेवणे गरजेचे आहे. हे नियंत्रण कसे ठेवावे या बाबतीत प्रस्तुत संशोधनातून आपल्याला दिशा मिळते.” 

एका विस्थाननाची, मिश्रधातूंमधल्या द्राव्य पदार्थांशी, विशेषतः प्रावस्थाविलगन (फेज सेपरेशन phase separation) होताना, कशी परस्परक्रिया होते हे संशोधकांना त्यापुढील संशोधनात जाणून घ्यायचे होते. एकाच एकसंध मिश्रणातून दोन प्रावस्था वेगळ्या होत असताना प्रावस्थाविलगन घडून येते. उदाहरणार्थ, तेल आणि पाणी एकत्र मिसळताना या दोन्ही द्रवपदार्थांचे प्रावस्थाविलगन घडून येते आणि पाणी व तेलाचे दोन वेगळे थर तयार होतात. विस्थानन असेल तर मिश्रधातूंमध्ये प्रावस्थाविलगनाला कशी मदत होते किंवा त्यावर कसा परिणाम होतो याचा अभ्यास संशोधकांना करायचा होता. याकरता त्यांनी एका मिश्रधातूमधील विस्थानन दाखवणारे आणखी एक संगणकीय प्रारूप (मॉडेल) तयार केले आणि त्यावर सदृशीकरणाचे (सिम्युलेशन) प्रयोग करून पाहिले. 

प्रावस्थाविलगन सहसा दोन मार्गांनी होते - केंद्रकीयन (न्यूक्लिएशन nucleation) आणि वाढ व स्पिनोडल विघटन. जेव्हा मिश्रधातूंमधले थोडेसे द्राव्य अणू एका क्षणी मिश्रणातच एकत्र गोळा होतात तेव्हा केंद्रकीयन घडून येते. एकदा हे गोळा झालेले वस्तुमान एका निर्णायक आकाराएवढे झाले की त्याची वाढ होऊ लागते.  पुन्हा एकदा Fe2Moचे उदाहरण पाहूया. लोह आधारकामध्ये (मॅट्रिक्स) मॉलिब्डेनमचे अणू जमा होऊन केंद्रकीयन बिंदूपासून पुढे त्यांची वाढ होऊ लागते. यथावकाश ते दोन पदार्थ वेगळे होतात. पदार्थ गोळा होण्यासाठी आणि त्यायोगे पुढे केंद्रकीयन आणि वाढ ही प्रक्रिया घडून येण्यासाठी विस्थानन असलेल्या जालकांमध्ये सहसा अनुकूल परिस्थिती असते. त्याउलट स्पिनोडल विघटन उत्स्फूर्तपणे घडून येते. म्हणजेच, जसे पाणी आणि तेल उत्स्फूर्तपणे दोन वेगळ्या थरांमध्ये विभागले जाते तसेच, काही विशिष्ट पद्धतीच्या रचनेत मिश्रधातूमधल्या दोन घटकांचे उत्स्फूर्तपणे प्रावस्थाविलगन होते. या दोन्ही क्रिया  ज्ञात असल्या तरीही, आत्तापर्यंत असा समज होता की एकाच पदार्थात या दोन्ही प्रक्रिया एकाच वेळेला घडून येत नाहीत. 

सदर अभ्यासातून आयआयटी मुंबई येथील संशोधकांच्या असे लक्षात आले, की केंद्रकीयन आणि वाढ व स्पिनोडल विघटन या दोन्ही गोष्टी एकाच वेळेस एखाद्या पदार्थात घडून येऊ शकतात. जेव्हा एक विस्थानन झालेले होते तेव्हा स्पिनोडल विघटन घडून आले. जेव्हा एकमेकांना छेदणारी दोन विस्थानने होती तेव्हा केंद्रकीयन आणि वाढ ही प्रक्रिया घडून येण्यासही मदत झाली. या शोधनिबंधाचे एक लेखक अर्जुन वर्मा आर. सांगतात, “संघटनाच्या (मिश्रधातूंमधील दोन धातूंचे प्रमाण) एका विशिष्ट पातळीपलीकडे एका विस्थानन रेषेला समांतर स्पिनोडल विघटन घडून येऊ शकते असे आम्हाला दिसले. मात्र एकाच विस्थाननाऐवजी विस्थानन जालकाचा विचार केला असता, जेथे दोन विस्थानने एकमेकांना छेदतात तिथे केंद्रकीयन देखील घडून येते. आमच्या आजवरच्या माहितीप्रमाणे, स्पिनोडल विघटन आणि केंद्रकीयन या दोन्ही प्रक्रिया एकाचवेळेस घडत आहेत असे पहिल्यांदाच एखाद्या शोधनिबंधातून दिसून आले आहे.” सदृशीकरणासाठी संशोधकांच्या या गटाने अमितीय परामूल्य (नॉन-डायमेन्शनलाईझ्ड पॅरामीटर्स non-dimensionalized parameters) वापरले आहे. (म्हणजे असे चल किंवा परामूल्य ज्यांचे मूल्य कोणत्याही विशिष्ट पदार्थावर अवलंबून नसते.) त्यामुळे विविध मिश्रधातूंचा अभ्यास करताना हेच प्रारूप वापरता येईल. 

“सर्वप्रथम आम्ही जेव्हा स्पिनोडल आणि केंद्रकीयन एकाच वेळेस घडून येताना पाहिले तेव्हा आमच्या प्रारूपात काही चूक आहे असेच मला वाटले. मिश्रधातूंमध्ये असे घडू शकेल असा विचार करण्याचे आपल्याला शिकवलेच जात नाही. त्यामुळे वास्तविक ही गोष्ट खरी असल्याचे मान्य करायला मला थोडा वेळ लागला,” प्रा.एम.पी.गुरूराजन आश्चर्य व्यक्त करतात. ते या दोन्ही संशोधनांमध्ये सहभागी होते. लोह आणि मँगेनीजपासून तयार झालेल्या मिश्रधातूविषयीच्या शास्त्रीय माहितीत असलेल्या ॲटम प्रोब निकालांशी (आण्विक रचनांचा अभ्यास करण्यासाठी वापरण्यात येणारा एकप्रकारचा सूक्ष्मदर्शी अभ्यास) पडताळणी करून या प्रारूपाच्या वैधतेची खात्री करण्यात मदत झाली. त्यामध्ये विस्थानन होत असलेल्या ठिकाणी स्पिनोडल घडून येत असल्याचा पुरावा दिसून आला. याव्यतिरिक्त, वेगवेगळ्या मिश्रधातूंमधील धातूंचे प्रमाण साधारण किती असताना विस्थाननाला समांतर स्पिनोडल विघटन घडून येण्याची शक्यता आहे याचा अंदाज हे प्रारूप वापरून त्यांनी वर्तवला आहे. 

मिश्रधातूंचे भौतिक गुणधर्म ठरवताना विस्थानने कशी महत्त्वाची भूमिका बजावतात हे या दोन्ही अभ्यासांतून आपल्याला दिसून आले आहे. त्यामुळे नेमकेपणाने विस्थानने योजून मिश्रधातूंमध्ये हवे तसे गुणधर्म मिळवता येऊ शकतील आणि उणीवादेखील हाताळता येऊ शकतील. विस्थाननांच्या या प्रत्यक्ष उपयोगाव्यतिरिक्त, वरील संशोधनातून आपल्याला त्यांच्या वर्तणुकीमागचे मूलभूत विज्ञान आणि त्यांच्या मिश्रधातूंच्या अणूंबरोबर होणाऱ्या परस्परक्रिया समजून घेण्यास मदत झाली आहे. 

त्याखेरीज, धातूशास्त्रातील महत्वाच्या शोधांबरोबरच, या संशोधनामुळे स्वतंत्र सॉफ्टवेअर कोड आणि संगणक प्रारूपे तयार करण्यासाठी प्रोत्साहन मिळाले आहे. त्याचा उपयोग इतर धातूव्यवस्था आणि मिश्रधातू समजून घेण्यात होऊ शकेल. “अत्यंत वेगवान संगणनामध्ये (हाय स्पीड कंप्युटिंग) फेज फिल्ड मॉडेलिंग ही एक महत्त्वाची समस्या आहे. तसेच कोणत्या प्रकारचा महासंगणक (सुपरकम्प्युटर) वापरला आहे त्यानुसार या मॉडेलवरून निकाल मिळण्यासाठी बराच वेळ लागतो. “आम्ही स्वतःच ही प्रारूपे तयार करून कोड लिहिलेला असल्याने या पदार्थांविषयीची जाण वाढवण्यासाठी लागणारे नैपुण्य आता आमच्याकडे आहे. हे संशोधन करत असताना विकसित झालेली अशी कौशल्ये ही आमच्यासाठी सर्वात महत्त्वाची गोष्ट आहे,” प्रा. गुरूराजन सांगतात.