কঠিন পদার্থ

কঠিন মৌলিক চারটি পদার্থের মধ্যে একটি (অন্য চারটি হল তরল, গ্যাস এবং প্লাজমা)। কঠিন পদার্থের অণুগুলো একে অপরের সাথে খুব দৃঢ়ভাবে যুক্ত থাকে এবং তাদের মধ্যে গতিশক্তি খুব কম থাকে।একটি কঠিনকে তার কাঠামোগত অনমনীয়তা এবং পৃষ্ঠে প্রয়োগকৃত প্রতিরোধিত বল দ্বারা চিহ্নিত করা হয়। কঠিন পদার্থ তরলের মতো পাত্রের আকার ধারণ করে নিতে প্রবাহিত হয় না এবং এটি গ্যাসের মতো পাত্র সম্পূর্ণ পূরণ করতে প্রসারিত হয় না। কঠিন পদার্থের পরমাণু একে অপরের সাথে আবদ্ধ থাকে, নিয়মিত জ্যামিতিক জাফরিতে (কঠিন স্ফটিক, যার মধ্যে রয়েছে ধাতু এবং সাধারণ বরফ) বা অনিয়মিতভাবে (সাধারণ উইন্ডো গ্লাসের মতো একটি নিরাকার কঠিন পদার্থ)। কঠিন পদার্থকে সামান্য চাপ দিয়ে সংকুচিত করা যায় না, যেখানে গ্যাসীয় পদার্থকে সামান্য চাপ দিয়ে সংকুচিত করা যায়। কারণ গ্যাসের অণু আলগাভাবে আবদ্ধ থাকে ।
পদার্থবিজ্ঞানের যে শাখা কঠিন নিয়ে কাজ করে তাকে কঠিন অবস্থা পদার্থবিজ্ঞান বলে, এবং এটি ঘনীভূত পদার্থ পদার্থবিজ্ঞানের প্রধান শাখা (যার মধ্যে তরলও রয়েছে)। উপাদান বিজ্ঞান মূলত কঠিন পদার্থগুলির শারীরিক এবং রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলির সাথে সম্পর্কিত।
কঠিন যে পরমাণু, অণু বা আয়ন দিয়ে তৈরি তা সুশৃঙ্খল পুনঃরাবৃত্তি প্যাটার্ন বা অনিয়মিতভাবে সজ্জিত হতে পারে। যে পদার্থগুলোর উপাদান নিয়মিত প্যাটার্নে সজ্জিত থাকে সেগুলো স্ফটিক হিসাবে পরিচিত। কিছু ঘটনায়, নিয়মিত বিন্যাস বড় আকারে অবিচ্ছিন্নভাবে অবিরত থাকতে পারে, উদাহরণস্বরূপ হীরা, যেখানে প্রতিটি হীরা একক স্ফটিক। যেসব কঠিন বস্তু দেখতে এবং নিয়ন্ত্রণ করার জন্য যথেষ্ট বড় খুব কম সময়ই সেগুলো একটি একক স্ফটিক দ্বারা গঠিত হয়, তবে তার পরিবর্তে তা প্রচুর সংখ্যক একক স্ফটিক দিয়ে তৈরি হয়, যার আকার কয়েক ন্যানোমিটার থেকে কয়েক মিটার পর্যন্ত হতে পারে। এই জাতীয় পদার্থগুলিকে পলিক্রিস্টালাইন বলা হয়। প্রায় সকল সাধারণ ধাতু এবং অনেক সিরামিক পলিক্রিস্টালাইন হয়।
অন্যসব উপাদানে, পরমাণুর অবস্থানের মধ্যে লং-রেঞ্জের বিন্যাস নেই । এই কঠিন পদার্থ অ্যামরফাস কঠিন পদার্থ হিসেবে পরিচিত, "পলিস্টাইরিন" এবং "কাচ" এর উদাহরণ।
একটি কঠিন স্ফটিক নাকি অ্যামরফাস তা তার সংশ্লিষ্ট উপাদান এবং যে পরিস্থিতিতে গঠিত হয়েছিল তার উপর নির্ভর করে। যেসব কঠিন গঠিত হয় ধীর শীতলীকরণ দ্বারা সেগুলো স্ফটিক হয়। আর যেসব কঠিন দ্রুত হিমায়িত করার মাধ্যমে সৃষ্ট হয় সেগুলো সাধারণত অ্যামরফাস হয়ে থাকে। তেমনি, স্ফটিক কঠিন পদার্থ দ্বারা গৃহীত নির্দিষ্ট স্ফটিক কাঠামো জড়িত উপাদান এবং এটি কীভাবে গঠিত হয়েছিল তার উপর নির্ভর করে।
বরফ বা একটি কয়েনের মতো সাধারণ বস্তুগুলো যেমন রাসায়নিকভাবে একরকম, ঠিক তেমনই অন্য অনেক সাধারণ পদার্থ বিভিন্ন উপাদানকে একত্রে সমন্বিত করে তৈরি হয়। উদাহরণস্বরূপ, একটি সাধারণ শিলা হল বিভিন্ন খনিজ ও খনিজ পদার্থের সমষ্টি, যার কোনও নির্দিষ্ট রাসায়নিক গঠন নেই। কাঠ একটি প্রাকৃতিক জৈব পদার্থ যা মূলত সেলুলোজ ফাইবার। উপাদান বিজ্ঞানে, একাধিক উপাদানসমূহের সমন্বয় পছন্দসই বৈশিষ্ট্যের জন্য নকশা করা যেতে পারে।
পরমাণু বিভিন্ন গঠন নিতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, সোডিয়াম ক্লোরাইডের একটি কেলাস (খাবার লবণ) আয়নিক সোডিয়াম এবং ক্লোরিন দ্বারা গঠিত, যা আয়নিক বন্ধন দ্বারা একসাথে রাখা হয়। হীরা বা সিলিকন, ইলেকট্রন ভাগাভাগি করে সমযোজী যৌগের মাধ্যমে বন্ধনে আবদ্ধ হয়। ধাতুতে, ইলেকট্রন শেয়ারিং এর মাধ্যমে ধাতব বন্ধন ঘটে। কিছু কঠিনে, বিশেষত বেশিরভাগ জৈব যৌগ, প্রতিটি অণুতে বৈদ্যুতিক চার্জ মেঘের মেরুকরণের ফলে ভ্যান ডের ওয়েলস ফোর্স এর সাথে একসাথে রাখা হয়। তাদের বন্ধনের মধ্যে পার্থক্য থেকে কঠিন ফলাফলের প্রকারের মধ্যে ভিন্নতা।
ধাতু সাধারণত কঠিন, ঘন এবং বিদ্যুৎ এবং তাপ উভয়ের জন্যই ভাল পরিবাহী। পর্যায় সারণীতে অনেক উপাদান, বোরন থেকে পোলোনিয়ামে টানা একটি তির্যক রেখার বাম দিকে ধাতু।
দুটি বা ততোধিক উপাদানের মিশ্রণ যা প্রধান ধাতুর একটি ধাতু, যা সঙ্কর ধাতু হিসাবে পরিচিত।
প্রাগৈতিহাসিক কাল থেকে মানুষ বিভিন্ন উদ্দেশ্যে ধাতু ব্যবহার করে আসছে।
ধাতু শক্তিশালী এবং নির্ভরযোগ্য বিল্ডিং এবং অন্যান্য কাঠামোগত নির্মাণের পাশাপাশি বেশিরভাগ যানবাহন, অনেক সরঞ্জাম, পাইপ, রাস্তার চিহ্ন এবং রেলপথ ট্র্যাকগুলিতে ব্যবহার হয়। আয়রন এবং অ্যালুমিনিয়াম দুটি সাধারণত ব্যবহৃত কাঠামোগত ধাতু হয়। এগুলি পৃথিবীর ভূত্বকের সর্বাধিক প্রচুর ধাতু। আয়রন সাধারণত একটি মিশ্র, ইস্পাত আকারে ব্যবহৃত হয়, যার মধ্যে ২.১% কার্বন থাকে, এটি খাঁটি লোহার চেয়েও শক্ত হয়ে থাকে।
ধাতু বিদ্যুতের জন্য ভাল কন্ডাক্টর হিসাবে, বৈদ্যুতিক সরঞ্জামে এবং সামান্য শক্তি হ্রাস বা অপচয় হ্রাস সহ অনেক দূরত্বে বৈদ্যুতিক প্রবাহ বহন করার জন্য মূল্যবান বস্তু। এইভাবে, বৈদ্যুতিক পাওয়ার গ্রিড বিদ্যুৎ বিতরণের জন্য ধাতব কেবলের নির্ভরশীল। হোম ইলেকট্রনিক সিস্টেমের জন্য ভাল উদাহরণ পরিচালন বৈশিষ্ট্য এবং সহজ যন্ত্রের জন্য তামা দিয়ে তারযুক্ত করা হয়। বেশিরভাগ ধাতুর উচ্চ তাপ পরিবাহিতা চুলায় রান্না করার পাত্রগুলির জন্য তাদের দরকারী করে তোলে।
ধাতব উপাদান এবং তাদের মিশ্রণগুলির অধ্যয়ন কঠিন-অবস্থা রসায়ন, পদার্থবিজ্ঞান, উপাদান বিজ্ঞান এবং প্রকৌশল ক্ষেত্রে একটি উল্লেখযোগ্য ক্ষেত্র তৈরি করে।
কঠিন ধাতবে উচ্চ চাপে সংঠিত ডিলোকালিজেড ইলেকট্রনস ভাগাভাগি হয়, যা ধাতব বন্ধন নামে পরিচিত। ধাতুতে পরমাণু সহজেই তাদের বাহিরের ইলেকট্রনগুলি ত্যাগ করে ধনাত্মক আয়ন তৈরি করে। মুক্ত ইলেক্ট্রনগুলি পুরো শক্তি জুড়ে ছড়িয়ে পড়ে, যা আয়ন এবং ইলেক্ট্রন মেঘের মধ্যে বৈদ্যুতিন সংযোগের মাধ্যমে দৃঢ়তার সাথে একত্রিত হয়। বিপুল সংখ্যক মুক্ত ইলেক্ট্রন ধাতুকে বৈদ্যুতিক এবং তাপীয় পরিবাহিতার জন্য উচ্চ মান দেয়। মুক্ত ইলেকট্রন আরো প্রতিরোধ করে স্থানান্তর দৃশ্যমান আলো।
ধাতব বৈশিষ্ট্যের আরও উন্নত মডেলগুলি ডেলোক্যালাইজড ইলেক্ট্রনগুলিতে ধনাত্মক আয়ন কোরগুলির প্রভাব বিবেচনা করে। যেহেতু অধিকাংশ ধাতু স্ফটিক গঠন আছে, ঐ আয়ন সাধারণত একটি পর্যায়ক্রমিক ল্যাটিস মধ্যে সাজানো হয়। গাণিতিকভাবে, আয়ন কোরের সম্ভাবনা বিভিন্ন মডেল দ্বারা ট্রেইড করা যেতে পারে, সবচেয়ে সহজ হচ্ছে প্রায় মুক্ত ইলেকট্রন মডেল।
খনিজ প্রাকৃতিকভাবে ঘটে থাকে উচ্চ চাপের মধ্যে বিভিন্ন ভূতাত্ত্বিক প্রক্রিয়াগুলির মাধ্যমে গঠিত। প্রকৃত খনিজ হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করার জন্য, কোনো পদার্থের অবশ্যই অভিন্ন ভৌত বৈশিষ্ট্যসহ একটি স্ফটিক কাঠামো থাকতে হবে। বিশুদ্ধ উপাদান এবং সাধারণ লবণ থেকে শুরু করে হাজার হাজার পরিচিত আকারের সাথে খুব জটিল সিলিকেট গঠন পর্যন্ত খনিজের পরিসর। বিপরীতে, একটি শিলা নমুনা খনিজ এবং/বা খনিজ পদার্থের এলোমেলো সমষ্টি এবং এর কোনো নির্দিষ্ট রাসায়নিক সংমিশ্রণ নেই। পৃথিবীর ভূত্বকের বিশাল অংশে কোয়ার্টজ (ক্রিস্টালাইন SiO), ফেল্ডস্পার, মাইকা, ক্লোরাইট, ক্যাওলিন, ক্যালসাইট, এপিডোট, অলিভাইন, অগাইট, হর্নব্লেন্ড, ম্যাগনেটাইট, হেমাইটাইট, লিমনাইট এবং আরও কয়েকটি খনিজ রয়েছে। কিছু খনিজ, যেমন কোয়ার্টজ, মিকা বা ফেল্ডস্পার হল সাধারণ, অন্যগুলো বিশ্বব্যাপী কেবলমাত্র কয়েকটি স্থানে পাওয়া গেছে। এখনও পর্যন্ত খনিজগুলোর বৃহত্তম গ্রুপটি হল সিলিকেট (বেশিরভাগ শিলার ≥৯৫% সিলিকেট), যা অ্যালুমিনিয়াম, ম্যাগনেসিয়াম, আয়রন, ক্যালসিয়াম এবং অন্যান্য ধাতবগুলোর আয়ন যুক্ত করে সিলিকন এবং অক্সিজেনের সমন্বয়ে গঠিত।
সিরামিক সলিড অজৈব যৌগগুলোর সমন্বয়ে গঠিত হয়, সাধারণত রাসায়নিক উপাদানগুলোর অক্সাইড। এইগুলো রাসায়নিকভাবে নিষ্ক্রিয়, প্রায়ই একটি অ্যাসিডিক বা কস্টিক পরিবেশে ঘটে এমন রাসায়নিক ক্ষয় প্রতিরোধে সক্ষম। সিরামিক সাধারণত ১০০০ থেকে ১৬০০ °C (১৮০০ থেকে ৩০০০ °F) পর্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রা সহ্য করতে পারে। ব্যতিক্রমগুলোর মধ্যে নন-অক্সাইড অজৈব উপাদান যেমন নাইট্রাইড, বোরিড এবং কার্বাইড রয়েছে।
ঐতিহ্যবাহী সিরামিক কাঁচামালগুলোতে মাটির খনিজ যেমন ক্যাওলিনেট অন্তর্ভুক্ত রয়েছে, আরও সাম্প্রতিক উপকরণগুলোতে অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড (অ্যালুমিনা) অন্তর্ভুক্ত রয়েছে। উন্নত সিরামিক হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা আধুনিক সিরামিক উপকরণগুলোর মধ্যে সিলিকন কার্বাইড এবং টাংস্টেন কার্বাইড অন্তর্ভুক্ত রয়েছে। উভয়ই তাদের ঘর্ষণ প্রতিরোধের জন্য মূল্যবান এবং তাই খনির কাজসমূহে চূর্ণকরণ সরঞ্জামগুলোর পরিধান প্লেটের মতো প্রয়োগে ব্যবহার খোঁজা হয়।
অধিকাংশ সিরামিক উপকরণ যেমন অ্যালুমিনা এবং এর মিশ্রণগুলো, সূক্ষ্ম গুঁড়ো থেকে তৈরি হয়, এটি একটি সূক্ষ্ম দানাদার পলিক্রিস্টালাইন মাইক্রোস্ট্রাকচার দেয় যা দৃশ্যমান আলোর তরঙ্গ দৈর্ঘ্যের তুলনায় হালকা-বিক্ষিপ্ত কেন্দ্রগুলোতে পূর্ণ হয়। সুতরাং, এগুলো সাধারণত স্বচ্ছ উপকরণগুলোর বিপরীতে অস্বচ্ছ উপকরণ। সাম্প্রতিক ন্যানোস্কেল (উদাঃ সল জেল) প্রযুক্তি উচ্চ-শক্তি লেজারের মতো অ্যাপ্লিকেশনের জন্য স্বচ্ছ অ্যালুমিনা এবং অ্যালুমিনা যৌগের মতো পলিক্রিস্টালিন স্বচ্ছ সিরামিকের উৎপাদন সম্ভব করেছে। উন্নত সিরামিকগুলো ওষুধ, বৈদ্যুতিক এবং ইলেকট্রনিক্স শিল্পগুলোতেও ব্যবহৃত হয়।
সিরামিক প্রকৌশল হল কঠিন-অবস্থা সিরামিক উপকরণ, যন্ত্রাংশ এবং ডিভাইস তৈরির বিজ্ঞান এবং প্রযুক্তি। এটি তাপের ক্রিয়া দ্বারা, বা কম তাপমাত্রায় রাসায়নিক দ্রবণ থেকে অধঃক্ষেপণ বিক্রিয়া ব্যবহার করে করা হয়। এই বিষয়টির মধ্যে কাঁচামাল বিশুদ্ধকরণ, রাসায়নিক যৌগগুলোর অধ্যয়ন এবং উৎপাদন, উপাদানগুলোতে এইগুলোর গঠন এবং এইগুলোর কাঠামো, গঠন এবং বৈশিষ্ট্যগুলোর অধ্যয়ন অন্তর্ভুক্ত রয়েছে।
যান্ত্রিকভাবে বলতে গেলে, সিরামিক উপকরণ ভঙ্গুর, শক্ত, সংকোচনে শক্তিশালী এবং ছেদন ও পীড়নে দুর্বল। ভঙ্গুর উপকরণ স্থিতিশীল রাশিকে সমর্থন করে উল্লেখযোগ্য প্রসার্য শক্তি প্রদর্শন করতে পারে।
গ্লাস-সিরামিক সামগ্রী অ-স্ফটিকবিহীন গ্লাস এবং স্ফটিকের সিরামিক উভয়ের সাথে অনেকগুলো বৈশিষ্ট্য ভাগ করে। এগুলো একটি গ্লাস হিসাবে গঠিত হয় এবং তারপরে তাপ ব্যবস্থা দ্বারা আংশিকভাবে স্ফটিকযুক্ত হয়, উভয় নিরাকার এবং স্ফটিকের পর্যায় উৎপাদন করে যাতে স্ফটিকের ক্ণাগুলো একটি অ-স্ফটিকের আন্তঃখণ্ডীয় পর্যায়ে অনুবিদ্ধ থাকে।
গ্লাস-সিরামিকগুলো কুকওয়্যার তৈরি করতে ব্যবহৃত হয় (মূলত ব্র্যান্ড নাম কর্নিংওয়্যার দ্বারা পরিচিত) এবং স্টোভটপস যার তাপীয় অভিঘাতের উচ্চতর প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং তরলের অত্যন্ত কম ব্যাপ্তিযোগ্যতা উভয়ই রয়েছে। স্ফটিক সিরামিক পর্যায়ের তাপীয় প্রসারণের ঋণাত্মক সহগ গ্লাসি পর্যায়ের ধনাত্মক সহগের সাথে ভারসাম্যপূর্ণ হতে পারে। একটি নির্দিষ্ট সময়ে (~ ৭০% স্ফটিক) গ্লাস-সিরামিকের শূন্যের কাছাকাছি তাপ প্রসারণের নেট গুণফল রয়েছে। এই জাতীয় গ্লাস-সিরামিক দুর্দান্ত যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে এবং 1000 °C পর্যন্ত পুনরাবৃত্তি এবং দ্রুত তাপমাত্রা পরিবর্তনগুলো বজায় রাখতে পারে।
জৈব রসায়ন কার্বন এবং হাইড্রোজেনের রাসায়নিক যৌগগুলোর সংশ্লেষণ (বা অন্যান্য উপায়ে) দ্বারা কাঠামো, বৈশিষ্ট্য, গঠন, বিক্রিয়া এবং প্রস্তুতি অধ্যয়ন করে, এতে নাইট্রোজেন, অক্সিজেন এবং হ্যালোজেনের মতো আরও অনেক উপাদান থাকতে পারে: ফ্লোরিন, ক্লোরিন, ব্রোমিন এবং আয়োডিন কিছু জৈব যৌগগুলোতেও ফসফরাস বা সালফার উপাদান থাকতে পারে। জৈব পদার্থের উদাহরণগুলোর মধ্যে রয়েছে কাঠ, প্যারাফিন মোম, নেফথালিন এবং বিভিন্ন ধরনের পলিমার এবং প্লাস্টিক।
কাঠ একটি প্রাকৃতিক জৈব উপাদান যা মূলত সেলুলোজ ফাইবার সমন্বিত লিগিনিনের মৌলে অনুবিদ্ধ থাকে। যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলো সম্পর্কে, তন্তুগুলো পীড়নে শক্তিশালী এবং লিগিন মৌলে সংকোচনের বিরুদ্ধে প্রতিরোধ করে। মানুষ আশ্রয়কেন্দ্র তৈরি এবং নৌকা ব্যবহার শুরু করার পর থেকে কাঠ একটি গুরুত্বপূর্ণ নির্মাণ সামগ্রী হিসাবে কাজ করে। কাঠের নির্মাণ কাজের জন্য ব্যবহৃত কাঠ সাধারণত "কাঠ চেরাই" বা "কাষ্ঠ" হিসাবে পরিচিত। নির্মাণে কাঠ কেবল কাঠামোগত উপাদানই নয়, এটি কংক্রিটের জন্য ছাঁচ গঠনেও ব্যবহৃত হয়।
কাঠ-ভিত্তিক উপকরণগুলো প্যাকেজিং (উদাঃ কার্ডবোর্ড) এবং কাগজের জন্যও ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়, যা উভয়ই পরিশোধিত মজ্জা থেকে তৈরি করা হয়। রাসায়নিক পিষণ প্রক্রিয়াগুলো উচ্চ তাপমাত্রা এবং ক্ষারীয় (ক্রাফ্ট) বা অ্যাসিডিক (সালফাইট) রাসায়নিকের সংমিশ্রণটি জ্বলন করার আগে লিগিনের রাসায়নিক বন্ধন ভেঙে যায়।
'পলিমার' শব্দটি গ্ৰীক শব্দ 'পলি' (poly) ও 'মেরস' (meros) থেকে উৎপন্ন । 'পলি' শব্দের অর্থ বহু (many) ও 'মেরস' শব্দের অর্থ অংশ বা খন্ড (parts) । সুতরাং, পলিমার হল বহু খন্ডবিশিষ্ট অণু। একসঙ্গে বহু সংখ্যক ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র অংশ বা খন্ড পরপর যুক্ত হয়ে পলিমার অণু গঠন করে। প্রত্যেকটি ক্ষুদ্র খন্ডকে মনোয়ার (monomer, 'mono' শব্দের অর্থ 'এক') বলে। উপমা (analogy) হিসেবে যদি একই বা ভিন্ন পদার্থের একই বা ভিন্ন আকারের কতকগুলি বলয়কে একের পর এক যুক্ত করা হয় , তবে মে দীর্ঘ শৃঙ্খল গঠিত হয় তা হল পলিমার এবং প্রতিটি বলয় হল মনোমার। পলিমার অণুগুলি দীর্ঘ শৃঙ্খল এবং উচ্চ-আণবিক ভরবিশিষ্ট হয়। এদের অণুর আণবিক ভর 10000 থেকে কয়েক লক্ষ পর্যন্ত হতে পারে।