Nauka o materijalima

Nauka o materijalima je interdisciplinarna nauka, koja izučava osobine materije, te njenu primjenu na razna područija nauke i inženjerstva. Ona se koristi elementima primjenjene fizike i hemije, kao i hemijskog inženjerstva, mehaničkog inženjerstva, civilnog i električkog inženjerstva. Kako je pažnja svih medija, u proteklim godinama, fokusirana na nanonauku i nanotehnologiju, nauka o materijalima dobija sve veći značaj na svim univerzitetima.

Historija

Čitave ere u historiji Zemlje dobijale su naziv po materijalu, koji je tada bio najzastupljeniji: kameno doba, bronzano doba i doba čelika su primjeri. Nauka o materijalima je jedna od najstarijih formi inženjerstva i primjenjene nauke. Savremena nauka o materijalima izrasla je, direktno, iz metalurgije, dok je metalurgija izrasla iz rudarstva. Glavno otkriće u razumijevanju materijala dogodilo se u kasnom 19. vijeku, kada je Willard Gibbs pokazao da su termodinamičke osobine, koje se odnose na strukturu atoma u raznim fazama, u odnosu sa fizikalnim osobinama materijala. Važni elementi savremene mauke o materijalima su produkt "svemirske utrke"": shvatanje i inženjerstvo metalnih legura i ostalih materijala, koji su ulazili u konstrukcije svemirskih vozila. Nauka o materijalima je omogućila ova istrživanja, te je učestvovala i u razvoju drugih revolucionarnih tehnologija, kao što su plastika, poluprovodnici i biomaterijali.

Prije 60-tih godina 20. vijeka (u nekim slučajevima i desetljećima kasnije), odjeli nauke o materijalima bili su zvani metalurški odjeli, zbog naglaska na upotrebu metala iz 19. i ranog 20. vijeka. Od tada, ova nauka se proširila, te danas u sebe uključuje svaku vrstu materijala, uključujući: keramiku, polimere, poluprovodnike, magnetične materijale, materijale za medicinske implante, te biološke materijale.

Fundamenti nauke o materijalima

U nauci o materijalima cilj nije samo traženje novih materijala i iskorištavanje njihovih osobina, nego je primarni cilj shvatanje suštine materijala, tako da bude moguće napraviti materijal željenih osobina.

Osnova nauke o materijalima je stavljanje u odnos fizikalne osobine željenog materijala i ralativne performanse materijala u određenoj primjeni, sa strukturom atoma i faza u materijalu. Glavni pokazatelji strukture materijala i njegovih osobina su sami hemijski elementi, koji ga sačinjavaju, kao i način na koji je bio procesuiran u svoju finalnu formu. Sve ovo, uzeto zajedno, te uz primjenu zakona termodinamike, daje mikrostrukturu materijala, a time i opisuje osobine tog materijala.

Stara izreka kaže: "materijali su kao ljudi; defekti su ti koji ih čine zanimljivim". Proizvodnja savršenog kristala nekog materijala je fizički nemoguća. Umjesto toga, naučnici manipulišu sa defektima u materijalima.

Nemaju svi materijali pravilnu kristalnu strukturu. Polimeri pokazuju razne varijacije kristalne strukture. Stakla, neka keramika, te mnogi drugi materijali su amorfni, tj. u njima ne postoji stalna uređenost u atomskoj strukturi. Ovakve materijale je teže napraviti od materijala sa kristalnom strukturom. Polimeri nisu ni jedno ni drugo, pa njihovo proučavanje uključuje kombinovanje elemenata hemijske i statističke termodinamike, kako bi se dobili više termodinamički, nego mehanički opisi njihovih fizikalnih osobina.

Zbog industrijske potražnje, nauka o materijalima se postepeno razvila u oblast, koja radi ispitivanja kondenzovane materije, kao i ispitivanje teorija čvrstog stanja. Takođe, pojavile su se neke nove grane fizike, jer je bilo potrebno objasniti neke nove osobine materijala.

Materijali u industriji

Radikalni razvitak materijala može dovesti do stvaranja novih proizvoda, pa čak i novih industrija, međutim, stabilne industrije, također, zapošljavaju naučnike iz oblasti nauke o materijalima kako bi doveli do inkrementalnih poboljšanja, kao i rješenja problema u materijalima koji se trenutno koriste. Industrijske primjene nauke o materijalima uključuju dizajn materijala, profit u industrijskoj proizvodnji, procesne tehnike (livenje, valjanje, zavarivanje, ionska implantacija, kristalni rast, sinterovanje itd.), te analitičke tehnike (karakterizacijske tehnike kao što su elektronska mikroskopija, difrakcija x-zraka, kalorimetrija, nuklearna mikroskopija, Rutherfordova tehnika povratnog raspršenja, difrakcija neutrona, itd.).

Poklapanje nekih oblasti iz fizike i nauke o materijalima dovelo je do formiranja nove oblasti, koja se naziva fizika materijala, a koja se bavi fizikalnim osobinama materijala.

Klase materijala (prema vrsti veze)

Nauka o materijalima proučava razne klase materijala, gdje svaki od tih materijala može imati vlastitu naučnu podoblast. Materijali se, ponekad, dijele prema vrsti veze između atoma:

Podoblasti nauke o materijalima

Nanotehnologija --- rigorozno, proučavanje materijala gdje efekti kvantne zabrane, Gibbs-Thomsonov efekat ili bilo koji drugi efekat, koji je prisutan samo na nano-skali, određuju osobine materijala; uobičajno, to je proizvodnja i proučavanje materijala, čije su strukturne jedinice reda veličine jednog nanometra ili manje.
Kristalografija --- proučavanje kako atomi u čvrstim tijelima popunjavaju prostor, defekata koji su u vezi sa kristalnom strukturom kao što su kristalit i dislokacije, kao i proučavanje karakterizacije ovih struktura i njihovih veza za fizikalnim osobinama.
Karakterizacija materijala --- kao, na primjer, difrakcija sa x-zracima, elektronima ili neutronima, te razni oblici spektroskopije i hemijeske analize, kao što su Ramanova spektroskopija, hromatografija, termalna analiza, analiza elektronskim mikroskopom itd., kako si se shvatile i definisale osobine materijala. Također pogledajte spisak metoda površinske analize
Metalurgija --- proučavanje metala i njihovih legura, uključujući njihove ekstrakte, mikrostrukture i procesiranje.
Biomaterijali --- materijali koji su proizvedeni da se koriste u biološkim sistemima.
Elektronički i magnetični materijali --- materijali, poput poluprovodnika, se koriste za pravljenje integralnih kola, medija za snimanje, senzora i ostalih uređaja.
Tribologija --- proučavanje habanja materijala pod uticajem trenja, kao i ostalih faktora.
Hemija površine/Kataliza --- interakcije i strukture između čvrstog-gasovitog, čvrstog-tečnog ili čvrstog-čvrstog.
Keramika i vatrostalni materijali --- materijali koji podnose visoke temperature, uključujući strukturnu keramiku, kao što su RCC, polikristalni silikon karbid i transformacijom očvrsnuta keramika

Neki smatraju reologiju za podoblast nauke o materijalima, jer ona govori o svim materijalima koji mogu teći. Međutim, savremena reologija se bavi nenjutnovskom dinamikom fluida, pa se često smatra za podoblast mehanike kontinuuma. Također pogledajte granularne materijale.

Nauka o staklu --- svaki nekristalizirajući materijal, uključujući neorganska stakla, staklaste metale i neoksidna stakla.

Osnovne teme nauke o materijalima

Termodinamika, statistička mehanika, kinetika i fizikalna hemija za faznu stabilnost, transformacije (fizičke i hemijske) i diagrami.
Kristalografija i hemijske veze, za shvatanje prirode veze između atoma, te kako su ti atomi raspoređeni u materijalu.
Mehanika, za shvatanje mehaničkih osobina materijala i primjene tih materijala.
Fizika čvrstih tijela i kvantna mehanika, za shvatanja električnih, termalnih, magnetnih, hemijskih, strukturnih i optičkih osobina materijala.
Difrakcija i talasna mehanika, za karatkerizaciju materijala.
Hemija i nauka o polimerima, za shvatanje plastike, coloida, keramike, tečnih kristala, hemije čvrstog stanja i polimera.
Biologija, za intergraciju meterijala u biološke sisteme.
Mehanika kontinuuma i statistika, za proučavanje toka fluida i složenih sistema.
Mehanika materijala, za izučavanje odnosa između mehaničkog ponašanja materijala i njihove mikrostrukture.

Nauka o materijalima

Sadržaj

Historija

Fundamenti nauke o materijalima

Materijali u industriji

Klase materijala (prema vrsti veze)

Podoblasti nauke o materijalima

Osnovne teme nauke o materijalima

Spisak neakademskih objekata

Vladine laboratorije

Korporativni objekti

Važniji magazini

Također pogledajte

Reference

Vanjski linkovi