Наука о материјалима

Приказ два фулеренска зупчаника

Наука о материјалима је интердисциплинарна наука, која изучава особине материје и њену примену на разна подручја науке и инжењерства. Она се користи елементима примењене физике и хемије, као и хемијског, механичког, грађевинског и електричног инжењерства. Како је пажња медија у све већој мери усредсређена на нанонауку и нанотехнологију, наука о материјалима добија све већи значај на свим универзитетима.

Историја

А лате Бронзе Аге сwорд ор даггер бладе

Читаве ере у историји Земље добијале су назив по материјалу, који је тада био најзаступљенији: камено доба, бронзано доба и доба челика су примери. Наука о материјалима је једна од најстаријих форми инжењерства и примењене науке. Савремена наука о материјалима израсла је, директно, из металургије, док је металургија израсла из рударства. Пивотално откриће у разумијевању материјала догодило се у касном 19. веку, када је Вилард Гибс показао да термодинамичке особине атомске структуре у разним фазама условљавају физичка својства материјала. Значајни елементи савремене науке о материјалима су исход свемирске трке: схватање и инжењерство металних легура и осталих материјала, који су улазили у конструкције свемирских возила. Наука о материјалима је омогућила ова истраживања, те је учествовала и у развоју других револуционарних технологија, као што су пластика, полупроводници и биоматеријали.

Пре 60-тих година 20. века (у неким случајевима и деценијама касније), делови науке о материјалима били су називани металуршким, због нагласка на употреби метала из 19. и раног 20. века. Од тада, ова наука се проширила, те данас обухвата све врсте материјала, укључујући: керамику, полимере, полупроводнике, магнетне материјале, материјале за медицинске импланте, те биолошке материјале.

Раст науке о материјалима у Сједињеним Државама је делимично катализован од стране Агенције за напредне истраживачке пројекте, која је финансирала низ универзитетских лабораторија у раним 1960-им, „како би проширила национални програм основних истраживања и обуке у наукама о материјалима.” У поређењу са машинством, нова област науке о материјалима фокусирала се на решавање материјала са макро нивоа и на приступ да се материјали дизајнирају на основу знања о понашању на микроскопском нивоу. Због проширеног знања о вези између атомских и молекуларних процеса, као и укупних својстава материјала, дизајн материјала је почео да се заснива на специфичним жељеним особинама. Поље науке о материјалима се од тада проширило на све класе материјала, укључујући керамику, полимере, полупроводнике, магнетне материјале, биоматеријале и наноматеријале, генерално класификоване у три различите групе: керамику, метале и полимере. Истакнута промена у науци о материјалима током последњих деценија је активна употреба компјутерских симулација за проналажење нових материјала, предвиђање својстава и разумевање феномена.

Основе

Парадигма материјала представљена у облику тетраедра

Материјал се дефинише као супстанца (најчешће чврста, али се могу укључити и друге кондензоване фазе) која је намењена да се користи за одређене примене. Постоји безброј материјала око нас; могу се наћи у било чему, од зграда и аутомобила до свемирских летелица. Главне класе материјала су метали, полупроводници, керамика и полимери. Нови и напредни материјали који се развијају укључују наноматеријале, биоматеријале и енергетске материјале.

Основа науке о материјалима је проучавање интеракције између структуре материјала, метода обраде за израду тог материјала и резултујућих својстава материјала. Комплексна комбинација ових производа даје перформансе материјала у специфичној примени. Многе карактеристике на многим скалама дужине утичу на перформансе материјала, од саставних хемијских елемената, његове микроструктуре и макроскопских карактеристика од обраде. Заједно са законима термодинамике и кинетике, научници који се баве материјалима теже разумевању и побољшању материјала.

Структура

Структура је једна од најважнијих компоненти области науке о материјалима. Сама дефиниција ове области сматра да се бави истраживањем „односа који постоје између структура и својстава материјала“. Наука о материјалима испитује структуру материјала од атомске скале, па све до макро скале. Карактеризација је начин на који научници ове области испитују структуру материјала. Ово укључује методе као што су дифракција рендгенским зрацима, електронима или неутронима, и различите облике спектроскопије и хемијске анализе као што су Раманова спектроскопија, енергетски дисперзивна спектроскопија, хроматографија, термална анализа, анализа електронским микроскопом итд.

Структура се проучава на следећим нивоима.

Атомска структура

Атомска структура се бави атомима материјала и начином на који су распоређени да настану молекули, кристали, итд. Велики део електричних, магнетних и хемијских својстава материјала произилази из овог нивоа структуре. Укључене скале дужине су у ангстромима (Å). Хемијска веза и атомски распоред (кристалографија) су фундаментални за проучавање својстава и понашања било ког материјала.

Везивање

Главни чланак: Хемијска веза

Да би стекао потпуно разумевање структуре материјала и како је она повезана са својим својствима, научник о материјалима мора да проучи како су различити атоми, јони и молекули распоређени и повезани једни са другима. Ово укључује проучавање и употребу квантне хемије или квантне физике. Физика чврстог стања, хемија чврстог стања и физичка хемија су такође укључени у проучавање везивања и структуре.

Кристалографија

Кристална структура перовскита са хемијском формулом АБX₃

Кристалографија је наука која испитује распоред атома у кристалним чврстим материјама. Кристалографија је користан алат за научнике о материјалима. У појединачним кристалима ефекте кристалног распореда атома је често лако видети макроскопски, јер природни облици кристала одражавају атомску структуру. Даље, физичка својства су често контролисана кристалним дефектима. Разумевање кристалних структура је важан предуслов за разумевање кристалографских дефеката. Материјали се углавном не јављају као појединачни кристали, већ у поликристалном облику, као агрегат малих кристала или зрна различите оријентације. Због тога, метода дифракције праха, која користи узорке дифракције поликристалних узорака са великим бројем кристала, игра важну улогу у одређивању структуре. Већина материјала има кристалну структуру, али неки важни материјали не показују правилну кристалну структуру. Полимери показују различите степене кристалности, а многи су потпуно некристалини. Стакло, нека керамика и многи природни материјали су аморфни, не поседују никакав далекосежни поредак у свом атомском распореду. Проучавање полимера комбинује елементе хемијске и статистичке термодинамике да би дало термодинамичке и механичке описе физичких својстава.

Види још

• Историја технологије материјала
• Биолошки материјали
• Течни кристал

Литература

• Еберхарт, Марк (2003). Wхy Тхингс Бреак: Ундерстандинг тхе Wорлд бy тхе Wаy Ит Цомес Апарт. Хармонy. ИСБН 978-1-4000-4760-4. 
• Гаскелл, Давид Р. (1995). Интродуцтион то тхе Тхермодyнамицс оф Материалс (4тх изд.). Таyлор анд Францис Публисхинг. ИСБН 978-1-56032-992-3. 
• Гордон, Јамес Едwард (1984). Тхе Неw Сциенце оф Стронг Материалс ор Wхy Yоу Дон'т Фалл Тхроугх тхе Флоор (еиссуе изд.). Принцетон Университy Пресс. ИСБН 978-0-691-02380-9. 
• Маттхеwс, Ф. L.; Раwлингс, Реес D. (1999). Цомпосите Материалс: Енгинееринг анд Сциенце. Wоодхеад Публисхинг. ИСБН 978-0-8493-0621-1. 
• Леwис, П. Р.; Реyнолдс, К.; Гагг, C. (2003). Форенсиц Материалс Енгинееринг: Цасе Студиес. Боца Ратон: ЦРЦ Пресс. 
• Wацхтман, Јохн Б. (1996). Мецханицал Пропертиес оф Церамицс. Неw Yорк: Wилеy-Интерсциенце, Јохн Wилеy & Сон'с. ИСБН 978-0-471-13316-2. 
• Wалкер, П., ур. (1993). Цхамберс Дицтионарy оф Материалс Сциенце анд Тецхнологy. Цхамберс Публисхинг. ИСБН 978-0-550-13249-9. 
• Timeline of Materials Science Архивирано на сајту Wayback Machine (27. јул 2011) at The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) – Accessed March 2007
• Бурнс, Г.; Глазер, А. M. (1990). Спаце Гроупс фор Сциентистс анд Енгинеерс (2нд изд.). Бостон: Ацадемиц Пресс, Инц. ИСБН 978-0-12-145761-7. 
• Цуллитy, Б.D. (1978). Елементс оф X-Раy Диффрацтион (2нд изд.). Реадинг, Массацхусеттс: Аддисон-Wеслеy Публисхинг Цомпанy. ИСБН 978-0-534-55396-8. 
• Гиацоваззо, C; ХЛ, Монацо; et al. (1992). Фундаменталс оф Црyсталлограпхy. Оxфорд: Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-855578-0. 
• Греен, D.Ј.; Ханнинк, Р.; Сwаин, M. V. (1989). Трансформатион Тоугхенинг оф Церамицс. Боца Ратон: ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-0-8493-6594-2. 
• Ловесеy, С. W. (1984). Тхеорy оф Неутрон Сцаттеринг фром Цонденсед Маттер; Волуме 1: Неутрон Сцаттеринг. Оxфорд: Цларендон Пресс. ИСБН 978-0-19-852015-3. 
• Ловесеy, С. W. (1984). Тхеорy оф Неутрон Сцаттеринг фром Цонденсед Маттер; Волуме 2: Цонденсед Маттер. Оxфорд: Цларендон Пресс. ИСБН 978-0-19-852017-7. 
• О'Кееффе, M.; Хyде, Б. Г. (1996). Црyстал Струцтурес; I. Паттернс анд Сyмметрy. Wасхингтон, DC: Минералогицал Социетy оф Америца, Монограпх Сериес. ИСБН 978-0-939950-40-9. 
• Сqуирес, Г.L. (1996). Интродуцтион то тхе Тхеорy оф Тхермал Неутрон Сцаттеринг (2нд изд.). Минеола, Неw Yорк: Довер Публицатионс Инц. ИСБН 978-0-486-69447-4. 
• Yоунг, Р. А., ур. (1993). Тхе Риетвелд Метход. Оxфорд: Оxфорд Университy Пресс & Интернатионал Унион оф Црyсталлограпхy. ИСБН 978-0-19-855577-3. 
• Асхбy, Мицхаел; Схерцлифф, Хугх; Цебон, Давид (2007). Материалс: енгинееринг, сциенце, процессинг анд десигн (1ст изд.). Буттерwортх-Хеинеманн. ИСБН 978-0-7506-8391-3. 
• Аскеланд, Доналд Р.; Пхулé, Прадееп П. (2005). Тхе Сциенце & Енгинееринг оф Материалс (5тх изд.). Тхомсон-Енгинееринг. ИСБН 978-0-534-55396-8. 
• Цаллистер, Јр., Wиллиам D. (2000). Материалс Сциенце анд Енгинееринг – Ан Интродуцтион (5тх изд.). Јохн Wилеy анд Сонс. ИСБН 978-0-471-32013-5. 

Спољашње везе

• Materials Knowledge Transfer Network Архивирано на сајту Wayback Machine (6. новембар 2013)
• Material Measurement Laboratory, NIST
• SubsTech (Substances & Technologies)
• Nanoscale Interdisciplinary Research Team
• Nauka o materijalima: Sigma-Aldrich