Επιστήμη υλικών

Το διεπιστημονικό πεδίο της Επιστήμης Υλικών ή όπως είναι επίσης γνωστό Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών συμπεριλαμβάνει την μελέτη, τον σχεδιασμό και την ανακάλυψη νέων υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες που δεν υπάρχουν στην φύση. Αναλυτικότερα ο όρος επιστήμη των υλικών αναφέρεται στην διερεύνηση των σχέσεων που υπάρχουν μεταξύ της δομής και των ιδιοτήτων των υλικών ενώ ο όρος τεχνολογία των υλικών, αναφέρεται στη σχεδίαση ή την τεχνολογία σχεδίασης της δομής του υλικού (βασιζόμενη στην σχέση δομής-ιδιότητας), ώστε να παραχθεί ένα προκαθορισμένο σύνολο ιδιοτήτων. Η επιστήμη των υλικών πρωτοεμφανίζεται στην περίοδο του Διαφωτισμού, όπου συνδυάζοντας γνώσεις Χημείας, Φυσικής και Μηχανικής γίνεται μια προσπάθεια κατανόησης παλαιότερων φαινομενολογικών παρατηρήσεων κυρίως στην μεταλλουργία και την ορυκτολογία. Η σύγχρονη επιστήμη των υλικών ακόμη συμπεριλαμβάνει στοιχεία από την Φυσική την Χημεία και την Μηχανική αλλά και στοιχεία από Βιολογία, Μαθηματικά και Πληροφορική με αποτέλεσμα να διαμορφώνεται πια ως ανεξάρτητο πεδίο στην επιστήμη και τεχνολογία. Πολλά από τα σύγχρονα τεχνολογικά προβλήματα οφείλονται σε περιορισμούς των διαθέσιμών υλικών έτσι η πρόοδος στο πεδίο της επιστήμης και τεχνολογίας των υλικών μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην συνολική εξέλιξη της τεχνολογίας. . Οι Μηχανικοί Υλικών εστιάζουν στο να κατανοήσουν του πως η επεξεργασία και η σύνθεση ενός υλικού επηρεάζουν την δομή του και πως αυτό συνδέεται με τις ιδιότητες του υλικού και τις επιδόσεις του. Η προσέγγιση αυτή προωθεί την γνώση σε ένα ευρύ πεδίο ερευνητικών περιοχών που συμπεριλαμβάνουν την νανοτεχνολογία τα βιοϋλικά και την μεταλλουργία. Η επιστήμη των υλικών ασχολείται επίσης με την αστοχία των υλικών και την κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που οδηγούν σε αυτή.

 Οι διάφορες ιστορικές περίοδοι συχνά χωρίζονται με βάση το κύριο υλικό που τις χαρακτηρίζει. Για παράδειγμα λέμε Λίθινη Εποχή, Εποχή του Χαλκού, Εποχή του Σιδήρου, και Εποχή του ατσαλιού. Ξεκινώντας από την κατασκευή κεραμικών και την επακόλουθη ανάπτυξη της μεταλλουργίας, η επιστήμη των υλικών μπορεί να θεωρηθεί ως μια από τις αρχικές μορφές της μηχανικής και της εφαρμοσμένης επιστήμης. Η σύγχρονη επιστήμη των υλικών εξελίχθηκε από την Μεταλλουργία, που είναι εξέλιξη της εξόρυξης και πιθανόν της κεραμικής και της χρήσης της φωτιάς. Μια σημαντική εξέλιξη στη κατανόηση των υλικών έγινε στο τέλος του 19ου αιώνα, όπου ο Αμερικανός επιστήμονας Τζοσάια Γουίλαρντ Γκιμπς έδειξε την σύνδεση μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων ενός υλικού, των Θερμοδυναμικών ιδιοτήτων και της ατομικής δομής. Οι σημαντικές εξελίξεις στην σύγχρονη επιστήμη των υλικών αφορούν την κατανόηση και παρασκευή μεταλλικών κραμάτων, του πυριτίου και του άνθρακα. Η επιστήμη των υλικών έχει επίσης προωθήσει, αλλά και έχει προωθηθεί, από την ανάπτυξη τεχνολογιών όπως τα πλαστικά, οι ημιαγωγοί και τα βιοϋλικά. Πριν την δεκαετία του 60 (αλλά και σε μερικές περιπτώσεις μερικές δεκαετίες αργότερα), πολλά πανεπιστημιακά τμήματα επιστήμης υλικών ονομάζονταν τμήματα μεταλλουργίας αντανακλώντας την έμφαση που δίνονταν στον 19ο και 20ο αιώνα στα μέταλλα. Στις Ηνωμένες Πολιτείες η επιστήμη των υλικών αναπτύχθηκε έντονα στις αρχές της δεκαετίας του 60 μέσω του Οργανισμού Προωθημένων Ερευνητικών Έργων που χρηματοδότησε μια σειρά πανεπιστημιακών εργαστηρίων με σκοπό «την επέκταση του εθνικού προγράμματος βασικής έρευνας και εκπαίδευσης στις επιστήμες των υλικών» . Το πεδίο έχει από τότε επεκταθεί για να συμπεριλάβει όλες τις κατηγορίες υλικών συμπεριλαμβάνοντας τα κεραμικά υλικά, τα πολυμερή, τους ημιαγωγούς τα μαγνητικά, τα υλικά ιατρικών επιθεμάτων, τα βιοϋλικά και τα Νανοϋλικά. Στην Ελλάδα υπάρχουν πανεπιστημιακά τμήματα που καλύπτουν την θεματική περιοχή της επιστήμης των υλικών. Το Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστημίου Κρήτης, το Τμήμα Επιστήμης των Υλικών του Πανεπιστημίου Πατρών και το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Ως υλικό ορίζουμε μια ουσία (συνήθως στερεή, αλλά συχνά και συμπυκνωμένες φάσεις) που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Υπάρχουν αμέτρητα υλικά γύρω μας, μπορούμε να τα βρούμε παντού από τα κτήρια έως σε ένα διαστημόπλοιο. Τα υλικά χωρίζονται γενικά σε δύο κατηγορίες τα κρυσταλλικά και τα άμορφα. Τυπικά παραδείγματα υλικών είναι τα μέταλλα, οι ημιαγωγοί, τα κεραμικά και τα πολυμερή. Τα σύγχρονα προηγμένα υλικά συμπεριλαμβάνουν τα Νανοϋλικά και τα βιοϋλικά κτλ. Μια από τις βασικές αρχές της επιστήμης των υλικών είναι η μελέτη της δομής των υλικών και η σχέση της με τις ιδιότητες τους. Από την στιγμή που ένας επιστήμονας των υλικών γνωρίζει αυτό τον συσχετισμό δομής-ιδιοτήτων μπορεί να μελετήσει/σχεδιάσει την απόδοση του σε μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Καθοριστική παράμετρος για την δομή ενός υλικού και κατά συνέπεια για τις ιδιότητες του είναι τα χημικά συστατικά του και η επεξεργασία που έχει υποστεί για να φτάσει στην τελική του μορφή. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά σε συνδυασμό με τους βασικούς νόμους της θερμοδυναμικής και της φυσικής, καθορίζουν την μικροδομή ενός υλικού και κατά συνέπεια τις ιδιότητες του. ¨Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω η δομή είναι ένα από τα βασικά συστατικά του πεδίου της επιστήμης των υλικών. Η επιστήμη των υλικών μελετά την δομή των υλικών από το ατομικό επίπεδο έως τις μακροσκοπικές διαστάσεις. Ο χαρακτηρισμός είναι η μεθοδολογία με την οποία οι επιστήμονες των υλικών μελετούν την δομή ενός υλικού. Αυτό συμπεριλαμβάνει τεχνικές όπως η περίθλαση με ακτίνες Χ, ηλεκτρόνια ή νετρόνια, και διάφορες μορφές φασματοσκοπίας και χημικής ανάλυσης ως φασματοσκοπία Ράμαν, φασματοσκοπία ακτίνων Χ (EDS), χρωματογραφία, θερμική ανάλυση, ηλεκτρονική μικροσκοπία κτλ. η δομή μελετάται σε διάφορα επίπεδα, όπως αναφέρεται αναλυτικά παρακάτω. Ατομική δομή Αυτή αφορά τα άτομα από τα οποία αποτελούνται τα υλικά και το πώς διατάσσονται για να σχηματίσουν μόρια, κρυστάλλους κτλ. Οι περισσότερες ηλεκτρικές, μαγνητικές και χημικές ιδιότητες των υλικών προκύπτουν από αυτό το επίπεδο της δομής. Η κλίμακα μεγέθους είναι στην περιοχή των Ώνγκστρεμ. Ο τρόπος με τον οποίο τα άτομα και τα μόρια διατάσσονται στον χώρο και δημιουργούν δεσμούς είναι θεμελιώδες για την μελέτη των ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των υλικών. Νανοδομή Οι νανοδομές αναφέρονται σε αντικείμενα και δομές που οι διαστάσεις του κυμαίνονται από 1 έως 100 νανόμετρα. Σε πολλά υλικά τα άτομα ή τα μόρια συνενώνονται σχηματίζοντας αντικείμενα στην κλίμακα των νανομέτρων. Αυτό οδηγεί σε ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές, μαγνητικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες. Στην περιγραφή των νανοδομών είναι καλό να γίνει διάκριση μεταξύ του αριθμού των διαστάσεων στην νανοκλίμακα. Οι νανοδομημένες επιφάνειες έχουν μία διάσταση στην νανοκλίμακα, δηλαδή μόνο το πάχος της επιφάνειας ενός αντικειμένου είναι από 1 - 100 νανόμετρα. Οι νανοσωλήνες έχουν δύο διάστασεις στην νανοκλίμακα, δηλαδή η διάμετρος και το πάχος του νανοσωλήνα είναι από 1 - 100 νανόμετρα ενώ το μήκος του μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερο. Τέλος τα νανοσωματίδια έχουν τρείς διάστασεις στην νανοκλίμακα, δηλαδή το σωματίδιο είναι από 1 - 100 νανόμετρα σε κάθε διάσταση. Τα υλικά των οποίων τα άτομα ή μόρια σχηματίζουν συστατικά στην νανοκλίμακα ονομάζονται Νανοϋλικά. Τα Νανοϋλικά αποτελούν κρίσιμο αντικείμενο έρευνας της επιστήμης των υλικών λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν . Μικροδομή Η μικροδομή αναφέρεται σε αντικείμενα ή δομές που οι διαστάσεις τους κυμαίνονται από 0.1 έως 1000 μικρόμετρα. Συχνά η μικροδομή ενός υλικού μπορεί να παρατηρηθεί με την χρήση ενός μικροσκοπίου. Η μικροδομή ενός υλικού μπορεί να επηρεάσει ισχυρά τις φυσικές του ιδιότητες, όπως η μηχανική αντοχή, η δυσθραυστότητα, η ολκιμότητα, η σκληρότητα, η αντίσταση στην διάβρωση, οι θερμικές ιδιότητες, η αντίσταση στην φθορά κ.τ.λ. Τα περισσότερα παραδοσιακά υλικά, όπως τα μέταλλα και τα κεραμικά έχουν μικροδομή. Μακροδομή Η μακροδομή αναφέρεται στην αντικείμενα ή δομές που οι διαστάσεις τους είναι μεγαλύτερες από 1 χιλιοστό. Η μακροδομή μπορεί να παρατηρηθεί με γυμνό οφθαλμό. Όλα τα υλικά κατά τη χρήση τους εκτίθενται σε εξωτερικά ερεθίσματα τα οποία προκαλούν κάποιου είδους απόκριση. Η ιδιότητα είναι ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του υλικού, που εκφράζει το είδος και το μέγεθος της απόκρισής του σε κάποιο συγκεκριμένο ερέθισμα. Οι ιδιότητες ενός υλικού καθορίζουν την χρησιμότητα του και επομένως το πεδίο εφαρμογών που μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Γενικά οι ορισμοί των ιδιοτήτων δίνονται ανεξάρτητα από το σχήμα και το μέγεθος του υλικού. Ουσιαστικά όλες οι σημαντικές ιδιότητες των στερεών υλικών μπορούν να ομαδοποιηθούν σε έξι διαφορετικές κατηγορίες: μηχανικές, ηλεκτρικές, θερμικές, μαγνητικές, οπτικές και ιδιότητες φθοράς. Για κάθε μία υπάρχει ένα διαφορετικό είδος ερεθίσματος ικανό να προκαλέσει διαφορετικές αποκρίσεις. Μηχανικές ΙδιότητεςΟι μηχανικές ιδιότητες συσχετίζουν την παραμόρφωση με ένα ασκούμενο φορτίο ή δύναμη. Σαν παραδείγματα αναφέρονται το μέτρο ελαστικότητας και η αντοχή.Ηλεκτρικές ΙδιότητεςΣτις ηλεκτρικές ιδιότητες, όπως είναι η ηλεκτρική ειδική αγωγιμότητα και η διηλεκτρική σταθερά, το ερέθισμα είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο.Θερμικές ΙδιότητεςΗ θερμική συμπεριφορά των στερεών μπορεί να παρουσιαστεί βάσει της θερμοχωρητικότητας και της ειδικής θερμικής αγωγιμότητας.Μαγνητικές ΙδιότητεςΟι μαγνητικές ιδιότητες δείχνουν την απόκριση ενός υλικού στην εφαρμογή μαγνητικού πεδίου.Οπτικές ΙδιότητεςΓια τις οπτικές ιδιότητες, το ερέθισμα είναι η ηλεκτρομαγνητική (ή φωτεινή) ακτινοβολία. Ο δείκτης διάθλασης και η ανακλαστικότητα είναι αντιπροσωπευτικές οπτικές ιδιότητες.Χημικές ΙδιότητεςΤέλος, τα χαρακτηριστικά της χημικής υποβάθμισης υποδηλώνουν τη χημική δραστικότητα των υλικών ή το πώς το χημικό περιβάλλον στο οποίο το υλικό εκτίθεται προκαλεί την μεταβολή των χαρακτηριστικών του. Η επιστήμη των υλικών συγκεντρώνει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον. Εκτός από τα πανεπιστημιακά τμήματα που το αντικείμενο τους είναι καθαρά η επιστήμη των υλικών, πολλά πανεπιστημιακά τμήματα που το αντικείμενο τους κυμαίνεται από την φυσική έως την χημεία και χημική μηχανική ή και την βιολογία ασχολούνται ερευνητικά με θέματα της επιστήμης των υλικών. Η έρευνα στην επιστήμη των υλικών είναι επομένως ραγδαία αναπτυσσόμενη και διεξάγεται από πολλά και διαφορετικά πεδία. Η παρακάτω λίστα, που δεν είναι σε καμιά περίπτωση πλήρης, δίνει μια εικόνα παρουσιάζοντας τους κύριους τομείς έρευνας. Τα νανοϋλικά αναφέρονται σε υλικά που οι διαστάσεις των δομικών του μονάδων κυμαίνονται από 1 έως 100 νανόμετρα. Η έρευνα στα νανοϋλικά αφορά μια προσέγγιση της επιστήμης των υλικών στην νανοτεχνολογία, συνδυάζοντας την πρόοδο στην μετρολογία και σύνθεση των υλικών όπως αυτές αναπτύχθηκαν για να υποστηρίξουν την εφαρμοσμένη έρευνα στην μικροηλεκτρονική. Τα νανοϋλικά έχουν συχνά μοναδικές οπτικές, ηλεκτρονικές ή και μηχανικές ιδιότητες. Η περιοχή των νανοϋλικών είναι χαλαρά οργανωμένη, όπως η κλασική χημεία, σε οργανικά (βασισμένα στον άνθρακα) νανοϋλικά όπως τα φουλερένια και ανόργανα νανοϋλικά που βασίζονται σε άλλα υλικά, όπως π.χ. το πυρίτιο. Παραδείγματα νανοϋλικών είναι τα φουλερένια, οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι νανοκρύσταλοι κτλ. Ως βιοϋλικό ονομάζουμε κάθε υλικό, επιφάνεια ή κατασκευή που αλληλεπιδρά με βιολογικά συστήματα. Η μελέτη των βιοϋλικών ονομάζεται επιστήμη των βιοϋλικών και παρουσιάζει σταθερή και ισχυρή ανάπτυξη με έντονο επενδυτικό ενδιαφέρον. Η επιστήμη των βιοϋλικών συμπεριλαμβάνει στοιχεία ιατρικής, βιολογίας, χημείας, μηχανικής ιστών και επιστήμης των υλικών. Τα βιοϋλικά μπορούν να εξαχθούν από φυσικές πηγές ή να παρασκευαστούν στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας ένα ευρύ φάσμα χημικών τεχνικών που αξιοποιούν μεταλικά στοιχεία, πολυμερή, κεραμικά ή σύνθετα υλικά. Συχνά χρησιμοποιούνται ή και προσαρμόζονται σε ιατρικές εφαρμογές που περιλαμβάνουν το σύνολο ή μέρος μιας ζωντανής δομής ή μιας βιοιατρικής συσκευής που εκτελεί, υποβοηθά ή αυξάνει μια φυσική λειτουργία. Τέτοιων λειτουργίες μπορεί να είναι παθητικές όπως π.χ. η χρήση σε μια καρδιακή βαλβίδα ή μπορεί να είναι βιοδραστικές όπως τα επικαλυμμένα με υδροξυ- απατίτη εμφυτεύματα ισχίου. Επιπλέον τα βιοϋλικά χρησιμοποιούνται καθημερινά σε οδοντιατρικές εφαρμογές, στην χειρουργική και στην φαρμακολογία. Για παράδειγμα ένα βιοϋλικό με ενσωματωμένες φαρμακευτικές ουσίες μπορεί να τοποθετηθεί στο σώμα με σκοπό την παρατεταμένη αποδέσμευση τους. Ένα βιοϋλικό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως αυτομόσχευμα, αλλομόσχευμα ή ξενομόσχευμα στην μεταμόσχευση οργάνων. Οι ημιαγωγοί, τα μέταλλα και τα κεραμικά χρησιμοποιούνται σήμερα στην κατασκευή σύνθετων συστημάτων όπως τα ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα, οιοπτοηλεκτρονικές συσκευές, και τα μαγνητικά και οπτικά μέσα μαζικής αποθήκευσης. Τα παραπάνω υλικά αποτελούν την βάση της σύγχρονης τεχνολογίας και επομένως η έρευνα σε αυτά τα υλικά είναι ζωτικής σημασίας. Οι ημιαγωγοί είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα των παραπάνω υλικών. Είναι υλικά που οι ηλεκτρικές τους ιδιότητες είναι ανάμεσα σε αυτές καλών αγωγών και των μονωτών. Το ενδιαφέρον με τους ημιαγωγούς είναι ότι οι ηλεκτρικές τους ιδιότητες εξαρτώνται σημαντικά από την συγκέντρωση των προσμίξεων/ατελειών επιτρέποντας έτσι την ρύθμιση των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων μέσω του ελέγχου της συγκέντρωσης των προσμίξεων. Έτσι οι ημιαγωγοί αποτελούν την βάση των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών όπως π.χ. ο ηλεκτρονικός υπολογιστής. Οι ημιαγωγοί βρίσκουν μεγάλη εφαρμογή και στο πεδίο της οπτοηλεκτρονικής. Ημιαγωγικές διατάξεις χρησιμοποιούνται για την κατασκευή φωτοδιόδων, λέιζερ, φωτογραφικών ανιχνευτών κ.α. Η περιοχή συμπεριλαμβάνει επίσης και πεδία έρευνας όπως τα υπεραγώγιμα υλικά, η σπιντρονική, τα μεταϋλικά κ.τ.λ. Η μελέτη των παραπάνω υλικών συμπεριλαμβάνει γνώσεις της επιστήμης των υλικών και της φυσικής στερεάς κατάστασης ή της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης. Η αύξηση της υπολογιστικής ισχύος των ηλεκτρονικών υπολογιστών έχει επιτρέψει την προσομοίωση της συμπεριφοράς των υλικών. Αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες των υλικών να ανακαλύψουν νέες ιδιότητες, καθώς και να σχεδιάσουν νέα υλικά. Έως τώρα η διαδικασία ανάπτυξης νέων υλικών ήταν επίπονη και χρονοβόρα απαιτώντας επαναλαμβανόμενες διαδικασίες δοκιμής και λάθους. Σήμερα η υπολογιστική επιστήμη των υλικών φιλοδοξεί να μειώσει δραστικά αυτόν τον χρόνο επιτρέποντας την σχεδίαση των ιδιοτήτων των υλικών. Αυτό συμπεριλαμβάνει προσομοιώσεις πολλαπλής κλίμακας χρησιμοποιώντας μοντέλα κβαντομηχανικά, ατομιστικά, μεσοσκοπικά και συνεχούς καθώς και τεχνικές όπως η μοριακή δυναμική και η θεωρία συναρτησιοειδούς πυκνότητας Κάθε σημαντική πρόοδος στα υλικά μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων προϊόντων ή ακόμη και νέων βιομηχανικών κλάδων. Επιπλέον, οι υπάρχουσες βιομηχανίες προσλαμβάνουν επιστήμονες των υλικών με σκοπό να βελτιώσουν και να διορθώσουν τα υλικά που ήδη χρησιμοποιούνται. Οι βιομηχανικές εφαρμογές της επιστήμης των υλικών συμπεριλαμβάνουν τον σχεδιασμό υλικών, την σχέση κόστους-οφέλους στην βιομηχανική παραγωγή των υλικών, τις τεχνικές επεξεργασίας υλικών (χύτευση, διέλαση, συγκόλληση, εμφύτευση ιόντων, εναπόθεση λεπτών υμενίων, σύντηξη, υαλουργία κ.α.), και τις αναλυτικές τεχνικές (τεχνικές χαρακτηρισμού όπως ηλεκτρονική μικροσκοπία, περίθλαση ακτινών Χ, θερμιδομετρία, περίθλαση νετρονίων κ.α.). Πέρα από τον χαρακτηρισμό υλικών ο επιστήμονας των υλικών ασχολείται επίσης με την εξαγωγή των υλικών και την μετατροπή τους σε χρήσιμες μορφές. Έτσι οι τεχνικές χύτευσης, η χρήση υψικαμίνου για αναγωγή και η ηλεκτρολυτική αναγωγή είναι μέρος της γνώσης ενός επιστήμονα των υλικών. Συχνά η παρουσία ή η έλλειψη μικρών ποσοτήτων δευτερευόντων στοιχείων και ενώσεων από ένα χύδην υλικό μπορεί να επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τις τελικές ιδιότητες των υλικών που παράγονται. Για παράδειγμα τα ατσάλια κατηγοριοποιούνται με βάση το 1/10 και 1/100 κατά βάρος ποσοστά άνθρακα και άλλων κραμάτων που περιέχουν. Μια ακόμη εφαρμογή της επιστήμης των υλικών είναι οι δομές των υάλων (γυαλιών) και των κεραμικών υλικών, που συνήθως συνδέονται με τα πιο εύθραυστα υλικά. Οι χημικοί δεσμοί στα κεραμικά και τα υαλώδη υλικά είναι ομοιοπολικοί ή ιοντικοί με την πυριτία SiO2 να είναι το βασικό δομικό στοιχείο. Τα κεραμικά υλικά μπορεί να είναι μαλακά όπως ο πηλός ή σκληρά όπως η πέτρα. Συνήθως είναι κρυσταλλικά. Τα περισσότερα γυαλιά περιέχουν ένα μεταλλικό οξείδιο συγχωνευμένο με την πυριτία. Στις υψηλές θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται για να παρασκευαστεί το γυαλί, το υλικό συμπεριφέρεται ως ένα παχύρευστο υγρό. Το γυαλί μετά την ψύξη του παρουσιάζει δομή άμορφου υλικού. Οι υαλοπίνακες (τζάμια), τα γυαλιά οράσεως οι ίνες γυαλιού είναι τυπικά παραδείγματα. Ένα παράδειγμα του πως η εφαρμογή της επιστήμης των υλικών μπορεί να βελτιώσει δραματικά τις ιδιότητες κοινών υλικών είναι το ανθεκτικό σε χάραξη γυαλί «γορίλας» της εταιρίας Corning. Το διαμάντι και ο άνθρακας στην μορφή του γραφίτη θεωρούνται επίσης κεραμικά υλικά. Τα κεραμικά υλικά είναι επίσης γνωστά για την ακαμψία και την αντοχή τους σε υψηλές θερμοκρασίες, συμπίεση και ηλεκτρική τάση. Η Αλουμίνα, το καρβίδιο του πυριτίου και το καρβίδιο του βολφραμίου παρασκευάζονται από μια λεπτή σκόνη των συστατικών τους με μια διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης με ένα συνδετικό υλικό. Η συμπίεση υπό θέρμανση οδηγεί σε υλικά μεγαλύτερης πυκνότητας. Η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματιστεί ένα λεπτό υμένιο κεραμικού υλικού πάνω από ένα άλλο υλικό. Οι κεραμο-μεταλλουργικές συνθέσεις αποτελούνται από κεραμικά σωματίδια που περιέχουν μέταλλα. Για να βελτιωθεί η αντίσταση στη φθορά των εργαλείων συνήθως χρησιμοποιούνται από ενσωμάτωση καρβιδίων στην μεταλλική φάση του κοβαλτίου και νικελίου. Οι ίνες χρησιμοποιούνται συχνά για την μηχανική ενίσχυση των σύνθετων υλικών. Μια ακόμη εφαρμογή της επιστήμης των υλικών στην βιομηχανία είναι η παρασκευή σύνθετων υλικών. Τα σύνθετα υλικά είναι υλικά που αποτελούνται από δύο ή παραπάνω μακροσκοπικές φάσεις. Οι εφαρμογές τους κυμαίνονται από δομικά υλικά όπως το οπλισμένο σκυρόδεμα, έως και θερμομονωτικά πλακίδια που παίζουν σημαντικό ρόλο στις διαστημικές αποστολές (βλ. σύστημα θερμικής προστασίας του διαστημικού λεωφορείου. Ένα παράδειγμα είναι ο ενισχυμένος άνθρακας-άνθρακας (RCC) , ένα γκρίζο στην εμφάνιση υλικό, που μπορεί να αντέξει σε υψηλές θερμοκρασίες (1510 °C) και προστατεύει το διαστημικό λεωφορείο κατά την επανεισόδο του στην ατμόσφαιρα. Το σύνθετο αυτό πολυστρωματικό υλικό κατασκευάζεται από γραφίτη και τεχνητό μετάξι και εμποτίζεται με φαινολική ρητίνη. Μετά την σκλήρυνση σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση, το πολυστρωματικό υλικό πυρολύεται για την απανθράκωση της ρητίνης, εμποτισμένης με αλκοόλη σε θάλαμο κενού και στην συνέχεια πυρολύεται/σκληραίνεται για την μετατροπή της αλκοόλης σε άνθρακα. Για την προστασία από την οξείδωση, έτσι ώστε να μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί, τα εξωτερικά στρώματα του υλικού μετατρέπονται σε καρβίδιο του πυριτίου. Άλλα παραδείγματα είναι τα "πλαστικά" περιβλήματα των τηλεοπτικών συσκευών, κινητών τηλεφώνων κ.τ.λ. Αυτά τα πλαστικά περιβλήματα είναι συνήθως σύνθετα υλικά που αποτελούνται από μια θερμοπλαστική μήτρα όπως το Ακρυλονιτρίλιο-Βουταδιένιο-Στυρένιο (ABS) στο οποίο προστίθεται ανθρακικό ασβέστιο, τάλκης, ίνες γυαλιού ή ανθρακονήματα για αύξηση της αντοχής του όγκου ή της ηλεκτροστατικής διασποράς. Τα πολυμερή αποτελούν ένα σημαντικό κομμάτι της επιστήμης και τεχνολογίας υλικών. Τα πολυμερή είναι οι πρώτες ύλες (οι ρητίνες) από τις οποίες κατασκευάζονται τα υλικά που ονομάζουμε πλαστικά. Τα πλαστικά είναι το τελικό προϊόν, που δημιουργείται αφού ένα ή περισσότερα πολυμερή προστεθούν σε μια ρητίνη κατά την επεξεργασία, η οποία στην συνέχεια διαμορφώνεται στην τελική της μορφή. Κοινά πολυμερή είναι το πολυαιθυλένιο (PE), το πολυπροπυλένιο, το Πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), το Πολυστυρένιο, το νάιλον, ο πολυεστέρας, τα ακρυλικά, οι πολυουρεθάνες και τα πολυκαρβονικά. Τα πλαστικά γενικά κατηγοριοποιούνται ως "εμπορικά", "ειδικής χρήσης" and "μηχανικά". Το PVC (Πολυβινυλοχλωρίδιο) χρησιμοποιείται ευρύτατα, είναι φτηνό, και παρασκευάζεται σε μεγάλες ποσότητες. Το συναντάμε σε μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών όπως το συνθετικό δέρμα, ωςμονωτή στα ηλεκτρικά καλώδια, καθώς και στα δοχεία συσκευασίας και αποθήκευσης τροφίμων. Η κατασκευή και η επεξεργασία του είναι απλή και καλά εδραιωμένη. Η ευελιξία του PVC οφείλεται στην ευρεία γκάμα των πλαστικοποιητών και άλλων πρόσθετων που δέχεται. Ο όρος «πρόσθετα» στην επιστήμη των πολυμερών αναφέρεται στις χημικές ουσίες και ενώσεις προστίθενται στη βάση του πολυμερούς να τροποποιήσει τις ιδιότητες του υλικού. Τα πολυκαρβονικά συνήθως χρησιμοποιούνται ως δομικά πλαστικά εξαιτίας της υψηλής αντοχής τους και των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους. Δεν χρησιμοποιούνται ως αναλώσιμα σε αντίθεση με τα εμπορικά πλαστικά. Τα πλαστικά ειδικής χρήσης είναι υλικά με μοναδικά χαρακτηριστικά, όπως η υπερ-υψηλή αντοχή, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, ο ηλεκτρο-φθορισμός, η υψηλή θερμική σταθερότητα κ.τ.λ. Οι διαχωριστικές γραμμές μεταξύ των διάφορων τύπων πλαστικού δεν βασίζονται στο υλικό αλλά στις ιδιότητες και στις εφαρμογές τους. Για παράδειγμα το πολυαιθυλένιο (PE) είναι ένα φτηνό, χαμηλής τριβής πολυμερές που χρησιμοποιείται για να κατασκευαστούν αναλώσιμες σακούλες και σακούλες σκουπιδιών και θεωρείται εμπορικό πλαστικό, ενώ το μεσαίας πυκνότητας πολυαιθυλένιο (MDPE) χρησιμοποιείται για την κατασκευή υπόγειων σωλήνων για φυσικό αέριο και νερό και το υπερ-υψηλού μοριακού βάρους πολυαιθυλένιο (UHMWPE) είναι ένα δομικό πλαστικό που χρησιμοποιείται ευρέως στις ράγες ολίσθησης σε βιομηχανικό εξοπλισμό και στις υποδοχές χαμηλής τριβής σε εμφυτευμένες αρθρώσεις ισχίου. Η μελέτη των μεταλλικών κραμάτων είναι ένα σημαντικό μέρος της επιστήμης των υλικών. Απ’ όλα τα μεταλλικά κράματα που χρησιμοποιούμε σήμερα, τα κράματα του σιδήρου (Χάλυβας, ανοξείδωτος χάλυβας, χυτοσίδηρος, εργαλειο χάλυβας, κράματα χάλυβα) αποτελούν το μεγαλύτερο ποσοστό τόσο σε ποσότητα όσο και σε εμπορική αξία. Ανάλογα με την περιεκτικότητα τα κράματα σιδήρου δίνουν χάλυβα χαμηλής, μεσαίας και υψηλής περιεκτικότητας άνθρακα. Ένα κράμα άνθρακα σιδήρου θεωρείται χάλυβας, εάν το επίπεδο του άνθρακα είναι μεταξύ 0,01% και 2,00%. Στους χάλυβες, η σκληρότητα και αντοχή στον εφελκυσμό σχετίζεται με την περιεκτικότητα σε άνθρακα, με την αύξηση της περιεκτικότητας να οδηγεί σε χαμηλότερη ολκιμότητα και σκληρότητα. Απ’ την άλλη πλευρά οι παραπάνω ιδιότητες μπορεί να αλλάξουν σημαντικά μέσω της θερμικής επεξεργασίας, όπως η ανόπτηση και η βαφή. Ο Χυτοσίδηρος ορίζεται ως ένα κράμα σιδήρου-άνθρακα με περισσότερο από 2,00% αλλά λιγότερο από 6,67% περιεκτικότητα σε άνθρακα. Ο ανοξείδωτος χάλυβας ορίζεται ως ένα κανονικό κράμα χάλυβα με περισσότερο από 10% κατά βάρος κράματος περιεκτικότητα σε χρώμιο. Το Νικέλιο και το μολυβδαίνιο είναι στοιχεία που επίσης συναντώνται σε ανοξείδωτους χάλυβες. Άλλα σημαντικά μεταλλικά κράματα είναι αυτά του αλουμινίου, του τιτανίου, του χαλκού και του μαγνησίου. Τα κράματα του χαλκού είναι γνωστά εδώ και πολύ καιρό (από την εποχή του χαλκού), ενώ τα κράματα από τα υπόλοιπα τρία μέταλλα έχουν αναπτυχθεί σχετικά πρόσφατα. Εξαιτίας της χημικής δραστικότητας των παραπάνω μετάλλων οι ηλεκτρολυτικές μέθοδοι εξαγωγής που απαιτούνται έχουν αναπτυχθεί σχετικά πρόσφατα. Τα κράματα του αλουμινίου του τιτανίου και του μαγνησίου εκτιμούνται για την υψηλή αντοχή τους σχετικά με το βάρος τους και στην περίπτωση του μαγνησίου για την ικανότητα του να χρησιμοποιηθεί για ηλεκτρομαγνητική θωράκιση. Τα υλικά αυτά είναι ιδανικά για εφαρμογές όπου η υψηλή αντοχή σε συνδυασμό με μικρό βάρος είναι σημαντικότερη από το κόστος, όπως για παράδειγμα στην αεροδιαστημική βιομηχανία και σε μερικές εφαρμογές της αυτοκινητοβιομηχανίας. Η μελέτη των ημιαγωγών αποτελεί ένα από τα σημαντικά πεδία έρευνας της επιστήμης των υλικών. Οι ημιαγωγοί είναι υλικά των οποίων η ηλεκτρική αντίσταση παίρνει τιμές ανάμεσα σε αυτές ενός μετάλλου και ενός μονωτή. Οι ηλεκτρικές τους ιδιότητες μπορούν να μεταβληθούν σε μεγάλο βαθμό με την προσθήκη προσμίξεων. Οι ημιαγωγοί παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για την βιομηχανία υψηλής τεχνολογίας αφού από αυτούς κατασκευάζονται οι δίοδοι, τα τρανζίστορ, οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) και τα αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα. Οι ημιαγωγικές διατάξεις έχουν αντικαταστήσει τις θερμιονικές (λυχνίες κενού) στις περισσότερες εφαρμογές. Οι ημιαγωγικές διατάξεις κατασκευάζονται ως αυτόνομες συσκευές αλλά και ως ολοκληρωμένα κυκλώματα (ICs) που αποτελούνται από ένα αριθμό –από μερικά έως εκατομμύρια- διατάξεις που κατασκευάζονται και συνδέονται σε ένα ενιαίο ημιαγωγικό υπόστρωμα. . Απ’ όλους τους ημιαγωγούς που χρησιμοποιούνται σήμερα, το πυρίτιο είναι το κυρίαρχο τόσο σε ποσότητα τόσο και σε εμπορική αξία. Το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή δισκίων που χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία των ημιαγωγών και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Μετά το πυρίτιο το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) είναι το δημοφιλέστερο ημιαγωγικό υλικό. Αποτελεί το υλικό επιλογής σε εφαρμογές ηλεκτρονικών υψηλής ταχύτητας, διότι σε σύγκριση με το πυρίτιο παρουσιάζει υψηλότερη ευκινησία καθώς και ταχύτητα κορεσμού των ηλεκτρονίων. Αυτές οι ανώτερες ιδιότητες κάνουν επιτακτική την ανάγκη της χρήσης του κυκλωμάτων GaAs στα κινητά τηλέφωνα, στις δορυφορικές τηλεπικοινωνίες, τα μικροκυματικά δίκτυα και στα συστήματα ραντάρ υψηλής συχνότητας. Στα ημιαγωγικά υλικά συμπεριλαμβάνονται επίσης με διάφορες εφαρμογές το γερμάνιο, το καρβίδιο του πυριτίου(SiC) και το αζωτούχο γαλλίο (GaN). Η επιστήμη και τεχνολογία των υλικών αναπτύχθηκε- ξεκινώντας από την δεκαετία του 1960- γιατί έγινε κατανοητό ότι για να δημιουργηθούν, ανακαλυφθούν και σχεδιαστούν νέα υλικά χρειάζεται μια ενιαία προσέγγιση. Έτσι η επιστήμη και τεχνολογία των υλικών αναδύθηκε ως επιστημονικό πεδίο με στοιχεία από την μεταλλουργία, την φυσική στερεάς κατάστασης, την χημεία, την χημική μηχανική, την μηχανολογία και την ηλεκτρολογία. Η επιστήμη και τεχνολογία των υλικών είναι ένα εγγενώς διεπιστημονικό πεδίο και οι επιστήμονες/μηχανικοί των υλικών θα πρέπει να γνωρίζουν και να χρησιμοποιούν τις μεθόδους και τεχνικές που χρησιμοποιεί ένας φυσικός, ένας χημικός και ένας μηχανικός. Το πεδίο επομένως διατηρεί στενές σχέσεις με τα παραπάνω πεδία. Επίσης πολλοί φυσικοί, χημικοί αλλά και μηχανικοί εργάζονται σε εφαρμογές της επιστήμης των υλικών. Το πεδίο της επιστήμης και τεχνολογίας των υλικών είναι σημαντικό τόσο από επιστημονική όσο και από την τεχνολογική σκοπιά. Όταν ανακαλύπτονται νέα υλικά, συναντώνται και νέα φαινόμενα που δεν έχουν παρατηρηθεί πριν. Έτσι υπάρχει αρκετός χώρος για βασική επιστημονική έρευνα όταν κάποιος μελετά αυτά τα υλικά. Η επιστήμη των υλικών μπορεί αν χρησιμοποιηθεί ως πεδίο ελέγχου για θεωρίες της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης. Τα υλικά είναι υψίστης σημασίας για ένα μηχανικό. Η χρήση του κατάλληλου υλικού είναι ζωτικής σημασίας κατά τον σχεδιασμό συστημάτων, έτσι οι μηχανικοί πάντα ενδιαφέρονται για τα υλικά. Γι’ αυτό το λόγο η επιστήμη των υλικών αποτελεί ένα αυξανόμενα σημαντικό κομμάτι της εκπαίδευσης των μηχανικών. Ashby, Michael· Hugh Shercliff· David Cebon (2007). Materials: engineering, science, processing and design (1st έκδοση). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3. Askeland, Donald R.· Pradeep P. Phulé (2005). The Science & Engineering of Materials (5th έκδοση). Thomson-Engineering. ISBN 0-534-55396-6. Callister, Jr., William D. (2000). Materials Science and Engineering – An Introduction (5th έκδοση). John Wiley and Sons. ISBN 0-471-32013-7. Eberhart, Mark (2003). Why Things Break: Understanding the World by the Way It Comes Apart. Harmony. ISBN 1-4000-4760-9. Gaskell, David R. (1995). Introduction to the Thermodynamics of Materials (4th έκδοση). Taylor and Francis Publishing. ISBN 1-56032-992-0. González-Viñas, W. & Mancini, H.L. (2004). An Introduction to Materials Science. Princeton University Press. ISBN 0-691-07097-0. Gordon, James Edward (1984). The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall Through the Floor (eissue έκδοση). Princeton University Press. ISBN 0-691-02380-8. Mathews, F.L. & Rawlings, R.D. (1999). Composite Materials: Engineering and Science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-0621-3. Lewis, P.R.· Reynolds, K. & Gagg, C. (2003). Forensic Materials Engineering: Case Studies. Boca Raton: CRC Press. Wachtman, John B. (1996). Mechanical Properties of Ceramics. New York: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 0-471-13316-7. Walker, P., επιμ. (1993). Chambers Dictionary of Materials Science and Technology. Chambers Publishing. ISBN 0-550-13249-X. Timeline of Materials Science at The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) – Accessed March 2007 Burns, G.· Glazer, A.M. (1990). Space Groups for Scientists and Engineers (2nd έκδοση). Boston: Academic Press, Inc. ISBN 0-12-145761-3. Cullity, B.D. (1978). Elements of X-Ray Diffraction (2nd έκδοση). Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 0-534-55396-6. Giacovazzo, C· Monaco HL· Viterbo D· Scordari F· Gilli G· Zanotti G· Catti M (1992). Fundamentals of Crystallography. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-19-855578-4. Green, D.J.· Hannink, R.· Swain, M.V. (1989). Transformation Toughening of Ceramics. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5. Lovesey, S. W. (1984). Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter; Volume 1: Neutron Scattering. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-852015-8. Lovesey, S. W. (1984). Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter; Volume 2: Condensed Matter. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-852017-4. O'Keeffe, M.· Hyde, B.G. (1996). Crystal Structures; I. Patterns and Symmetry. Washington, DC: Mineralogical Society of America, Monograph Series. ISBN 0-939950-40-5. Squires, G.L. (1996). Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering (2nd έκδοση). Mineola, New York: Dover Publications Inc. ISBN 0-486-69447-X. Young, R.A., επιμ. (1993). The Rietveld Method. Oxford: Oxford University Press & International Union of Crystallography. ISBN 0-19-855577-6. http://www.materials.uoi.gr/ http://www.matersci.upatras.gr/ http://www.materials.uoc.gr/ Ανοικτά Μαθήματα στην Επιστήμη και Τεχνολογία των Υλικών στα Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα του Πανεπιστήμιου Κρήτης.