Χαρακτηρισμός (Επιστήμη υλικών)

Χαρακτηρισμός στην επιστήμη των υλικών ονομάζεται η δομική και χημική διεργασία με την οποία η δομή, οι φυσικές και χημικές ιδιότητες ενός υλικού μελετώνται, ανιχνεύονται και προσδιορίζονται με λεπτομέρεια.

Σημασία
Είναι μια κεφαλαιώδους σημασίας διαδικασία στο επιστημονικό πεδίο της επιστήμης των υλικών, χωρίς την οποία δεν θα ήταν εφικτό να εξακριβωθεί επιστημονικά η κατανόηση, εις βάθος, όλων των υλικών που σήμερα χρησιμοποιούμε σε κατασκευές και σε πλήθος εφαρμογών.

Ορισμός του όρου
Το πεδίο εφαρμογής του όρου Χαρακτηρισμός συχνά διαφέρει. Ορισμένοι ορισμοί περιορίζουν τη χρήση του όρου σε τεχνικές που μελετούν μόνο τη μικροσκοπική δομή, ή/και τις ιδιότητες των υλικών,, ενώ άλλοι χρησιμοποιούν τον όρο για να αναφερθούν σε οποιαδήποτε εργαστηριακή διαδικασία ανάλυσης των υλικών, συμπεριλαμβανομένων επίσης και των μακροσκοπικών τεχνικών, όπως π.χ. μηχανικές δοκιμές, θερμική ανάλυση και υπολογισμοί πυκνότητας. 
 
Η κλίμακα των δομών που παρατηρούνται στο χαρακτηρισμό υλικών κυμαίνεται από angstroms, όπως στην απεικόνιση μεμονωμένων ατόμων και χημικών δεσμών, έως εκατοστά, όπως στην απεικόνιση χονδροειδών δομών κόκκων σε μέταλλα και σε κράματα αυτών.

Τεχνικές χαρακτηρισμού
Ενώ πολλές τεχνικές χαρακτηρισμού έχουν εφαρμοστεί για δεκαετίες, όπως λ.χ. οπτική μικροσκοπία, νέες τεχνικές χαρακτηρισμού και σύγχρονες μεθοδολογίες εμφανίζονται συνεχώς. Συγκεκριμένα, η εμφάνιση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και της φασματομετρίας μάζας, τον 20ο αιώνα, επέφερε δραστικές αλλαγές και μεγάλη εξέλιξη στο πεδίο αυτό επιτρέποντας την απεικόνιση και την ανάλυση δομών και συνθέσεων σε πολύ μικρότερες κλίμακες από ό,τι ήταν δυνατόν στο παρελθόν. Έτσι, η τεράστια αύξηση του επιπέδου κατανόησης ως προς το γιατί διαφορετικά υλικά παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες και συμπεριφορές κατέστη εφικτή αλλά συνάμα εύκολη, γρήγορη και με μικρό σχετικά κόστος.
 
Πρόσφατα, η μικροσκοπία ατομικής δύναμης (αγγλ. AFM, Atomic Force Microscopy) αύξησε περαιτέρω τη μέγιστη δυνατή ανάλυση για εξαιρετικά λεπτομερή και ακριβή ανάλυση ορισμένων δειγμάτων τα τελευταία 30 χρόνια. Σήμερα, ο εν γένει χαρακτηρισμός των υλικών, δύναται να υλοποιηθεί: μικροσκοπικά, με ακτινοβολία, με φασματοσκοπία, με ακτίνες Χ, με φασματοσκοπία μάζας, και με άλλες σύγχρονες τεχνικές.

Μικροσκοπία

Μικροσκοπία είναι μια κατηγορία τεχνικών χαρακτηρισμού, οι οποίες με απλά ή ηλεκτρονικά μικροσκόπια ανιχνεύουν και χαρτογραφούν την εν γένει επιφάνεια, καθώς και την επιφανειακή δομή ενός υλικού. Αυτές οι τεχνικές της μικροσκοπίας μπορούν να χρησιμοποιούν ανιχνευτές: λ.χ. φωτόνιο, ηλεκτρόνιο, ιόν ή φυσικούς προβολείς για τη συλλογή δεδομένων σχετικά με τη δομή ενός δείγματος σε μια κλίμακα. Μερικά παραδείγματα σύγχρονων οργάνων μικροσκοπίας περιλαμβάνουν:

Μικροσκοπία φωτεινού πεδίου (ή Οπτική μικροσκοπία)
Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM)
Ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (TEM)
Μικροσκοπία εκπομπής πεδίου ιόντων (FIM)
Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (STM)
Μικροσκοπία σάρωσης ακίδας (SPM)
Μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM)
Περίθλαση ακτίνων Χ (XRT)

Φασματοσκοπία
Με την ομάδα αυτών των τεχνικών χαρακτηρισμού, είναι εφικτό να αποκαλυφθούν ιδιότητες ή πληροφορίες που σχετίζονται με τη χημική σύσταση, τις χημικές διαφορές, την κρυσταλλική δομή, ή φωτοηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών. Μεταξύ άλλων, οι τεχνικές αυτές δύνανται να είναι οι κάτωθι:

Οπτικής ακτινοβολίας
Υπεριώδους φασματοσκοπίας (UV-vis)
Τεχνική FTIR
Τεχνική θερμοφωταύγειας (TL)
Τεχνική φωτοφωταύγειας(PL)

Ακτίνες Χ
Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ (XRD)
Small-angle X-ray scattering (SAXS)
Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX)
Wavelength dispersive X-ray spectroscopy (WDX, WDS)
Electron energy loss spectroscopy (EELS)
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
Auger electron spectroscopy (AES)
X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS)

Παραπομπές

Επιστήμη υλικών