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:

 Ionski kristali
 Kovalentni kristali
 metali
 Metaloidi
 Poluprovodnici
 Polimeri
 Kompozitni materijali
 Vatrostalni materijali

 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.

 Spisak neakademskih objekata 

 Vladine laboratorije 

 Nacionalna laboratorija Argonne
 Nacionalna laboratorija Lawrence Berkeley
 Nacionalna laboratorija Lawrence Livermore
 Nacionalna laboratorija Los Alamos
 Nacionalna laboratorija Oak Ridge
 Institut Max Planck

 Korporativni objekti 

 DuPont
 GE Global Research
 IBM istraživački centar Thomas J. Watson

 Važniji magazini 

 Nature Materials
 Acta Materialia
 JOM
 Advanced Materials
 Computational materials science
 Advanced Functional Materials
 Journal of Materials Chemistry
 Journal of Materials Online - Open Access
 Metallurgical and Materials Transactions
 Journal of Materials Research
 Journal of Materials Science

 Također pogledajte 

 Historija tehnologije materijala
 Biološki materijali
 Tečni kristal
 Spisak metoda za površinsko ispitivanje
 Termanlna analiza

 Reference 

 Vanjski linkovi 

 Nauka o materijalima: Sigma-Aldrich

Kategorija:Nauka o materijalima
Kategorija:Građevinsko inženjerstvo