పదార్థ విజ్ఞానం

**పదార్థ విజ్ఞానం** (Materials science) అనేది materials (పదార్థాల) గురించి వివరించే ఒక చదువు. ఈ రంగం కొత్త రకమైన పదార్థాలను కనిపెట్టడానికి, అవి ఎలా పనిచేస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ప్రయత్నిస్తుంది. **మెటీరియల్స్ ఇంజనీరింగ్** (Materials engineering) అనేది ఈ పదార్థాలను నిజ జీవితంలో ఎలా ఉపయోగించాలో మార్గాలను వెతుకుతుంది. ఇది భవనాల నిర్మాణం, వైద్యం, ప్రయాణం వంటి పరిశ్రమలకు ఎంతో సహాయపడుతుంది.పదార్థాల గురించి చదవడం Age of Enlightenment (జ్ఞానోదయ కాలం) సమయంలో మొదలైంది. ఆ సమయంలో ఆలోచనాపరులు ప్రపంచాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి logic (తర్కాన్ని) ఉపయోగించేవారు. వారు లోహాలు, ఖనిజాలతో పనిచేసే పాత పద్ధతులను అధ్యయనం చేయడానికి chemistry (రసాయన శాస్త్రం), physics (భౌతిక శాస్త్రం), engineering (ఇంజనీరింగ్) రంగాలను ఉపయోగించారు. ఈ రోజుల్లో కూడా పదార్థ విజ్ఞానం ఈ శాస్త్రాలను ఉపయోగిస్తోంది. చాలా కాలం వరకు ఇది ఇతర సబ్జెక్టులలో ఒక చిన్న భాగంగా మాత్రమే ఉండేది. 1940వ దశకంలో ఇది ఒక ప్రత్యేక రంగంగా మారింది. అప్పట్లో చాలా పెద్ద విద్యాసంస్థలు పదార్థ విజ్ఞానం కోసం ప్రత్యేక తరగతులను ప్రారంభించాయి.శాస్త్రవేత్తలు ఒక పదార్థం ఎలా తయారవుతుంది (ప్రక్రియ - process) అనే విషయాన్ని గమనిస్తారు. ఈ తయారీ విధానం దాని ఆకారాన్ని (నిర్మాణం - structure), అది చేసే పనులను (లక్షణాలు - properties) ఎలా మారుస్తుందో వారు పరిశీలిస్తారు. ఈ పరిశోధనలు ఎన్నో కొత్త విషయాలను సృష్టించడానికి సహాయపడ్డాయి. ఉదాహరణకు వైద్యం కోసం biomaterials (బయో మెటీరియల్స్), చిన్న యంత్రాల కోసం nanotechnology (నానో టెక్నాలజీ) వంటివి వచ్చాయి. ఇది ఫోరెన్సిక్ ఇంజనీర్లకు కూడా సహాయపడుతుంది. వస్తువులు ఎందుకు విరిగిపోతాయి, విమాన ప్రమాదాలు ఎందుకు జరుగుతాయి వంటి విషయాలను తెలుసుకోవడానికి ఇది ఉపయోగపడుతుంది. దీనివల్ల అందరి జీవితం మరింత సురక్షితంగా మారుతుంది.
## చరిత్ర
మానవ చరిత్రను తరచుగా ప్రజలు ఉపయోగించిన పదార్థాల పేర్లతో పిలుస్తారు. మనకు Stone Age (రాతి యుగం), Bronze Age (కంచు యుగం), Iron Age (ఇనుప యుగం) ఉన్నాయి. ఆ తర్వాత Industrial Revolution (పారిశ్రామిక విప్లవం) ఉక్కు యుగాన్ని తీసుకువచ్చింది. ceramics (సిరామిక్స్), లోహాలతో పనిచేయడం అనేది ఇంజనీరింగ్‌లో అత్యంత పాత పద్ధతులలో ఒకటి.ఆధునిక పదార్థ విజ్ఞానం  లోహశాస్త్రం (మెటలర్జీ) నుండి పుట్టింది. లోహశాస్త్రం అంటే లోహాల గురించి చదవడం. 19వ శతాబ్దం చివరలో ఒక పెద్ద మార్పు వచ్చింది. Josiah Willard Gibbs అనే శాస్త్రవేత్త పదార్థంలోని atoms (అణువులు) అమర్చబడిన విధానం ఆ పదార్థం ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో మారుస్తుందని నిరూపించారు.Space Race (అంతరిక్ష పోటీ) సమయంలో శాస్త్రవేత్తలకు అంతరిక్ష ప్రయాణం కోసం మెరుగైన పదార్థాలు అవసరమయ్యాయి. వారు కొత్త alloys (మిశ్రమ లోహాలు) తయారు చేశారు. రాకెట్ల కోసం silica (సిలికా), carbon (కార్బన్) ఉపయోగించారు. ఈ ఆవిష్కరణలు మనం ప్రతిరోజూ ఉపయోగించే plastics (ప్లాస్టిక్స్), rubber (రబ్బరు) వంటి వస్తువులకు దారితీశాయి.1960 కంటే ముందు చాలా విశ్వవిద్యాలయాల్లోని విభాగాలను "మెటలర్జీ" (లోహశాస్త్రం) విభాగాలుగా పిలిచేవారు. అమెరికాలో DARPA అనే సంస్థ "మెటీరియల్స్ సైన్స్" లాబొరేటరీలను ప్రారంభించడానికి పాఠశాలలకు నిధులు ఇచ్చింది. పదార్థం చాలా చిన్న స్థాయిలో ఎలా పనిచేస్తుందో తెలుసుకోవాలని వారు కోరుకున్నారు. ఇప్పుడు ఈ రంగంలో polymers (పాలిమర్‌లు) నుండి nanomaterials (నానో మెటీరియల్‌ల) వరకు అన్నీ ఉన్నాయి. శాస్త్రవేత్తలు ఇప్పుడు కంప్యూటర్లను ఉపయోగించి ఒక కొత్త పదార్థం ఎలా పనిచేస్తుందో అది తయారు చేయకముందే అంచనా వేస్తున్నారు.

## ప్రాథమిక అంశాలు
పదార్థం అనేది ఒక పని కోసం ఉపయోగించే ఘన రూపంలో ఉన్న వస్తువు. పదార్థాలలో చాలా రకాలు ఉన్నాయి. ప్రధాన సమూహాలు ఏవంటే metals (లోహాలు), semiconductors (అర్ధవాహకాలు), ceramics (సిరామిక్స్), polymers (పాలిమర్‌లు). కొత్త సమూహాలలో nanomaterials (నానో మెటీరియల్స్), biomaterials (బయో మెటీరియల్స్) ఉన్నాయి.ఈ రంగంలోని ప్రధాన ఆలోచనను "మెటీరియల్స్ పారాడిగ్మ్" (materials paradigm) అంటారు. ఇది నాలుగు విషయాల గురించి వివరిస్తుంది:**Processing** (తయారీ విధానం): పదార్థం ఎలా తయారవుతుంది.**Structure** (నిర్మాణం): లోపలి భాగాలు ఎలా కలిసి ఉంటాయి.**Properties** (లక్షణాలు): పదార్థం ఏమి చేయగలదు (బలంగా ఉండటం లేదా వంగడం వంటివి).**Performance** (పనితీరు): నిజ ప్రపంచంలో అది తన పనిని ఎంత బాగా చేస్తుంది.
### నిర్మాణం (Structure)
పదార్థ విజ్ఞానంలో నిర్మాణం అనేది చాలా ముఖ్యమైన భాగం. పదార్థం వివిధ స్థాయిలలో ఎలా నిర్మించబడిందో ఇది చెబుతుంది. శాస్త్రవేత్తలు దీనిని చూడటానికి characterization (లక్ష్యీకరణ) పద్ధతులను ఉపయోగిస్తారు. వారు లోపల ఉన్న భాగాలను చూడటానికి X-rays (ఎక్స్-రేలు), electron microscopes (ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్‌లు), spectroscopy (స్పెక్ట్రోస్కోపీ) ఉపయోగిస్తారు.
#### అణు నిర్మాణం (Atomic structure)
ఈ స్థాయిలో atoms (అణువుల) గురించి అధ్యయనం చేస్తారు. అణువులు ప్రతి వస్తువుకు పునాది వంటివి. అవి ఒకదానితో ఒకటి కలిసే విధానం అణువులను (molecules), స్ఫటికాలను (crystals) తయారు చేస్తుంది. ఒక పదార్థం ద్వారా electricity (విద్యుత్) ప్రవహిస్తుందా లేదా అది అయస్కాంతంలా పనిచేస్తుందా అనేది ఈ స్థాయిని బట్టి తెలుస్తుంది. వీటి పరిమాణాన్ని ఆంగ్‌స్ట్రామ్స్ ($1 \text{ \AA} = 10^{-10} \text{ meters}$) లో కొలుస్తారు.==== నానో నిర్మాణం (Nanostructure) ====Nanomaterials (నానో మెటీరియల్స్) అంటే చాలా చిన్న భాగాలు కలిగిన పదార్థాలు. ఈ భాగాలు 1 నుండి 100 నానోమీటర్ల ($1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ meters}$) పరిమాణంలో ఉంటాయి. ఇవి చాలా చిన్నవిగా ఉండటం వల్ల వింతగా, ఉపయోగకరంగా ప్రవర్తిస్తాయి. కొన్ని ప్రత్యేకమైన రంగులను కలిగి ఉంటాయి లేదా చాలా బలంగా ఉంటాయి.
#### సూక్ష్మ నిర్మాణం (Microstructure)
ఇది మైక్రోస్కోప్‌తో మనం చూడగలిగే నిర్మాణం. ఇది 100 నానోమీటర్ల నుండి కొన్ని సెంటీమీటర్ల వరకు ఉన్న వస్తువులను చూపిస్తుంది. ఇది లోహంలో ఉన్న "గ్రెయిన్స్" లేదా చిన్న స్ఫటికాలను చూపుతుంది. ఒక లోహం గట్టిగా ఉంటుందా లేదా త్వరగా విరిగిపోతుందా అనేది ఈ సూక్ష్మ నిర్మాణం చెబుతుంది.
#### స్థూల నిర్మాణం (Macrostructure)
ఇది మనం కంటితో చూడగలిగే నిర్మాణం. ఇది మిల్లీమీటర్ల నుండి మీటర్ల స్థాయిలో ఉండే పదార్థం.
### లక్షణాలు
పదార్థాలకు రకరకాల లక్షణాలు ఉంటాయి. ఇంజనీర్లు ఒక పని కోసం సరైన పదార్థాన్ని ఎంచుకోవడానికి ఇవి సహాయపడతాయి:**Mechanical** (యాంత్రిక): అది ఎంత బలంగా ఉంది.**Chemical** (రసాయన): ఇతర వస్తువులతో కలిసినప్పుడు అది ఎలా స్పందిస్తుంది (తుప్పు పట్టడం వంటివి).**Electrical** (విద్యుత్): అది కరెంటును ప్రవహింపజేయగలదా.**Thermal** (ఉష్ణ): వేడిగా ఉన్నప్పుడు అది ఎలా ఉంటుంది.**Optical** (దృశ్య): అది ఎలా కనిపిస్తుంది లేదా కాంతిని ఎలా పరావర్తనం చేస్తుంది.
## పరిశోధనా రంగాలు
పదార్థ విజ్ఞానం ఎప్పుడూ మారుతూనే ఉంటుంది. చాలా మంది శాస్త్రవేత్తలు కొత్త ఆలోచనలపై పనిచేస్తున్నారు.

### బయో మెటీరియల్స్

biomaterial (బయో మెటీరియల్) అంటే జీవించి ఉన్న శరీరం లోపల పనిచేసే పదార్థం. ఇవి ప్రకృతిలో దొరికేవి కావచ్చు లేదా ప్రయోగశాలలో తయారు చేసినవి కావచ్చు. వీటిని heart valves (గుండె కవాటాలు) లేదా hip implants (కీళ్ల మార్పిడి) కోసం ఉపయోగిస్తారు. శరీరం వీటిని తిరస్కరించకుండా ఉండేలా ఇవి సురక్షితంగా ఉండాలి.
### ఎలక్ట్రానిక్, అయస్కాంత పదార్థాలు
ఈ రంగం semiconductors (అర్ధవాహకాల) గురించి వివరిస్తుంది. ఇవి విద్యుత్తును పూర్తిగా ప్రవహింపజేయవు అలాగని పూర్తిగా ఆపవు. వీటిని కంప్యూటర్లు, ఫోన్ల కోసం చిప్స్ తయారు చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు. శాస్త్రవేత్తలు superconductivity (సూపర్ కండక్టివిటీ) గురించి కూడా అధ్యయనం చేస్తారు. దీనిలో విద్యుత్ ఎలాంటి అడ్డంకి లేకుండా ప్రవహిస్తుంది.
### కంప్యూటేషనల్ మెటీరియల్స్ సైన్స్
ఈ రోజుల్లో కంప్యూటర్లు చాలా వేగంగా పనిచేస్తున్నాయి. అణువులు ఎలా కదులుతాయో తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు కంప్యూటర్లను ఉపయోగిస్తారు. ప్రయోగశాలలో సమయం వృథా చేయకుండా కొత్త పదార్థాలను రూపొందించడానికి ఇది సహాయపడుతుంది. పదార్థాలు ఒత్తిడిలో ఎలా పనిచేస్తాయో చూడటానికి వారు molecular dynamics (మాలిక్యులర్ డైనమిక్స్) వంటి పద్ధతులను ఉపయోగిస్తారు.
## పరిశ్రమల్లో ఉపయోగాలు
మంచి ఉత్పత్తులను తయారు చేయడానికి పరిశ్రమలు పదార్థ విజ్ఞానాన్ని ఉపయోగిస్తాయి.

### సిరామిక్స్ - గ్లాస్

Ceramics (సిరామిక్స్) సాధారణంగా గట్టిగా ఉంటాయి మరియు త్వరగా కరగవు. గాజు (Glass) అనేది ఒక రకమైన సిరామిక్, దీనిలో అణువులు ఒక పద్ధతిలో ఉండవు. మనం వీటిని కిటికీలు, కళ్లద్దాలు మరియు ఫోన్లపై ఉండే Gorilla Glass (గొరిల్లా గ్లాస్) కోసం ఉపయోగిస్తాము. జెట్ ఇంజన్లలో కూడా వీటిని ఉపయోగిస్తారు ఎందుకంటే ఇవి చాలా వేడిలో కూడా బలంగా ఉంటాయి.
### పాలిమర్లు (ప్లాస్టిక్స్)
Polymers (పాలిమర్‌లు) అనేవి అణువుల యొక్క పొడవైన గొలుసులు. చాలా మంది వీటిని ప్లాస్టిక్స్ అని పిలుస్తారు. సంచుల కోసం వాడేవి సాధారణ ప్లాస్టిక్స్. కార్లలో బలంగా ఉండే భాగాల కోసం వాడేవి ఇంజనీరింగ్ ప్లాస్టిక్స్. Polyvinyl chloride (PVC) అనేది పైపులు మరియు వైర్ల కోసం వాడే ఒక సాధారణ పాలిమర్.
### మిశ్రమ లోహాలు (Metal Alloys)
alloy (మిశ్రమ లోహం) అంటే ఒక లోహాన్ని మరొక దానితో కలపడం. Steel (ఉక్కు) అనేది అత్యంత సాధారణ మిశ్రమ లోహం. ఇది ఇనుము మరియు తక్కువ పరిమాణంలో కార్బన్ కలిపిన పదార్థం. దీనికి క్రోమియం కలిపితే అది stainless steel (స్టెయిన్లెస్ స్టీల్) అవుతుంది, దీనికి తుప్పు పట్టదు. విమానాల్లో అల్యూమినియం మిశ్రమ లోహాలను ఉపయోగిస్తారు ఎందుకంటే అవి బలంగా ఉన్నా బరువు తక్కువగా ఉంటాయి.
## కొత్త సాంకేతికతలు
శాస్త్రవేత్తలు ప్రపంచాన్ని మార్చగల భవిష్యత్తు పదార్థాలపై పనిచేస్తున్నారు.
## సంబంధిత రంగాలు
పదార్థ విజ్ఞానం ఈ క్రింది రంగాలతో కలిసి పనిచేస్తుంది:Chemistry (రసాయన శాస్త్రం): అణువులు ఎలా కలుస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి.Physics (భౌతిక శాస్త్రం): శక్తి మరియు పదార్థం ఎలా పనిచేస్తాయో చూడటానికి.Nanotechnology (నానో టెక్నాలజీ): చాలా చిన్న స్థాయిలో వస్తువులను నిర్మించడానికి.Mechanical engineering (మెకానికల్ ఇంజనీరింగ్): యంత్రాలు, భవనాలు నిర్మించడానికి.
## ఇవి కూడా చూడండి
 స్పటిక శాస్త్రం
## మూలాలు

### గ్రంథ పట్టిక

## బాహ్య లింకులు
MIT ఓపెన్ కోర్సువేర్ - మెటీరియల్స్ సైన్స్