Materjaliteadus

Materjaliteadus on interdistsiplinaarne teadusharu, mis kombineerib keemiat, füüsikat ja inseneriteadust. Materjaliteaduse eesmärk on uurida materjale ja nende omadusi ning luua uusi materjale, mille omadused vastaksid mingitele konkreetsetele vajadustele. Materjaliteadust rakendatakse elektroonikas, infotehnoloogias, energeetikas, meditsiinis, ehitusteaduses ja mujal.
Materjaliteaduse eesmärk ei ole juhuslikult otsida ja avastada uusi materjale ning siis nende omadusi kasutada. Üritatakse õppida materjale mõistma ja seeläbi disainida uusi materjale, mille omadused vastaksid mingi konkreetse rakenduse vajadustele.
Materjaliteadus kui eraldiseisev teadusharu kujunes välja 20. sajandi jooksul, saades tihti alguse ülikoolide metallurgia osakondadest.
Materjaliteadus on viimastel aastakümnetel muutunud eriti tähtsaks, sest mitmete teoreetiliselt väljamõeldud tehniliste rakenduste jaoks pole sobivaid materjale (ülijuhid, kosmoselift). Samuti seisavad mitmed küsimused energeetikas sobivate materjalide puudumise taga (näiteks tuumaenergeetika vajab paremaid materjale efektiivsemate kütuste ja reaktorite valmistamiseks ning jäätmete ohutumaks hoiustamiseks; uusi materjale otsitakse efektiivsemate päikesepatareide jaoks, vesinikkütuselementide valmistamiseks ja ülijuhtide valmistamiseks, mis võimaldaks elektrienergiat transportida oluliselt väiksemate kadudega).
Ajalugu.
Tööriistade ja relvade valmistamiseks põhiliselt kasutatav materjal defineerib tihti ajastu. Heaks näiteks on kiviaeg, pronksiaeg ja rauaaeg. Materjaliteadus on saanud alguse keraamika valmistamisest ja metallurgiast ning on seega üks vanimaid inseneri- ja rakendusteaduse vorme. Tänapäevane materjaliteadus on arenenud otse metallurgiast, mis omakorda arenes tõenäoliselt kaevandamisest ja keraamikast ning tule kasutamisest. Suur läbimurre materjalide mõistmises toimus 19. sajandi lõpus, kui USA teadlane Josiah Willard Gibbs demonstreeris, et termodünaamilised omadused, mis on seotud aatomi struktuuriga aine erinevates faasides, on seotud materjali füüsikaliste omadustega. Mitmed olulised tänapäevase materjaliteaduse elemendid on kosmoseralli tulemus: selle läbi õpiti mõistma metallisulamite, räni- ja süsinikmaterjalide valmistamist, mida kasutati kosmosesõidukite valmistamisel. Materjaliteadust on edasi tõuganud selliste revolutsiooniliste materjalide nagu plastide, pooljuhtide ja biomaterjalide kasutuselevõtmine.
Enne 1960. aastaid ja mõnikord veel aastakümneid hiljem, tegeleti materjaliteadusega põhiliselt metallurgia osakondades, kuna 19. sajandil ja 20. sajandi alguses pandi suurt rõhku metallidele. Sellest ajast alates on tööpõld oluliselt laienenud ja tegeldakse igasuguste materjaliklassidega: keraamika, polümeerid, pooljuhid, magnetilised materjalid, meditsiinilised implantaadid ja biomaterjalid.
Põhilised materjaliklassid.
Metallid.
Metallide alla kuuluvad materjalid, mis koosnevad ühest või rohkemast metallilisest elemendist (näiteks raud, alumiinium, kuld) ja sisaldavad tihti väikeses koguses mittemetallilisi ühendeid (näiteks süsinikku, hapnikku, lämmastikku).
Keraamika.
Keraamilised materjalid on ühendid metallilistest ja mittemetallilistest ühenditest. Enamasti on tegemist oksiidide, nitraatide ja karbiididega (näiteks alumiiniumi oksiid Al2O3 või ränikarbiid SiC). Vahel räägitakse eraldi veel traditsioonilisest keraamikast: need materjalid, mis koosnevad savimineraalidest, lisaks veel klaas ja tsement. Keraamilised materjalid on mehaaniliselt jäigad, tugevad ja kõvad, kuid väga haprad ja mõranevad kergesti. Elektrit ja soojust juhivad halvasti. Taluvad hästi kõrgeid temperatuure ja söövitavat keskkonda.
Polümeerid.
Polümeeride hulka kuuluvad näiteks plastid ja kummist materjalid. Paljud neist on orgaanilised materjalid, mis põhinevad süsinikul, vesinikul ja teistel mittemetallilistel elementidel. Neil on suured molekulid, mille struktuuri aluseks on tihti süsinikuahelad (näiteks polüetüleen (PE), vinüülkloriid (PVC)). Sellised materjalid on tihti väikse tihedusega ja nende mehaanilised omadused erinevad tugevalt metallidest ja keraamikast. Polümeeride põhiliseks tugevuseks on kerge töödeldavus ja suhteline inertsus erinevate keemiliste reagentide suhtes. Miinuseks kalduvus juba suhteliselt madalatel temperatuuridel pehmeks muutuda. Polümeerid ei juhi üldjuhul elektrit ja neil pole magnetilisi omadusi.
Komposiitmaterjalid.
Komposiitmaterjalid koosnevad vähemalt kahest individuaalsest materjalist, mis pärinevad juba mainitud materjalide kategooriatest (metallid, keraamika, polümeerid). Materjale kombineerides üritatakse saavutada omaduste kombinatsiooni, mida ühelgi materjalil individuaalselt ei ole. Komposiitmaterjalideks loetakse ka mõningais looduslikult esinevaid materjale, näiteks puit ja luu. Tõenäoliselt tuntuim tehismaterjalide näide on klaaskiud.
Pooljuhid.
Pooljuhid on materjalid, mis asuvad juhtide ja dielektrikute vahepeal. Nende materjalide omadused on tugevas sõltuses nende puhtusest: väga väike kogus mingi muu aine aatomeid muudab juba nende omadusi. Pooljuhid on teinud võimalikuks tänapäeva elektroonika ja arvutite arengu.
Biomaterjalid.
Biomaterjale kasutatakse erinevate implantaatide valmistamiseks. On oluline, et need ei eritaks organismi toksilisi aineid ja sobiksid keha kudedega kokku. Kõiki eespool nimetatud materjale võib kasutada biomaterjalidena.
Tulevik.
Tulevikus võetakse ilmselt üha laialdasemalt kasutusele nn tarku materjale. Materjalid on "targad" selles mõttes, et suudavad tajuda mingeid muudatusi oma keskkonnas ja neile siis vastavalt reageerida. Teine valdkond, mis tugevalt edasi areneb, on nanotehnoloogiat kasutades valmistatud materjalid. Sellised materjalid valmistatakse üksikuid molekule, aatomeid või nende kihte paika asetades (näiteks süsiniku nanotorud).