Nauka o materijalima
Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Nauka o materijalima je interdisciplinarna nauka, koja izučava osobonine 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.
Sadržaj |
[uredi] 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.
[uredi] 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.
[uredi] Materijali u industriji
Radikalni razvitak materijala može dovesti do stvaranja novih proizvoda, pa čak i novih industrija, međutim, stabilne industrije, takođe, 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.
[uredi] 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
[uredi] 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. Takođe pogledajte granularne materijale.
- Nauka o staklu --- svaki nekristalizirajući materijal, uključujući neorganska stakla, staklaste metale i neoksidna stakla.
[uredi] 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.
[uredi] Spisak neakademskih objekata
[uredi] Vladine laboratorije
- Nacionalna laboratorija Argonne
- Nacionalna laboratorija Lawrence Berkeley
- Nacionalna laboratorija Lawrence Livermore
- Nacionalna laboratorija Los Alamos
- Nacionalna laboratorija Oak Ridge
- Institut Max Planck
[uredi] Korporativni objekti
- DuPont
- GE Global Research
- IBM istraživački centar Thomas J. Watson
[uredi] 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
[uredi] Također pogledajte
- Historija tehnologije materijala
- Biološki materijali
- Tečni kristal
- Spisak metoda za površinsko ispitivanje
- Termanlna analiza
[uredi] Vanjski linkovi
| Hemija |
|---|
| Analitička hemija • Biohemija • Bioneorganska hemija • Hemijska biologija • Hemijsko obrazovanje • Računarska hemija • Elektrohemija • Hemija okoliša • Zelena hemija • Neorganska hemija • Nauka o materijalima • Medicinska hemija • Nuklearna hemija • Organska hemija • Organometalna hemija • Farmacija • Farmakologija • Fizikalna hemija • Fotohemija • Hemija polimera • Hemija čvrstog stanja • Teorijska hemija • Termohemija • Hemija tekućina
Spisak biomolekula • Spisak neorganskih spojeva • Spisak organskih spojeva • Periodni sistem elemenata |
| Glavna polja tehnologije | ||
|---|---|---|
| Primjenjena nauka | Vještačka inteligencija • Inženjerstvo keramike • Računarska tehnologija • Elektronika • Energija • Skladištenje energije • Inženjerska fizika • Tehnologija okoliša • Nauka o materijalima • Inženjerstvo materijala • Mikrotehnologija • Nanotehnologija • Nuklearna tehnologija • Optičko inženjerstvo • Kvantno računarstvo | |
| Sport i rekreacija | Oprema za kampiranje • Igralište • Sport • Sportska oprema | |
| Informacije i komunikacije | Komunikacija • Grafika • Muzička tehnologija • Prepoznavanje govora • Saobraćaj • Vizualna tehnologija | |
| Industrija | Konstruiranje • Finansijsko inženjerstvo • Manufaktura • Mašinsko inženjerstvo • Rudarstvo | |
| Vojska | Bombe • Oružije i municija • Vojna tehnologija i oprema • Pomorsko inženjerstvo | |
| Domaćinstvo | Tehnologija u domaćinstvu • Obrazovna tehnologija • Prehrambena tehnologija | |
| Inženjerstvo | Aerosvemirsko inženjerstvo • Inženjerstvo agrikulture • Arhitektonsko inženjerstvo • Bioinženjrstvo • Biohemijsko inženjerstvo • Biomedicinsko inženjerstvo • Hemijsko inženjerstvo • Civilno inženjerstvo • Računarsko inženjerstvo • Konstrukcijsko inženjerstvo • Inženjerstvo elektrike • Inženjerstvo elektrike • Inženjrstvo okoliša • Industrijsko inženjerstvo • Inženjerstvo materijala • Mehaničko inženjerstvo • Mehatroničko inženjerstvo • Metalurško inženjerstvo • Rudarsko inženjerstvo • Nuklearno inženjerstvo • Inženjerstvo goriva • Inženjerstvo softvera • Inženjerstvo strukture • Inženjrstvo tkiva | |
| Zdravlje i bezbijednost | Biomedicinsko inženjerstvo • Bioinformatika • Biotehnologija • Heminformatika | Tehnologija zaštite od vatre • Tehnologija zdravstva • Farmakologija • Inženjerstvo bezbijednosti • Sanitarno inženjerstvo | |
| Transport | Aerosvemir • Aerosvemirsko inženjerstvo • Pomorsko inženjerstvo • Motorna vozila • Svemirska tehnologija • Transport | |
