شناسایی مواد(علم مواد)

رشته بین رشته ای علوم مواد، که معمولا به نام علم مواد و مهندسی مواد نامیده می شود ، طراحی و کشف مواد جدید، به ویژه جامدات را شامل می شود.ریشه های فکری علم مواد از روشنگری ریشه می گیرد، زمانی که محققان تفکر تحلیلی از شیمی، فیزیک و مهندسی برای درک دیدگاه های باستان و پدیده شناختی در متالورژی و کانی شناسی استفاده کردند. علم مواد اصول فیزیک، شیمی و مهندسی را شامل می شود. ببه همین ترتیب، این زمینه به واسطه مؤسسات دانشگاهی به عنوان زیرمجموعه ای از این زمینه های مرتبط در نظر گرفته شده است.از دهه 1940، علم مواد به طور گسترده ای به عنوان یک رشته خاص و متمایز از علوم و مهندسی شناخته شد و دانشگاه های فنی عمده در سراسر جهان، مدارس اختصاصی این رشته را در مدارس علمی یا مهندسی ایجاد کردند.

علم مواد یک رشته ترکیبی متشکل از متالورژی، سرامیک، فیزیک جامدات و شیمی است. این اولین نمونه از یک رشته دانشگاهی در حال ظهور با همجوشی به جای شکافت است..
بسیاری از مشکلات فزاینده علمی که انسانها در حال حاضر مواجه هستند به دلیل محدودیت های مواد موجود و نحوه استفاده از آنها نشئت می گیرد،. بنابراین، پیشرفت ها در علم مواد به احتمال زیاد بر آینده فناوری تأثیر قابل توجهی خواهند داشت..

الماسی هشت وجهی که هفت صفحه کریستالوگرافی را که با میکروسکوپ الکترونی اسکن شده اند نشان می دهد.

دانشمندان مواد بر فهم اینکه چگونه تاریخچه یک ماده (پردازش آن) بر ساختار آن، و در نتیجه خواص و عملکرد آن ماده تاثیر می گذارد، تمرکز می کنند. درک روابط پردازش-ساختار-خواص، پارادایم ماده § نامیده می شود. این پارادایم برای پیشبرد تفاهم در زمینه های مختلف تحقیقاتی، از جمله فناوری نانو، مواد بیولوژیکی و متالورژی استفاده می شود. علم مواد نیز بخش مهمی از مهندسی پزشکی و تجزیه و تحلیل شکست است - بررسی مواد، محصولات، سازه ها یا اجزای سازنده ای که یا کار نمی کنند، و یا باعث صدمه شخصی یا خسارت به اموال می شوند. چنین تحقیقاتی برای درک، به عنوان مثال، علل حوادث هوایی مختلف، کلیدی هستند.

تاریخچه

در بررسی تاریخچه انتخاب یک دوره خاص، اغلب یک نقطه برای شروع تعریف است. عباراتی مانند عصرسنگی، عصر برنزی، عصر آهن و عصر فولادی، اگر از نمونه های دلخواه ما باشند، تاریخی هستند. علم مواد اولیه از تولید سرامیک و متالورژی مشتقات آن که یکی از قدیمی ترین انواع مهندسی و علوم کاربردی است. علم مواد مدرن به طور مستقیم از متالورژی تکامل یافته است، که خود متالورژی از استخراج مواد معدنی و (احتمالا) سرامیک و حتی قبلتر از آن از استفاده آتش تکامل یافته است. یک پیشرفت عمده در درک مواد در اواخر قرن نوزدهم رخ داده است، زمانی که دانشمند آمریکایی Josiah Willard Gibbs نشان داد که خواص ترمودینامیکی مربوط به ساختار اتمی در مراحل مختلف مربوط به خواص فیزیکی یک ماده است. عناصر مهم علم مواد مدرن محصولی از مسابقه فضایی هستند: درک و طراحی آلیاژهای فلزی، و مواد سیلیکا و کربن، که در ساخت وسایل نقلیه فضایی استفاده می شود امکان کاوش فضا را دارند. علم مواد، توسعه فن آوری های انقلابی مانند مواد رزینی، پلاستیک ها، نیمه هادی ها و مواد بیولوژیکی را هدایت می کند.

تیغه یا شمشیری از اواخر عصر برنزی

پیش از دهه 1960 (و در بعضی موارد دهه ها پس از آن)، بسیاری از بخش های علم مواد،بخش هایی از متالورژی نامگذاری شده بودند، که منعکس کننده تاکید قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بر فلزات بود. رشد علم مواد در ایالات متحده توسط بخشی از آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته سرعت بخشیده شد ،که از اوایل دهه 1960 به منظور گسترش برنامه ملی تحقیقات و آموزش های پایه در علم مواد یک سری از آزمایشگاهای دانشگاه ها را تأمین مالی می کرد. از آن زمان به بعد علم مواد گسترش یافت به طوری که شامل هر طبقه بندی ای از مواد، از جمله سرامیک، پلیمر، نیمه هادی، مواد مغناطیسی، مواد ایمپلنت پزشکی، مواد بیولوژیکی و نانومواد را شامل می شود. مواد مدرن در 3 گروه متمایز طبقه بندی می شوند: سرامیک، فلز و پلیمر. تغییر برجسته علم مواد در طول دو دهه اخیر استفاده کردن از روش های شبیه سازی کامپیوتر برای پیدا کردن ترکیبات جدید، پیش بینی خواص مختلف مواد است.

اصول

الگوی مواد دریک شکل چهارضلعی نشان داده
جسمی به عنوان یک ماده تعریف می شود (اغلب جامد، اما فاز های فشرده دیگر نیز می تواند شامل آن باشد) که در نظر گرفته شده تا برای کاربردی خاص مورد استفاده قرار گیرد. موادهای بیشماری در اطراف ما وجود دارد - آنها می توانند در هر چیزی از ساختمان ها تا فضاپیماها پیدا شوند. مواد معمولا به دو دسته تقسیم می شوند: کریستالی و غیر کریستالی. نمونه های غیر مدرن مواد عبارتند از فلزات، نیمه هادی ها، سرامیک ها و پلیمرها. مواد جدید و پیشرفته که در حال توسعه هستند عبارتند از نانومواد، مواد بیولوژیکی و ...

اساس علم مواد شامل مطالعه ساختار مواد و پیدا کردن ارتباط آنها با خواصشان می شود. هنگامی که یک دانشمند علم مواد در مورد این ارتباط بین ساختار با خواص مواد را می دانند، می تواند به بررسی عملکرد نسبی یک ماده در کاربرد مربوط به خودش ادامه دهد. عوامل اصلی تعیین کننده ساختار یک ماده و همچنین خواص عناصر شیمیایی تشکیل دهنده آن و نحوه شکل گیری عناصر در شکل نهایی ماده است. این خصوصیات، همراه با یکدیگر و از طریق قوانین ترمودینامیک و سینتیک مربوطه، بر ریزساختار مواد و به این ترتیب خواص آن می پردازد.

الگوی مواد دریک شکل چهارضلعی نشان داده

ساختار

همانطور که در بالا ذکر شد،ساختار یکی از مهمترین مولفه های علم مواد است. علم مواد ساختار مواد را در مقیاس اتمی بررسی می کند، تا تمام مقیاس های بزرگتر. دانشمندان علم مواد با توصیف صفات اختصاصی ساختار یک ماده را بررسی می کنند. این شامل روش هایی مانند انکسار اشعه ایکس، الکترون ها یا نوترون ها و انواع مختلف طیف سنجی و تجزیه و تحلیل شیمیایی مانند طیف سنجی رامان، طیف سنجی انرژی پراکنده (EDS)، کروماتوگرافی، تجزیه حرارتی، میکروسکوپ الکترونی و غیره است. ساختار در سطوح مختلف مورد مطالعه قرار گرفت، همانطور که در زیر شرح داده شده است.

ساختار اتمی
ساختار اتم این موضوع به اتم های مواد و نحوه چیدمان آنها برای تولید مولکول ها، کریستال ها و غیره بستگی دارد. بسیاری از خواص الکتریکی، مغناطیسی و شیمیایی مواد از این نحوه چیدمان و ساختار به وجود می آیند. در اینجا طولها همگی در مقیاس آنگستروم (Å) هستند. نحوه ای که اتمها و مولکول ها با یکدیگر پیوند ایجاد کرده اند و مرتب شده اند، برای مطالعه خواص و رفتار هر ماده ای، اساسی و ضروری است.

نانوساختار

ساختار نانو فولرن باکمنیستر
ساختار نانو با اشیاء و ساختارهایی که در محدوده 1-100 نانومتر قرار دارند، سروکار دارد. در بسیاری از مواد، اتم ها یا مولکول ها به هم متصل می شوند تا اشیاء را در مقیاس نانو تشکیل دهند که باعث بسیاری از ویژگی های جالب الکتریکی، مغناطیسی، نوری و مکانیکی می شود.

در توصیف ساختار نانو لازم است که بین ابعاد در مقیاس نانو فرق گذاشته شود. سطوح بافتی در مقیاس نانو دارای یک بعد در مقیاس نانو هستند، به عنوان مثال، تنها ضخامت سطح یک شی بین 0.1 تا 100 نانومتر است. نانولوله ها دارای دو بعد در مقیاس نانو هستند، یعنی قطر لوله بین 0.1 تا 100 نانومتر است اما طول آن می تواند بسیار بیشتر باشد. در نهایت، نانو ذرات کروی دارای سه بعد در مقیاس نانو هستند، یعنی ذرات در فاصله بین بعدها فضایی بین 0.1 و 100 نانومتر را در بر می گیرند. اصطلاح نانوذرات و ذرات بسیار ریز اغلب به صورت مترادف استفاده میشوند، اگرچه ذرات بسیار ریز می تواند به محدوده میکرومتر نیز برسد. اصطلاح "ساختار نانو" اغلب در هنگام اشاره به تکنولوژی مغناطیسی استفاده می شود. ساختار نانو در زیست شناسی اغلب فراصوت نامیده می شود.

موادی که اتمها و مولکولها، ذرات آنرا در مقیاس نانو تشکیل می دهند (به عنوان مثال آنها ساختار نانو را تشکیل می دهند) نانومواد نامیده می شوند.مواد نانو به علت ویژگی های منحصر به فردی که از خود نشان می دهند ،بسیار زیاد در جامعه علم مواد مورد تحقیق و پژوهش قرار می گیرند.

ریزساختار آلیاژ از آهن و کربن

ساختار میکرو

ریز ساختار(ساختار میکرو) به عنوان ساختار سطح آماده شده یا فویل نازکی از مواد تعریف شده است که توسط میکروسکوپی با بزرگنمایی بالای 25 × نشان داده شده است. که با اشیایی در اندازه 100 نانومتر تا چند سانتی متر سروکار دارد. میکروساختار یک ماده (که به طور گسترده ای می تواند به دسته های فلزی، پلیمری، سرامیکی و کامپوزیتی طبقه بندی شود) می تواند به شدت بر خواص فیزیکی نظیر مقاومت، انعطاف پذیری، سختی، مقاومت در برابر خوردگی، رفتار ئر درجه حرارت بالا / پایین، مقاومت در برابر سایش و غیره تاثیر بگذارد . اکثر مواد سنتی (مانند فلزات و سرامیک) جزو مواد با ساختار میکرو هستند.

ساخت یک کریستال کامل از یک ماده از لحاظ فیزیکی غیرممکن است. به عنوان مثال، هر ماده بلوری حاوی نقص هایی مانند رسوبات، مرزهای دانه (رابطه Hall-Petch)، جای خالی، اتم های بینابینی یا اتم های جایگزین است. ریز ساختار مواد نشان دهنده این نقایص بزرگ است، به طوری که آنها می توانند مورد مطالعه قرار بگیرند، با پیشرفت های قابل توجه در شبیه سازی، در نتیجه افزایش درک فزاینده ای از چگونگی استفاده از نقص ها برای افزایش خواص مواد می شود.