علم مواد چیست؟ – کاربرد، شاخه ها و اهمیت به زبان ساده

فیلم آموزش آنالیز در مهندسی و علم مواد (الف) (رایگان) در فرادرس

علم مواد به کاوش ساختار مواد، ویژگی‌های آن‌ها، عملکرد آن‌ها، ویژگی‌های ظاهری و فرآیند‌های آن‌ها می‌پردازد. علم مواد گستره وسیعی از مواد مانند فلزات، سرامیک‌ها، پلیمر‌ها و کامپوزیت‌ها را در برمی‌گیرد. با درک کامل اینکه علم مواد چیست، دانشمندان و مهندسان می‌توانند موادی را تولید کنند که خواص ویژه‌ای برای استفاده در کاربرد‌های خاص دارند.

اصول علم مواد بر ۴ گوشه یک هرم — هرم اصول پایه علم مواد

علم مواد علم مطالعه ساختار و ویژگی‌های مواد جامد از لحاظ ماکروسکوپی و میکروسکوپی است. علم مواد یکی از خروجی‌های حوزه علم فیزیک حالت جامد، متالورژی، سرامیک و شیمی است زیرا بسیاری از مفاهیم به تنهایی و با استفاده از تعاریف و قوانین یک علم قابل توضیح نیست.

هدف علم مواد چیست؟

این علم بر کشف، طراحی، و استفاده از موادی که ویژگی‌های جدیدی را نمایش می‌دهند، تمرکز دارد. هدف این علم،‌ درک رابطه بین ساختار مواد در مقیاس اتمی یا مولکولی با خواص ماکروسکوپی آن‌ها است. با درکی ساده از ویژگی‌های مواد، می‌توان آن‌ها را برای بسیاری از کاربرد‌ها انتخاب و طراحی کرد. از علم مواد می‌توان در زمینه‌های بسیار از ساختار استیل گرفته تا تولید میکروچیپ‌های کامپیوتر استفاده کرد.

فیلم آموزش متالورژی فیزیکی مواد ۱ – مرور و حل تست کنکور ارشد در فرادرس

علم مواد برای بسیاری از زمینه‌های علوم مهندسی با اهمیت است. از این علم در الکترونیک، هوافضا، ارتباطات از راه دور، فرآیندهای اطلاعات، انرژی هسته‌ای و تبدیل انرژی استفاده می‌شود.

مثال علم مواد

علم مواد یکی از علوم مشترک است که علوم شیمی، فیزیک، مهندسی را به هم مرتبط می‌کند. این علم، یکی از علوم بسیار حیاتی در شناخت و تغییر ساختار مواد برای استفاده در صنایع مختلف است. این علم مشترک، به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا بتوانند موادی بسیار محکم‌تر، بادوام‌تر و بیشتر دوست‌دار محیط زیست تولید کنند. در این علم دانشمندان با مطالعه ساختار اتمی و رفتار مواد، می‌توانند راه‌حل‌هایی بسازند تا پیشرفت زیادی در زمینه‌هایی همچون علوم پزشکی و هوافضا داشته باشند.

فیلم علم چیست؟ + اهمیت آن در زندگی (فیلم آموزش رایگان) در فرادرس

برای مثال، گرافن نوعی از اتم‌های کربن تک لایه‌ای است که ساختار شش گوشه منتظم دارد و یکی از مهم‌ترین کشف‌های علم مواد است. به دلیل استحکام ویژه این ماده، رسانایی آن، انعطاف و شفافیت آن، در بسیاری از کاربردهای تکنولوژی و وسایل الکترونیک استفاده می‌شود.

شش ضلعی‌های منتظم متصل به هم — ساختار مولکولی گرافن

یادگیری علم مواد با فرادرس

علم مواد شاخه‌ای از علوم مهندسی است که به مطالعه ویژگی‌ها، ساختار و رفتار مواد مختلف می‌پردازد. برای درک این حوزه، ابتدا باید با مفاهیمی مانند ساختار بلوری مواد، خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی آن‌ها و همچنین روش‌های شناسایی و بررسی مواد آشنا شوید. شناخت این مباحث به شما کمک می‌کند تا درک کنید چرا برخی مواد در صنایع خاصی استفاده می‌شوند، چگونه می‌توان خواص مواد را بهبود داد و چه عواملی بر عملکرد آن‌ها تأثیر می‌گذارند. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مفاهیم به مجموعه فیلم آموزش مهندسی مواد از دروس دانشگاهی تا کاربردی مراجعه کنید که به زبانی ساده اما کاربردی، اصول اساسی و روش‌های بررسی مواد را آموزش می‌دهد.

برای مشاهده مجموعه فیلم آموزش مهندسی مواد فرادرس، روی تصویر کلیک کنید.

همچنین با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه علم مواد دسترسی داشته باشید.

اصول علم مواد

در قلب مطالعه علم مواد، مطالعه ساختار اتمی و مولکولی مواد نهفته است. همچنین، اندازه‌گیری و شناخت ویژگی‌ها و عملکرد این مواد نیز بسیار حائز اهمیت است.

این فرآیند‌ها و مطالعات شامل اصولی مانند کریستالو‌گرافی (علم ساختار‌های بلوری) و شیمی مواد (علم مطالعه ترکیب شیمیایی مواد و واکنش‌های آن‌ها ) نهفته است.

کریستالوگرافی

کریستالوگرافی شاخه‌ای از علوم است که ساختار و نحوه جای‌گیری اتم‌ها را در یک ساختار بلوری جامد بررسی می‌کند و اطلاعاتی را در مورد ویژگی‌های این مواد ارائه می‌دهد.

کریستالوگرافی چیست ؟ — بلورشناسی و بلورنگاری به زبان ساده

فیلم آموزش علم مواد – حل مساله + گواهینامه در فرادرس

شیمی مواد

علم مواد شاخه‌ای متنوع از علم است که بر روی مطالعه ویژگی‌ها، ساختار و رفتار مواد استفاده شده در وسایل و مواد مختلف تمرکز دارد. این علم رابطه بین ساختار مولکولی و اتمی مواد را با ویژگی‌های ماکروسکوپی آن‌ها بررسی میکند.

این علم بر پایه درک سه حوزه‌ی اساسی ساختار، ویژگی و رفتار مواد بنا شده است. شیمی مواد بر روی سنتز و تولید، ساختار شیمیایی و ویژگی‌های شیمیایی مواد تمرکز می‌کند. هدف این علم، تولید و ساخت مواد جدید یا ارتقای مواد موجود است.

sیک مولکول شیمیایی با اتم‌های c و Si — ساختار مولکولی سیلیکون کاربید

برای مثال، سیلیکون کاربید با فرمول شیمیایی SiC یک نیمه‌هادی است که در شرایط ولتاژ بالا و دمای بالا از آن استفاده می‌شود. زیرا این ماده رسانایی گرمایی و ویژگی‌های الکتریکی خاصی دارد. استفاده از این ماده در ماشین‌های الکتریکی و وسایل الکترونیکی انرژی بالا نشان‌دهنده درک این موضوع است که علم مواد در مقیاس مولکولی چیست.

ساختار مواد

ساختار مواد به نحوه قرارگیری اتم‌ها و مولکول‌ها در مواد اشاره دارد. این ساختار‌های میکروسکوپی بر ساختار ماده در مقیاس ماکروسکوپی و ویژگی‌های آن‌ها اثر می‌گذارد. مواد از لحاظ ساختار اتمی، ساختار کریستالی و ساختار آمورف بررسی می‌شوند.

ساختار اتمی: نحوه‌ قرارگیری اتم‌ها در ماده
ساختار کریستالی: الگوی‌های نرمال و تکرار شونده در موادی مانند فلزات و سرامیک‌ها
ساختار آمورف: ساختار نامنظم و بدون الگوی اتم‌ها در موادی مانند شیشه و پلیمر

خواص مواد

علم مواد همچنین خواص مکانیکی مانند استحکام، سختی و نرمی مواد را بررسی می‌کند. این ویژگی‌ها برای کاربرد‌های خاص مواد مانند ساخت پل‌ها، طراحی موشک‌های فضایی و تولید و ساخت وسایل پزشکی بسیار مهم هستند. برای مثال، شیشه گوریلا که در گوشی‌های موبایل و تبلت‌ها استفاده می‌شود، یکی از نتیجه‌های تحقیقات علم مواد با هدف تولید شیشه با دوام و ضد خش بوده است.

خواص مواد از پنج جنبه خواص مکانیکی، خواص گرمایی، خواص الکتریکی، خواص مغناطیسی و خواص شیمیایی بررسی می‌شوند. شناخت این خواص به درک اینکه علم مواد چیست، کمک می‌کند.

خواص مکانیکی: خواصی مانند استحکام، سختی، چکش‌خواری و سفتی
خواص حرارتی: خواصی مانند ظرفیت گرمایی، هدایت گرمایی و انبساط
خواص الکتریکی: خواصی مانند رسانایی الکتریکی یا مقاومت
خواص مغناطیسی: خواصی مانند نفوذ‌پذیری و پسماند مغناطیسی
خواص شیمیایی: خواصی مانند مقاومت خوردگی و واکنش‌پذیری

پردازش مواد

پردازش مواد به فرآیند‌هایی گفته می‌شود که برای تبدیل مواد موجود به مواد مورد نظر با فرم و شکل جدید انجام می‌شود. پردازش مواد می‌تواند شامل فرآیند‌هایی مانند ذوب کردن، ریخته‌گری، شکل‌دهی و ماشین‌کاری باشد و می‌تواند برای بهبود یا تغییر ساختار مواد به کار رود.

پردازش مواد می‌تواند با توجه به نوع پردازش، به چند دسته پردازش مکانیکی، پردازش گرمایی، پردازش شیمیایی، ریخته‌گری و قالب‌ریزی، پردازش پودری و پردازش مواد کامپوزیت تقسیم شود. در ادامه هریک از این روش‌ها به شکلی مختصر توضیح داده می‌شود.

پردازش مکانیکی

پردازش مکانیکی شامل تغییرات فیزیکی مواد خام با استفاده از نیروهای مکانیکی است. این روش های شامل برش‌کاری، آسیاب کردن و ماشین‌کاری است.

پردازش گرمایی

پردازش گرمایی شامل فرآیند‌هایی است که در آن‌ها خواص فیزیکی و گاهی خواص شیمیایی مواد با استفاده از گرما تغییر می‌کند. این فرآیندها شامل تاب‌کاری، سرمادهی و بازپخت مواد است.

پردازش شیمیایی

پردازش شیمیایی شامل واکنش‌های شیمیایی است که برای تغییر مواد خام استفاده می‌شود. این روش‌ها شامل فرآیند‌های ذوب‌کاری (گدازگری)، الکترولیز و پلیمریزاسیون مواد است.

ریخته‌گری و قالب ریزی

این پردازش ها شامل شکل‌دهی به مواد با ریختن آن‌ها در قالب است. این فرایند‌ها شامل ریخته‌گری، قالب‌ریزی تزریقی و قالب‌ریزی دمشی است.

تصویر مایع مذاب در حال ریختن روی شن — ریخته‌گری و قالب‌ریزی

پردازش پودری

این پردازش‌ها شامل فشرده‌کردن و کلوخه‌سازی مواد پودری برای تولید جامد است. این فرآیند‌ها شامل متالورژی پودری و پردازش سرامیک است.

پردازش مواد ترکیبی

پردازش مواد ترکیبی یا کامپوزیت‌ها شامل فرآیند‌های ترکیب مواد برای تولید کامپوزیت‌ها است. این فرآیندها شامل موادری مانند ورقه‌سازی، رشته پیچی و فرآیند کشش الیاف است.

عملکرد و رفتار مواد

عملکرد مواد بدین معنی است که رفتار مواد در شرایط متفاوت دنیای واقعی چگونه است. برای مثال رفتارهایی مانند ظرفیت، دما و اثرات زیست محیطی در علم مواد برای مواد مختلف بررسی می‌شود.

مواد مورد بررسی در علم مواد کدامند؟

علم مواد یکی از علوم است که از مفاهیم علومی مانند فیزیک، شیمی و مهندسی استفاده می‌کند. در قسمت‌های قبل آموختیم هسته علم مواد چیست و بر بررسی و مطالعه ساختار و کاربرد مواد تمرکز دارد. این علم با بررسی و کاوش ساختار، ویژگی‌ها، فرآیند‌ها و عملکرد مواد، هدف ارتقای اختراعات برای پاسخ به بسیاری از نیازهای بشر را دنبال می‌کند.

این نیازها و کاربردها از مواردی مانند تولید انرژی تا وسایل الکترونیکی گسترده است. در ادامه برخی از مفاهیم پایه علم مواد را توضیح می‌دهیم.

مواد

مواد به ماده‌ها یا عناصری که وسیله‌ها را تشکیل می‌دهند، گفته می‌شود. در علم مواد، ماده به دسته‌های فلزات، پلیمر‌ها و کامپوزیت‌ها تقسیم می‌شوند و هر یک از این دسته‌ها، ویژگی‌ها و کاربرد خاص خود را دارند.

برای مثال، فولاد ضد زنگ یک آلیاژ از فلزات آهن، کروم و در برخی از مواد نیکل است. از این آلیاژ به شکلی گسترده و فراوان در زمینه‌های مصرف خانگی و صنعتی استفاده می‌شود. این آلیاژ در برابر خوردگی مقاوم است و به راحتی نگه‌داری می‌شود و به صورت لایه‌ای روی سایر مواد اعمال می‌شود.

ماده چیست؟ – ویژگی ها و حالت ها به زبان ساده

انواع مواد

مواد برای بررسی و آزمایش بهتر در علم مواد به چند دسته فلزات، پلیمرها، سرامیک و کامپوزیت دسته‌بندی می‌شوند. در ادامه توضیح می‌دهیم که مفهوم هریک از این دسته‌بندی‌ها در علم مواد چیست.

فلزات

بیشتر عناصر جدول تناوبی فلز هستند. فلزات به دلیل شکل‌پذیری، چکش‌خواری، رسانایی بالای الکتریکی و حرارتی و سطح براق که نور را منعکس می‌کند، شناخته می‌شوند. پیوند فلزی، که در آن الکترون‌های ظرفیتی در سراسر ساختار جامد به اشتراک گذاشته می‌شوند، موجب ایجاد الکترون‌های آزاد می‌شود که مسئول ویژگی‌های الکتریکی، حرارتی و نوری فلزات هستند.

چند نوع فلز به همراه تصویر ان ها — انواع فلزات

فلزات خالص محدودیت‌هایی دارند که کارایی آن‌ها را در برخی کاربردها کاهش می‌دهد. برای رفع این مشکل، دانشمندان مواد و مهندسان با ترکیب چند عنصر، آلیاژهایی تولید می‌کنند که عملکرد بهتری نسبت به فلزات خالص دارند. این ترکیبات می‌توانند استحکام و سختی بیشتری داشته باشند، در برابر خوردگی مقاوم‌تر باشند و خواص الکتریکی یا حرارتی بهتری ارائه دهند. از این رو، آلیاژسازی به عنوان یکی از روش‌های کلیدی در مهندسی مواد، نقش مهمی در بهینه‌سازی ویژگی‌های فلزات برای استفاده‌های صنعتی ایفا می‌کند.

فلزات خود به دو دسته آهنی و غیرآهنی دسته بندی می‌شوند.

فلزات آهنی: فلزاتی که عنصر آهن را به عنوان عنصر اصلی در ساختار خود دارند مانند فولاد و آهن پرداخت شده
فلزات غیرآهنی: فلزاتی که در ساختار شیمیایی خود شامل فلز آهن نیستند مانند آلومینیوم، مس و تیتانیوم

فلز و نافلز چیست؟ — به زبان ساده

پلیمرها

پلیمرها مولکول‌های بزرگی هستند که از به هم متصل شدن چندین واحد مولکولی تکرار شونده به یکدیگر تشکیل شده‌اند. واژه پلیمر از واژه یونانی (polymer) به معنی چندین قسمت گرفته شده است. پلیمرها ساختار بسیاری از مواد اطراف ما را تشکیل داده‌اند. برای مثال DNA در بدن و انواع پلاستیک‌ها انواعی از پلیمر هستند.

بیشتر پلیمرهایی که در اطراف ما وجود دارند، دارای زنجیره اصلی هیدروکربنی هستند. این ستون فقرات مولکول، زنجیره‌ای بلند از اتم‌های کربن و هیدروژن است که به دلیل چهارظرفیتی بودن کربن به‌ راحتی تشکیل می‌شود. پلیمرها از لحاظ ساختار شیمیایی به دو دسته سبک و سنگین تقسیم می‌شوند.

پلیمرهای سبک: پلیمرهایی با ساختارهای ساده و سبک‌تر هستند که در برابر خوردگی مقاومند.
پلیمرهای سنگین: این پلیمرها از مولکول‌هایی بزرگ تشکیل شده‌اند و بیشتر برای مواردی مانند بسته‌بندی و عایق کردن استفاده می‌شوند.

پلیمرها همچنین از لحاظ نحوه تولید نیز می‌توانند به سه دسته پلیمر‌های طبیعی و مصنوعی (سنتزی) و نیمه‌مصنوعی تقسیم شوند.

پلیمر طبیعی: این پلیمرها به طور طبییعی در گیاهان و حیوانات یافت می‌شوند. برای مثال، پروتئین‌ها، سلولز و نشاسته از این نوع هستند.
پلیمر سنتزی: توسط انسان ساخته می‌شوند. برای مثال، نایلون ۶،۶ و پلی‌اتر‌ها از این دسته هستند.
پلیمر نیمه مصنوعی: این پلیمرها از پلیمرهای طبیعی به دست آمده و با تغییرات شیمیایی اصلاح می‌شوند. برخی نمونه‌های آن عبارتند از نیتروسلولز و استات سلولز.

بطری‌های پلاستیکی و تایر و پارچه — مواد پلیمری

پلیمرها را همچنین می‌توان بر اساس خاصیت‌های دیگر نیز دسته بندی کرد که در ادامه نام برده شده است. دسته بندی پلیمرها بر اساس زنجیره مونومر به شکل زیر است.

پلیمرهای خطی: زنجیره مونومری آن‌ها بلند و خطی است.
پلیمرهای شاخه‌ای: زنجیره مونومری آن‌ها شاخه‌دار است.
پلیمرهای ضربدری: این پلیمرهای ساختاری پیچیده دارند.

پلیمر یا بسپار چیست؟ | به زبان ساده

فیلم آموزش آنالیز پیشرفته مواد – جامع و کاربردی در فرادرس

سرامیک

سرامیک‌ها جامدات غیر فلزی و غیر آلی هستند که به اندازه‌ی کافی مقاوم بوده و برای کاربردهای سازه‌ای مناسب‌اند. سرامیک‌های سنتی عمدتا از سیلیکات‌های فلزی یا آلومینوسیلیکات‌ها ساخته می‌شوند و در تولید سفال، چینی، آجر و بتن کاربرد دارند. اما سرامیک‌های مدرن شامل طیف گسترده‌تری از مواد هستند و به دو دسته‌ی کلی سرامیک‌های اکسیدی و غیر اکسیدی تقسیم می‌شوند.

سرامیک‌های اکسیدی: سرامیک‌های اکسیدی که بر پایه‌ی اکسیدهای فلزی مانند آلومینا ( $Al_2O_3$ )، زیرکونیا ( $ZrO_2$ ) و بریلیا (BeO) هستند.
سرامیک‌های غیر اکسیدی: این سرامیک‌ها شامل فلزاتی مانند سیلیکون کاربید (SiC) و تنگستن کاربید (WC) یا نیتریدهای فلزی مانند سیلیکون نیترید ( $Si_3N_4$ ) و بور نیترید (BN) هستند.

یکی از چالش‌های مهم در علم مواد این است که چگونه می‌توان از ویژگی‌های مطلوب سرامیک‌ها مانند پایداری حرارتی و شیمیایی، مقاومت در برابر اکسایش و سختی بالا بهره برد و در عین حال شکنندگی آن‌ها را کاهش داد تا در کاربردهای جدید مورد استفاده قرار گیرند. سرامیک‌ها به دو دسته‌بندی تقسیم میشوند که یکی از آن‌ها سرامیک‌های مقاوم و دیگری سرامیک‌های کاربردی هستند.

سرامیک مقاوم: این سرامیک‌ها ساختاری سخت دارند و از استحکام بالایی برخوردارند. این سرامیک‌ها در برابر گرما و خوردگی مقاومند.
سرامیک کاربردی: این سرامیک‌ها در وسایلی مانند وسایل برش و وسایل به کار برده شده در هواپیماها و فضاپیماها به کار می‌روند.

کامپوزیت

کامپوزیت‌ها موادی ترکیبی از دو یا چند ماده هستند تا خواص بهتری نسبت به ترکیبات سازنده آن‌ها داشته باشند. برای مثال، پلیمرهای کربنی و فایبرگلاس از این نوع مواد هستند. کامپوزیت‌ها معمولا از دو جزء مجزا تشکیل شده‌اند. یکی از آن‌ها ماتریس و دیگری الیاف هستند.

ماتریس: ماتریس بخش اصلی ماده را تشکیل می‌دهد.
الیاف: الیاف یا ذرات، درون ماتریس پراکنده شده‌اند و با جلوگیری از نقص‌ها در ماده‌ی حجیم از رشد ترک‌ها جلوگیری می‌کنند.

این ترکیب باعث می‌شود که ماده‌ی حاصل نسبت به هر یک از اجزا به تنهایی سخت‌تر، سفت‌تر و در برابر خوردگی مقاوم‌تر باشد. یکی از کاربردهای گسترده‌ی کامپوزیت‌ها در صنایع هوافضا است. کامپوزیت‌ها قابلیت قالب‌گیری دارند. به همین‌ دلیل، استفاده از کامپوزیت‌ها نه‌ تنها وزن هواپیما و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش می‌دهد، بلکه امکان طراحی‌های جدید را نیز فراهم می‌کند.

کامپوزیت‌ها بر اساس نوع ماتریسی که در آن‌ها استفاده می‌شود، به سه دسته کامپوزیت پلیمری، کامپوزیت فلزی و کامپوزیت سرامیکی تقسیم می‌شوند.

کامپوزیت پلیمری: ماتریس این کامپوزیت‌ها از پلیمرها تشکیل شده است.
کامپوزیت فلزی: ماتریس این کامپوزیت‌ها از فلز تشکیل شده است.
کامپوزیت سرامیکی: ماتریس این کامپوزیت‌ها از سرامیک تشکیل شده است.

یکی از روش‌های مطالعه و مطلع شدن از نوع ماده، آنالیز ماده با دستگاه‌ها و روش های مختلف است. ابا این روش‌ها می‌توان ساختار داخلی مواد و خواص آن را پیدا کرد. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر و آشنایی با این روش‌ها، فیلم آموزش آنالیز پیشرفته مواد فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

خلوص مواد

در بسیاری از کاربردهای علمی و فناوری پیشرفته، خواص فیزیکی و شیمیایی مواد باید بسیار پایدار و در محدوده‌های مشخص و دقیقی کنترل شوند. این خواص بسته به کاربرد مواد متفاوت است، اما وجه اشتراک بسیاری از آن‌ها حساسیت شدید به تغییرات جزئی در ترکیب شیمیایی ماده است. وجود ناخالصی‌ها حتی در مقادیر بسیار اندک (در حد کسری از درصد) می‌تواند تاثیر چشمگیری بر رسانایی الکتریکی، برهم‌کنش با نور، واکنش‌پذیری شیمیایی یا مقاومت در برابر شرایط محیطی بگذارد.

به همین دلیل، مواد اولیه با خلوص بسیار بالا در بسیاری از زمینه‌ها ضروری هستند. روش‌هایی مانند رشد بلور و سایر فرآیندهای پیشرفته برای تولید مواد با خلوص بالا و فوق‌العاده بالا، تا ۹۹٫۹۹۹۹٪، استفاده می‌شوند که میزان ناخالصی‌های عناصر در آن‌ها به سطح ppb (بخش در میلیارد) کاهش یافته است. روش‌های تجزیه و تحلیل پیشرفته مانند پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف‌سنجی جرمی تخلیه تابشی (GDMS) و آنالیز سطح ویژه BET برای بررسی ترکیب عنصری و خواص ساختاری مواد به کار گرفته می‌شوند تا بتوان از عملکرد خوب آن‌ها اطمینان حاصل کرد.

درصد خلوص چیست؟ – توضیح فرمول و انواع به زبان ساده

جدول تناوبی عناصر

اجزای بنیادی علم مواد همان عناصر شیمیایی هستند. یک عنصر شیمیایی بر اساس تعداد پروتون‌های موجود در هسته‌اش تعریف می‌شود. این عناصر در جدولی به نام جدول تناوبی عناصر به ترتیب افزایش عدد اتمی مرتب شده‌اند. هیدروژن، که در بالای جدول قرار دارد، سبک‌ترین عنصر با تنها یک پروتون است، در حالی که سنگین‌ترین عنصر طبیعی، پلوتونیوم، دارای ۲۴۴ پروتون است.

دانشمندان همچنین توانسته‌اند عناصر سنگین‌تری را در آزمایشگاه‌های هسته‌ای بسازند که همگی رادیواکتیو بوده و به سرعت دچار واپاشی می‌شوند. تاکنون ۲۴ عنصر مصنوعی تا عنصر ۱۱۸ (اوگانسون) با ۲۹۴ پروتون سنتز شده‌اند و با پیشرفت فناوری، احتمال اضافه شدن عناصر جدید نیز وجود دارد.

جدولی با خانه‌های رنگی — جدول تناوبی عناصر

عناصر، تمام دنیای اطراف ما را تشکیل می‌دهند. از هوایی که تنفس می‌کنیم تا خودروهایی که می‌رانیم از عناصر شیمیایی تشکیل شده‌اند. در حالی که رشته‌هایی مانند شیمی رفتار عناصر را به‌طور مستقل و در ترکیب با سایر عناصر بررسی می‌کنند، علم مواد فراتر رفته و روش‌های جدیدی برای دستکاری و ترکیب عناصر ارائه می‌دهد. این علم به‌طور ویژه به بهره‌گیری از خواص الکتریکی، مغناطیسی و نوری عناصر بزرگ‌تر، مانند عناصر قلیایی خاکی، توجه دارد.

مواد نوظهور

مواد نوظهور موادی هستند که در نتیجه تحقیقات انجام شده در علم مواد و اختراعات جدید و به منظور کاربردهای مختلف برای نیازهای بشر تولید شده‌اند. این مواد، موادی مانند نیمه‌هادی‌ها، نانو مواد، مواد آلی- فلزی و ... هستند. در ادامه بررسی می‌کنیم منظور از مواد نوظهور در علم مواد چیست.

نیمه هادی ها

نیمه‌هادی‌ها موادی هستند که رسانایی آن‌ها مقداری بین رسانایی رساناها و مواد عایق است. این مواد به علت تغییرپذیری رسانایی‌شان از اهمیت بالایی برخوردارند. رسانایی الکتریکی در این مواد به حامل‌های بار الکتریکی بستگی دارد. جریان الکتریکی به تعداد الکترون‌های متحرک در ساختار این مواد و حفره‌ها (جای خالی الکترون در ساختار شیمیایی) آن‌ها بستگی دارد.

مهم‌ترین نیمه‌رساناها موادی مانند سیلیکون و ژرمانیم هستند. با این‌حال، دانشمندان علم مواد، همواره درحال کشف و مهندسی نیمه‌رساناهای جدید مانند نقاط کوانتومی هستند. عناصر شبه‌فلزی در جدول تناوبی عموما در ساخت نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شوند. این مواد نیمه‌رسانا هستند و خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها بین فلزات و نافلزات است. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مواد، مطلب «شبه‌فلزات در جدول تناوبی» مجله فرادرس را مطالعه کنید.

نیمه هادی ها — معرفی جامع ساختار و انواع — ساده و رایگان

نانو مواد

نانو مواد موادی با مولکول‌هایی در مقیاس نانو ( $10^{-9}$ ) هستند. تنوع ساختاری نانو مواد بسیار زیاد است. این مواد، می‌توانند ساختاری کشیده مانند نانولوله‌ها و نانو سیم‌ها را داشته باشند یا ساختاری پیچیده مانند نانو حلقه‌ها، نانو مکعب‌ها و باکی‌بال‌ها را داشته باشند.

تصویر یک توپ تشکیل شده از کره و میله — تصویر یک نانوساختار باکی‌بال

هیچ محدودیتی برای شکل ساختاری نانو مواد وجود ندارد و به همین علت کاربرد‌های آن‌ها بسیار زیاد است. یکی از‌ مهم‌ترین نانو مواد، گرافن است. این ماده، لایه‌ای دو بعدی از اتم‌های کربن است که در یک شبکه شش ضلعی قرار گرفته‌اند. گرافن بسیار نازک و مستحکم است و دارای رسانایی گرمایی و الکتریکی بالا و شفافیت نوری و سطح ویژه زیادی است.

نانو (Nano) — به زبان ساده

مواد آلی - فلزی

مواد آلی - فلزی شامل عنصری فلزی هستند که با پیوند کووالانسی به یک اتم کربن متصل شده‌اند. این ترکیبات هیبریدی آلی - معدنی کاربردای فراوانی دارند که از آن‌ها می‌توان به کاتالیزورهای آلی - فلزی و موادی برای سنتز نیمه‌هادی‌ها و نانومواد اشاره کرد.

ترکیبات آلی فلزی — به زبان ساده

فیلم آموزش علم مواد – مرور و حل تست کنکور ارشد + گواهینامه در فرادرس

پروسکایت ها

مواد پروسکایتی دارای ساختار بلوری معدنی با فرمول شیمیایی (تیتانات کلسیم) هستند. این مواد دارای ویژگی‌هایی چون مقاومت مغناطیسی زیاد، رسانایی یونی، خواص دی الکتریکی و فروالکتریسیته هستند. این مواد در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی استفاده می‌شوند و جایگزین سلول‌های خورشیدی امروزی سیلیکونی هستند.

مکسین ها

مکسین‌ها نوعی سرامیک دو بعدی هستند که از نیتریدها، کاربیدها یا کربونیتریدهای فلزت واسطه تشکیل شده‌اند. این مواد ویژگی‌های فلزات و سرامیک‌ها را به شکلی همزمان دارند. برای مثال، این مواد دارای رسانایی الکتریکی و گرمایی، مقاومت حرارتی بالا و ظرفیت الکتروشیمی بالا هستنند. از این مواد در باتری‌های لیتیوم یونی، ابرخازن‌ها، تصفیه آب و ... استفاده می‌شود.

چارچوب های فلزی - آلی (MOF)

چارچوب‌های آلی - فلزی ترکیباتی هستند که از لحاظ عنصری به مواد آلی - فلزی شباهت دارند اما ساختار‌های شیمیایی بزرگ‌تر و پیچیده‌تری دارند. در این مواد، یون‌های فلزی به لیگاندهای آلی متصل می‌شوند. این مواد به دلیل تخلخل بالا و سطح ویژه گسترده، به عنوان الکتروکاتالیست برای شکافت آب و کاهش کربن دی اکسید شناخته می‌شوند. این مواد جاذب گاز هستند و از این ویژگی آن‌ها برای ذخیره سازی هیدروژن، جذب کربن و سایر فرآیند‌های دوست دار محیط زیست استفاده می‌شود.

شاخه‌های علم مواد

در قسمت‌های قبل‌ آموختیم علم مواد چیست. این علم به مطالعه ساختار ویژگی‌های مواد جامد می پردازد. برخی از دانشمندان علم مواد با مطالعه علم مواد با هدف تولید مواد جدید، بر روی کنترل و هدایت واکنش‌های شیمیایی مواد تمرکز دارند. برخی دیگر بیشتر بر روی علوم کربردی و قسمت مهندسی این علم کار می‌کنند و مواد را برای کاربردهای خاص آزمایش و تولید می‌کنند.

به دلیل گستردگی این علم، دانشگاه‌ها و مراکز آموزشی این علم را به شاخه‌هایی تقسیم می‌کنند که در ادامه توضیح داده شده است.

سرامیک و شیشه

سرامیک و شیشه یکی از قدیمی‌ترین نوع علوم بوده‌اند. اولین ظروف سرامیکی حدود ۱۲۰۰۰ سال پیش تولید شده‌اند. بسیاری از وسایل روزمره زندگی انسان‌ها مانند وسایل آشپزخانه، سkگ‌های توالت، سینک‌ها و شیشه‌های پنجره‌ها همچنان جزو این دسته از علم مواد حساب میشوند.

تصویر یک گوشی نوکیا در دست — شیشه گوریلا روی صفحه کوشی نوکیا N8

برای مثال، توسعه شیشه گوریلا ( شیشه‌ای با استحکام بالا و دوام زیاد که تقریبا در تمام صفحات لمسی استفاده می‌شود) تحولی در بسیاری از حوزه‌های فناوری ایجاد کرده است. سرامیک‌های پرقدرت مانند سیلیکون کاربید و بورون کاربید دارای کاربردهای گسترده‌ای در صنعت و صنایع نظامی هستند. همچنین، مواد دیرگداز در محیط‌های با دمای بالا، از راکتورهای هسته‌ای گرفته تا پوشش حرارتی فضاپیماها، به کار می‌روند. در حوزه پزشکی نیز، دوام و استحکام سرامیک‌ها آن‌ها را به یکی از اجزای اصلی بسیاری از مفاصل مصنوعی تبدیل کرده است.

پلیمر

در زمینه پلیمر بیشتر با مواد پلاستیک و الاسترومرها کار می‌شود. این مواد، موادسبک و انعطاف پذیری هستند که از مولکول‌های بلندزنجیر تشکیل شده‌اند. این مواد در محصولاتی مانند بطری‌های پلاستیکی، نوشیدنی‌ها، تایرهای خوردو و جلیقه‌های ضد گلوله استفاده میشوند.

دانشجویانی که پلیمرها را مطالعه می‌کنند، باید مهارتی قوی در شیمی آلی داشته باشند. در محیط‌های کاری، دانشمندان به دنبال تولید پلاستیک‌هایی با ویژگی‌های مورد نیاز مانند استحکام، انعطاف‌پذیری، سختی، مقاومت حرارتی و حتی ویژگی‌های نوری مناسب برای کاربردهای مختلف هستند. برخی از چالش‌های کنونی این حوزه شامل توسعه پلاستیک‌هایی است که در محیط زیست تجزیه شوند.

فلزات

علم متالورژی که به دانش مواد فلزی مربوط می‌شود، تاریخی بسیار قدیمی دارد. فلز مس حدود ۱۰۰۰۰ سال است که توسط انسان‌ها استفاده می‌شود. همچنین، از فلز آهن در ۳۰۰۰ سال گذشته بسیار زیاد استفاده شده است. پیشرفت علم متالورژی با صعود و کم شدن تمدن بشری و تولید سلاح‌ها ارتباط داشته باست.

متالورژی همچنان در صنایع نظامی یکی از مهم‌ترین علوم به شمار می‌رود و همچنین، نقشی مهم در صنایع خوردو، کامپیوتر، هوافضا و ساخت و ساز دارد. فلزشناسان معمولا برای بهبود خواص فلزات و آلیاژهای فلزی و افزایش استحکام، دوام و خواص گرمایی آن‌ها تلاش می‌کنند تا بتوان از آن‌ها در کاربردهای متنوع استفاده کرد.

مواد الکترونیک

مواد الکترونیکی، در گسترده‌ترین مفهوم خود، شامل هر ماده‌ای هستند که برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی به کار می‌روند. این شاخه از علم مواد به بررسی رساناها، عایق‌ها و نیمه‌رساناها می‌پردازد. صنایع کامپیوتر و ارتباطات به شدت به متخصصان مواد الکترونیکی وابسته هستند و انتظار می‌رود که تقاضا برای این تخصص در آینده نیز قوی باقی بماند.

نیاز به دستگاه‌های الکترونیکی کوچکتر، سریع‌تر و قابل‌اعتمادتر همواره وجود دارد. علاوه بر این، منابع انرژی تجدیدپذیر مانند سلول‌های خورشیدی نیز به شدت به مواد الکترونیکی متکی هستند و هنوز فضای زیادی برای پیشرفت در زمینه بهبود بازدهی آن‌ها وجود دارد.

مواد زیستی

حوزه بیومتریال‌ها (مواد زیستی) دهه‌هاست که وجود دارد، اما در قرن بیست و یکم رشد چشمگیری داشته است. برخلاف تصور رایج، بیومتریال‌ها به مواد زیستی مانند غضروف یا استخوان اشاره ندارند، بلکه به موادی گفته می‌شود که با سیستم‌ های زنده تعامل دارند. این مواد می‌توانند پلاستیکی، سرامیکی، شیشه‌ای، فلزی یا کامپوزیتی باشند و معمولا در درمان یا تشخیص پزشکی نقش دارند.

برای مثال، دریچه‌های مصنوعی قلب، لنزهای تماسی و مفاصل مصنوعی نمونه‌هایی از بیومتریال‌هایی هستند که با داشتن خواص خاص، امکان عملکرد مناسب در بدن انسان را فراهم می‌کنند. امروزه، تحقیق در زمینه بافت‌های مصنوعی، اعصاب و اندام‌های جایگزین از جمله حوزه‌های نوظهور در این علم به شمار می‌رود.

کاربرد علم مواد در صنعت

در قسمت‌های قبل آموختیم تعریف علم مواد و اصول اصلی علم مواد چیست. در این قسمت توضیح می‌دهیم کاربردهای علم مواد چیست. علم مواد، گستره‌ای وسیع از مواد و تکنولوژی‌ها را شامل می‌شود و به همین علت کاربردهای فراوان و گوناگونی دارد. از مهم‌ترین کاربرد‌های این علم می‌توان به تکنولوژی باتری، سلول‌های سوختی، سلول‌های خورشیدی، چاپ سه بعدی و فناوری‌های لایه نازک اشاره کرد. در ادامه این کاربردها را توضیح می‌دهیم.

صنایع هوافضا

در صنعت هوافضا، استفاده از مواد پیشرفته به کاهش وزن هواپیما، افزایش بهره‌وری سوخت و بهبود پایداری آیرودینامیکی کمک می‌کند. موادی مانند کامپوزیت‌های کربنی، آلیاژهای تیتانیوم و آلومینیوم از اجزای کلیدی در ساخت هواپیما محسوب می‌شوند و در بخش‌هایی مانند بال‌ها، بدنه، موتور و ارابه فرود مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دو مرد د رکنار یک پره هواپیما — دانشمندان مواد در قسمت کنترل سازه‌های هواپیمایی

صنایع خودرو

در صنعت خودروسازی، علم مواد به بهبود عملکرد، ایمنی و بهره‌وری سوخت خودروها کمک می‌کند. استفاده از موادی سبک مانند فولاد با استحکام بالا، آلومینیوم و کامپوزیت‌های کربنی باعث کاهش وزن خودرو و افزایش بازدهی سوخت می‌شود. همچنین، مواد پیشرفته‌ای مانند سرامیک‌ها و پلیمرها در قطعات خودرو به کار می‌روند تا دوام و مقاومت آن‌ها در برابر سایش افزایش یابد.

صنعت الکترونیک

در صنعت الکترونیک، مواد پیشرفته نقش مهمی در ساخت محصولات کوچک‌تر، سریع‌تر و قدرتمندتر دارند. استفاده از موادی مانند نیمه‌رساناها، گرافن و ابررساناها در تولید دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های هوشمند، رایانه‌ها و تلویزیون‌ها باعث بهبود عملکرد، سرعت و بهره‌وری انرژی این دستگاه‌ها می‌شود.

صنعت ساخت و ساز

در صنعت ساخت‌وساز، علم مواد به توسعه مصالح و تکنیک‌های جدیدی منجر شده که دوام، پایداری و کارایی انرژی ساختمان‌ها را افزایش می‌دهند. موادی مانند بتن‌های کامپوزیتی، سرامیک‌ها و مواد هوشمند در ساخت‌وساز مورد استفاده قرار می‌گیرند تا استحکام سازه، بهره‌وری انرژی و ایمنی ساختمان‌ها را بهبود بخشند.

یک پل شهری عظیم که از روی رودخانه می‌گذرد.

علم مواد با تغییراتی که در صنایع مختلف ایجاد کرده، تحولات چشمگیری به وجود آورده است و همچنان با نوآوری‌ها و فناوری‌های جدید در حال پیشرفت است.

اهمیت علم مواد در تولیدات

علم مواد در صنعت تولیدات یکی از مهم‌ترین علوم است زیرا مواد مورد استفاده در تولیدات مختلف، اثر مستقیمی بر کیفیت، دوام و عمکرد محصول تولید شده دارند. دانستن اینکه علم مواد چیست و شناخت ویژگی‌های مواد و شیوه تغییر و بهبود آن‌ها برای بهبود محصولات و توسعه مواد جدید بسیار با اهمیت است.

اهمیت مواد در تولیدات را می‌توان در چهار مرحله انتخاب مواد، پردازش مواد، آزمایش مواد و تولید مواد جدید بررسی کرد. در ادامه با توضیح این مراحل می‌آموزیم اهمیت علم مواد در تولیدات چیست.

انتخاب مواد

یکی از جنبه‌های کلیدی علم مواد در تولیدات مختلف، انتخاب مواد مناسب است. دانشمندان علم مواد با در نظر گرفتن خواصی مانند استحکام، دوام و هزینه بهترین گزینه را برای کاربردهای خاص درنظر گرفته و انتخاب می‌کنند. برای مثال، در صنعت هوافضا، موادی مانند تیتانیوم و الیاف کربن، به دلیل استحکام بالا و وزن پایین استفاده می‌شوند.

پردازش مواد

پردازش مواد نیز یکی از مهم‌ترین تاثیرات علم مواد در تولیدات است. فرآیند پردازش مواد برای دست‌یابی به خواص مورد نظر مواد انجام می‌شود. برای مثال، در صنعت نیمه‌رساناها، فرآیند‌هایی مانند لیتوگرافی (انتقال تصویر)، اچینگ (کنده‌کاری) و دیپوزیشن (نشاندن) از مهم‌ترین فرآیندها برای تولید محصول نهایی هستند.

آزمایش مواد

پیش از اینکه محصول نهایی به بازار وارد شود، برای اطمینان از کیفیت و سلامت مورد آزمایش‌های مختلف قرار می‌گیرد. علم مواد نقشی مهم در توسعه روش‌های آزمایش محصولات را دارد. برای مثال، در صنعت خودروسازی، مواد از نظر استحکام، دوام و مقاوت مورد آزمایش قرار می‌گیرند تا مطابق استاندارهای تعیین شده باشند.

نوآوری در مواد

علم مواد یکی از مهم‌ترین علوم در تولید مواد و ساختارهای جدید بوده است. برای مثال، اختراع گرافن، باعث ایجاد فرصت‌های جدیدی در صنایع الکترونیک، انرژی، بسته‌بندی و تصفیه آب بوده است.

رشته دانشگاهی مهندسی مواد

علم مواد علمی بسیار گسترده است که دانشجویان می‌توانند در مقاطع دانشگاهی و تحصیلات عالی به آن بپردازند. در ایران مهندسی مواد و متالورژی یکی از رشته‌های ارائه شده در مقطع کارشناسی است و مهندسان مواد می‌توانند در مقاطع بالاتر حوزه‌های تخصصی‌تری را انتخاب کنند.

شاخه‌های اصلی علم مواد از چهار دسته اصلی مواد یعنی سرامیک‌ها، فلزات، پلیمرها و کامپوزیت‌ها منشا می‌گیرند. مهندسی سرامیک، متالورژی، علم و مهندسی پلیمر و مهندسی کامپوزیت از حوزه‌های اصلی این علم هستند. علاوه بر این، برخی حوزه‌های تحقیقاتی مستقل از نوع ماده بوده و کاربرد گسترده‌ای در علم مواد دارند.

از جمله این حوزه‌ها می‌توان به مشخصه‌یابی مواد (مانند انواع طیف‌سنجی، میکروسکوپی و پراش)، علم مواد محاسباتی و انتخاب و اطلاع‌رسانی مواد اشاره کرد. همچنین، برخی زمینه‌های مطالعاتی، بدون وابستگی به نوع ماده، بر پدیده‌ها و تکنیک‌های خاصی متمرکز هستند که از آن جمله می‌توان بلورشناسی، علم سطح، سوده‌شناسی (مطالعه اصطکاک، سایش و روانکاری) و میکروالکترونیک را نام برد.

رشته مهندسی مواد | معرفی گرایش ها، حقوق و درآمد و بازار کار

محصول، خدمات یا برند خود را در مجله فرادرس معرفی کنید.

تفاوت علم مواد با مهندسی مواد

بسته به دانشگاه، برنامه‌های تحصیلی ممکن است با نام‌هایی مانند علم مواد، مهندسی مواد یا ترکیب این دو یعنی علم و مهندسی مواد ارائه شوند. این تفاوت‌ها می‌توانند نشان‌دهنده تفاوت در محتوای درسی باشند. مهندسی مواد معمولا شامل مباحث بیشتری در زمینه ریاضیات و مفاهیم مختلف مهندسی است. برای مثال طراحی محصول یا فرآیند یکی از هدف‌های مهندسی مواد است. این رشته بیشتر بر کاربرد عملی فرمول‌ها و نمودارهای مختلف متمرکز است.

در مقابل، علم مواد بیشتر به پژوهش، توسعه مواد جدید و بهبود مواد موجود می‌پردازد. به‌عنوان مثال، در حوزه پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، یک هدف علمی می‌تواند ساخت پلیمرهایی باشد که پس از مدت مشخصی از بین بروند، در حالی که هدف مهندسی می‌تواند طراحی و بهینه‌سازی یک فرآیند صنعتی برای تولید این نوع پلاستیک‌ها باشد.

یادگیری مهندسی مواد با فرادرس

علم مواد حوزه‌ای گسترده از مهندسی است که به مطالعه ترکیب، ساختار و خواص مواد مختلف می‌پردازد و نقش مهمی در توسعه فناوری‌های نوین دارد. برای درک این علم، لازم است ابتدا با مفاهیمی مانند ساختار بلوری مواد، خواص مکانیکی، الکتریکی و مغناطیسی آن‌ها ، فرآیندهای تولید و شکل‌دهی و همچنین روش‌های شناسایی و آنالیز مواد آشنا شوید. درک این مفاهیم به شما کمک می‌کند تا بدانید چرا برخی مواد برای کاربردهای خاصی مناسب‌ترند، چگونه می‌توان ویژگی‌های آن‌ها را بهبود داد و چه عواملی بر عملکردشان تاثیرگذارند. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این موضوعات از مجموعه فیلم‌های مهندسی متالورژی (Metallurgy) از دروس دانشگاهی تا کاربردی فرادرس استفاده کنید که با زبانی ساده و کاربردی به بررسی این مفاهیم و روش‌های عملی تحلیل و انتخاب مواد می‌پردازد.

برای مشاهده مجموعه فیلم آموزش مهندسی متالورژی فرادرس، روی عکس کلیک کنید.

همچنین با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه مهندسی مواد دسترسی داشته باشید.

کار دانشمندان علم مواد

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم علم مواد چیست و چه کاربردی دارد. دانشمندان علم مواد، ویژگی‌ها و ساختار مواد را مطالعه می‌کنند تا بتوانند مواد و محصولات جدیدی تولید کنند یا مواد موجود را ارتقا دهند. آن‌ها ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی و مکانیکی مواد را ارزیابی و آزمایش می‌کنند. از این ویژگی‌ها می‌توان به استحکام، دوام و مقاومت در برابر حرارت، نور و خوردگی اشاره کرد.

علم مواد در توسعه فناوری‌ها و مواد نو‌ظهور نقش دارد و دانشمندان این علم، در این زمینه تحقیق و بررسی می‌کنند. از آنجا که تمامی اشیا و وسایل جهان از مواد تشکیل شده است، دانشمندان در این علم می‌توانند در حوزه‌های بسیار گسترده‌ای فعالیت داشته باشند.