Materiałoznawstwo

Materiałoznawstwo, dawna nazwa międzydyscyplinarnej dziedziny nauki i techniki zajmującej się badaniem właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych różnych ciał w celu ich stosowania w praktyce [PWN, tom 4, s. 124]

Materiałoznawstwo to dyscyplina naukowa zajmująca się badaniem i wykorzystywaniem specyficznych własności ciał stałych, ciekłych i gazowych, ustalaniem zależności między składem chemicznym, budową tworzywa i procesami technologicznymi, jakim ciało to podlega, a jego własnościami. Zamknięte dotąd różne dziedziny związane z metalami, niemetalami i polimerami, dzięki nowemu spojrzeniu na tę dyscyplinę oraz w wyniku rozwoju inżynierii materiałowej stały się wewnętrznie spójną całością. Szczególne jednak znaczenie dla rozwoju tej dziedziny ma rozwój fizyki ciała stałego, która pozwala na wyjaśnienie wielu praw rządzących w budowie materii. [[[Praca]] zbiorowa pod przewodnictwem T. Wojciechowskiego, s. 262]

Termin "materiałoznawstwo" jest w użyciu od dawna, ale treść przypisywana mu ulega w dobie obecnej ciągłym zmianom. W ciągu ostatnich 200 lat największy rozwój materiałów obserwujemy w ostatnim dwudziestoleciu. Dzieje się tak głównie na skutek rozwoju nowych dziedzin techniki, jak: technika jądrowa, astronautyka i elektronika. Konwencjonalny asortyment materiałowy wzbogaca się coraz bardziej przez rozwój metali trudno osiągalnych i ich stopów, tworzyw sztucznych oraz materiałów ceramicznych bądź ich stopowych kombinacji. W wyniku rozwoju tej nowej dyscypliny naukowej powstała możliwość budowy nowych materiałów o spodziewanych własnościach fizycznych, mechanicznych czy też chemicznych. Te nowe możliwości budowy nowych materiałów zmieniły sens materiałoznawstwa traktowanego dawniej raczej poglądowo. Każdy dzień w skali światowej przynosi kilkadziesiąt nowych materiałów. Niektóre z nich w zasadniczy sposób przyczyniają się do rozwoju nowych technologii. Inne służą do ułatwień życiowych [Chemielewski H., Encyklopedia Techniki - Materiałoznawstwo, s. IX-X]

Zaawansowane techniki badania materiałów

Mikroskopia elektronowa to jedna z najważniejszych zaawansowanych technik badawczych w dziedzinie materiałoznawstwa. Jej główną zaletą jest możliwość obserwacji struktury materiałów na bardzo małą skalę, nawet kilka nanometrów. Dzięki temu, można dokładnie analizować strukturę wewnętrzną, defekty i mikrostruktury. Mikroskopia elektronowa pozwala także na dokładne badanie składu chemicznego próbek i analizę powierzchniowych właściwości materiałów.

Spektroskopia fotoelektronowa jest kolejną ważną techniką badawczą w materiałoznawstwie. Pozwala ona na analizę składu chemicznego materiałów poprzez badanie emisji elektronów wywołanej przez światło o odpowiedniej energii. Dzięki temu można określić skład chemiczny powierzchni materiału oraz badanie zmian w składzie chemicznym pod wpływem różnych czynników.

Dyfrakcja rentgenowska to technika badawcza, która pozwala na analizę struktury krystalicznej materiałów. Polega ona na rozpraszaniu promieniowania rentgenowskiego na sieci krystalicznej próbki, co pozwala na zidentyfikowanie jej struktury. Dzięki dyfrakcji rentgenowskiej można określić parametry sieci krystalicznej, strukturę cząsteczkową oraz obecność defektów w sieci krystalicznej.

Spektroskopia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) jest techniką badawczą, która opiera się na zjawisku rezonansu magnetycznego jąder atomowych w próbce. Pozwala ona na analizę struktury chemicznej i dynamiki cząsteczek w materiale. Spektroskopia NMR jest szeroko stosowana w badaniach materiałów organicznych, ale również znajduje zastosowanie w badaniach materiałów nieorganicznych.

Zastosowanie materiałoznawstwa w przemyśle

Materiałoznawstwo odgrywa kluczową rolę w rozwoju motoryzacji. Nowoczesne samochody wymagają lekkich, ale jednocześnie wytrzymałych materiałów, które zapewnią bezpieczeństwo i oszczędność paliwa. Materiały kompozytowe, takie jak włókna węglowe, znalazły zastosowanie w produkcji karoserii, co przyczynia się do zmniejszenia masy pojazdu. Ponadto, materiałoznawstwo pozwala na badanie i optymalizację właściwości materiałów stosowanych w silnikach, takich jak stopy aluminium i żelaza.

Materiałoznawstwo ma również znaczące znaczenie w lotnictwie. Konstrukcje samolotów muszą być lekkie, ale jednocześnie odporne na ekstremalne warunki, takie jak wysokie temperatury i naprężenia. Materiały kompozytowe, takie jak włókna węglowe i kevlar, znajdują szerokie zastosowanie w produkcji kadłubów i skrzydeł samolotów. Ponadto, materiałoznawstwo pozwala na badanie i optymalizację właściwości materiałów używanych w turbinach lotniczych, takich jak stopy tytanu.

Materiałoznawstwo odgrywa kluczową rolę w rozwoju energetyki, zwłaszcza odnawialnych źródeł energii. Panele słoneczne, które są stosowane do produkcji energii słonecznej, wymagają materiałów o wysokiej sprawności przetwarzania światła słonecznego. Materiałoznawstwo pozwala na badanie i optymalizację właściwości materiałów stosowanych w panelach słonecznych, takich jak krzem i perowskity. Ponadto, materiałoznawstwo jest również ważne w rozwoju technologii magazynowania energii, takich jak baterie litowo-jonowe i superkondensatory.

Materiałoznawstwo ma również duże znaczenie w elektronice. Właściwości przewodzące, magnetyczne i optyczne materiałów wykorzystywanych w elektronice są badane i optymalizowane za pomocą zaawansowanych technik badawczych. Materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem i gallium arsenide, są kluczowe dla produkcji mikroprocesorów i układów scalonych. Ponadto, materiałoznawstwo pozwala na badanie i optymalizację właściwości materiałów stosowanych w wyświetlaczach, takich jak ciekłe kryształy i organiczne diody emisyjne.

Materiałoznawstwo znajduje również zastosowanie w medycynie, zwłaszcza w produkcji implantów. Materiały biokompatybilne, takie jak tytan i ceramika, są stosowane do produkcji sztucznych stawów, implantów dentystycznych i innych urządzeń medycznych. Materiałoznawstwo pozwala na badanie i optymalizację właściwości materiałów stosowanych w implantach, takich jak biodegradowalność, wytrzymałość mechaniczna i zdolność do integracji z tkankami.

Przyszłość materiałoznawstwa

Najważniejsze trendy rozwoju materiałoznawstwa w przyszłości obejmują rozwój nowych materiałów o unikalnych właściwościach, takich jak lekkość, wytrzymałość i przewodnictwo. Prace badawcze koncentrują się na odkrywaniu nowych materiałów, takich jak grafen, nanorurki węglowe i perowskity. Ponadto, istnieje duże zainteresowanie badaniem i optymalizacją właściwości materiałów na poziomie atomowym, co otwiera nowe możliwości w projektowaniu materiałów na zamówienie.

Materiały inteligentne, takie jak smartfony, samoczyszczące się powłoki i materiały reagujące na zmienne warunki, mają potencjał do zmiany naszego życia i otoczenia. Materiałoznawstwo pozwala na badanie i projektowanie takich materiałów, które mogą zmieniać swoje właściwości w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne, takie jak temperatura, światło i wilgotność. Przykładowo, inteligentne tkaniny mogą automatycznie regulować temperaturę ciała, a smartfony mogą mieć elastyczne ekrany, które wyginają się w zależności od potrzeb użytkownika.

Nanomateriały mają ogromny potencjał wpływu na rozwój różnych dziedzin, takich jak elektronika, medycyna i energetyka. Dzięki swoim unikalnym właściwościom, takim jak większa powierzchnia i zmienność właściwości w zależności od rozmiaru, nanomateriały znajdują zastosowanie w produkcji lepszych baterii, skuteczniejszych leków i bardziej efektywnych paneli słonecznych. Materiałoznawstwo pozwala na badanie i optymalizację właściwości nanomateriałów oraz kontrolowanie ich struktury na poziomie nanometrycznym.

Zastosowanie biodegradowalnych tworzyw sztucznych ma potencjał do znacznego zmniejszenia negatywnego wpływu na środowisko. Materiałoznawstwo pozwala na projektowanie tworzyw sztucznych, które są biodegradowalne i jednocześnie spełniają wymagania dotyczące wytrzymałości, elastyczności i innych właściwości. Przykładowo, biodegradowalne opakowania spożywcze mogą zastąpić tradycyjne opakowania z tworzyw sztucznych i zmniejszyć ilość odpadów.

Rozwój nowych rodzajów materiałów przyczyni się do zwiększenia efektywności produkcji, ochrony środowiska i poprawy jakości życia. Materiały o lepszych właściwościach termoizolacyjnych mogą zmniejszyć zużycie energii w budynkach. Materiały o lepszych właściwościach przewodzących mogą zwiększyć efektywność urządzeń elektronicznych. Materiały o lepszych właściwościach mechanicznych mogą zwiększyć trwałość i wydajność maszyn. Materiałoznawstwo jest kluczowym narzędziem w projektowaniu i optymalizacji takich materiałów, które będą spełniać te wymagania.

Materiałoznawstwo — artykuły polecane

Biotechnologia — Automatyka — Nanotechnologia — Rozszerzona rzeczywistość — Metale ziem rzadkich — Elektrośmieci — Bioinformatyka — Inżynieria odwrotna — Utylizacja

Bibliografia

• Bacia K. (1969), Materiałoznawstwo Tapicerskie, Państwowe wydawnictwa Szkolnictwa Zawodowego, Chorzów
• Dorosz K., Matysiak A. (1994), Tworzywa sztuczne - Materiałoznawstwo i Przetwórstwo, Wydawnictwa szkolne i pedagogiczne, Warszawa
• Surzycka-Milczewska Z. (1989), Encyklopedia Gospodarki Materiałowej, Państwowe Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa
• Zienkowicz J. i in. (red.) (1979), Encyklopedia technik. Materiałoznawstwo, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa

Autor: Rafał Borówka