Katı

Katı kristalin tek kristalli formu.

Katı, maddenin dört temel durumundan biridir (diğerleri sıvı, gaz ve plazmadır). Bir katıdaki atomlar birbirine yakın bir şekilde paketlenir ve en az miktarda kinetik enerji içerir. Bir katı, yapısal sertlik ve yüzeye uygulanan bir kuvvete direnç ile karakterizedir. Bir sıvının aksine katı bir nesne, kabının şeklini almak için akmaz ve gaz gibi mevcut tüm hacmi doldurmak için genişlemez. Bir katıdaki atomlar, ya düzenli bir geometrik kafes (metaller ve sıradan buz içeren kristalli katılar) veya düzensiz olarak (ortak pencere camı gibi şekilsiz bir katı) birbirine bağlanır. Katı maddeler az basınçla sıkıştırılamazken, gazlar az basınçla sıkıştırılabilir, çünkü bir gazdaki moleküller gevşek bir şekilde paketlenir.

Katı maddelerle ilgilenen fizik dalına katı hal fiziği denir ve yoğunlaştırılmış madde fiziğinin (sıvıları da içerir) ana dalıdır. Malzeme bilimi öncelikle katıların fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilgilidir. Katı hal kimyası özellikle yeni malzemelerin sentezinin yanı sıra tanımlama ve kimyasal bileşim bilimiyle de ilgilidir.

Mikroskobik açıklama

Katı maddeleri oluşturan atomlar, moleküller veya iyonlar, düzenli olarak tekrar eden bir düzende veya düzensiz olarak düzenlenebilir. Bileşenleri düzenli bir düzende düzenlenmiş malzemeler kristal olarak bilinir. Bazı durumlarda, düzenli sıralama, her bir elmasın tek bir kristal olduğu elmas gibi büyük bir ölçekte kesintisiz olarak devam edebilir. Görmek ve işlemek için yeterince büyük katı nesneler nadiren tek bir kristalden oluşur, ancak bunun yerine boyutu birkaç nanometreden birkaç metreye kadar değişebilen kristalitler olarak bilinen çok sayıda tek kristalden yapılır. Bu tür malzemelere polikristalin denir. Hemen hemen tüm yaygın metaller ve birçok seramik polikristalindir.

Diğer malzemelerde, atomların pozisyonunda uzun menzilli bir düzen yoktur. Bu katılar şekilsiz katılar olarak bilinir; örnekler arasında polistiren ve cam bulunmaktadır.

Bir katının kristalli mi yoksa amorf olup olmadığı, ilgili malzemeye ve oluştuğu koşullara bağlıdır. Yavaş soğuma ile oluşan katılar kristalimsi olma eğilimindeyken, hızla dondurulan katıların şekilsiz olma olasılığı daha yüksektir. Benzer şekilde, kristalimsi bir katı tarafından benimsenen spesifik kristal yapı ilgili malzemeye ve nasıl oluştuğuna bağlıdır.

Bir buz küpü veya madeni para gibi birçok ortak nesne kimyasal olarak aynı olsa da, diğer birçok yaygın malzeme bir araya getirilmiş bir dizi farklı madde içerir. Örneğin, tipik bir kaya, belirli bir kimyasal bileşimi olmayan birkaç farklı mineral ve mineraloitin bir toplamıdır. Ahşap, öncelikle bir organik lignin matrisine gömülü selüloz liflerinden oluşan doğal bir organik malzemedir. Malzeme biliminde, birden fazla bileşen malzemeden oluşan kompozitler istenen özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilir.

Katı sınıfları

Bir katı içindeki atomlar arasındaki kuvvetler çeşitli biçimlerde olabilir. Örneğin, bir sodyum klorür kristali (ortak tuz), iyonik bağlarla bir arada tutulan iyonik sodyum ve klordan oluşur. Elmas veya silikonda, atomlar elektronları paylaşır ve kovalent bağlar oluşturur. Metallerde, elektronlar metalik bağda paylaşılır. Bazı katı maddeler, özellikle çoğu organik bileşik, her bir molekül üzerindeki elektronik yük bulutunun polarizasyonundan kaynaklanan van der Waals kuvvetleri ile birlikte tutulur. Katı türleri arasındaki farklılıklar, bağları arasındaki farklardan kaynaklanır.

Metâller

Metaller tipik olarak hem elektrik hem de ısı için güçlü, yoğun ve iyi iletkenlerdir. Periyodik tablodaki elementlerin, bordan polonuma çizilen çapraz bir çizginin solundaki elementler metallerdir. Ana bileşenin bir metal olduğu iki veya daha fazla elementin karışımları, alaşımlar olarak bilinir.

İnsanlar, tarih öncesi çağlardan beri metalleri çeşitli amaçlar için kullanıyorlar. Metallerin mukavemeti ve güvenilirliği, binaların ve diğer yapıların yanı sıra çoğu araçta, birçok cihaz ve alet, boru, yol levhası ve demiryolu hattında yaygın olarak kullanılmasına yol açmıştır. Demir ve alüminyum en çok kullanılan iki yapısal metaldir. Aynı zamanda Dünya'nın kabuğundaki en bol metallerdir. Demir en çok %2.1'e kadar karbon içeren bir alaşım, çelik şeklinde kullanılır ve bu da onu saf demirden çok daha sert hale getirir.

Metaller elektriğin iyi iletkenleri olduğundan, elektrikli cihazlarda ve çok az enerji kaybı veya dağıtımı olan uzun mesafelerde bir elektrik akımı taşımak için değerlidirler. Bu nedenle, elektrik güç şebekeleri elektriği dağıtmak için metal kablolara dayanır. Örneğin, ev elektrik sistemleri, iyi iletken özellikleri ve kolay işlenebilirliği için bakır ile kablolanmıştır. Çoğu metalin yüksek ısıl iletkenliği, ocak ızgarası pişirme kapları için de yararlı olmasını sağlar.

Metalik elementlerin ve alaşımlarının incelenmesi, katı hal kimyası, fizik, malzeme bilimi ve mühendisliği alanlarının önemli bir bölümünü oluşturur.

Metalik katılar, "metalik bağ" olarak bilinen yüksek yoğunlukta paylaşılan, delokalize elektronlarla bir arada tutulur. Bir metalde, atomlar pozitif iyonlar oluşturarak en dıştaki ("değerlik") elektronlarını kolayca kaybederler. Serbest elektronlar, iyonlar ve elektron bulutu arasındaki elektrostatik etkileşimlerle sıkıca tutulan tüm katıya yayılır. Çok sayıda serbest elektron, metallere yüksek elektrik ve termal iletkenlik değerleri verir. Serbest elektronlar ayrıca görünür ışığın iletilmesini önleyerek metalleri opak, parlak ve parlak hale getirir.

Daha gelişmiş metal özellik modelleri, pozitif iyon çekirdeklerinin delokalize elektronlar üzerindeki etkisini dikkate alır. Çoğu metal kristal yapıya sahip olduğundan, bu iyonlar genellikle periyodik bir kafes şeklinde düzenlenir. Matematiksel olarak, iyon çekirdeklerinin potansiyeli çeşitli modellerle işlenebilir, en basit olanı neredeyse serbest elektron modelidir.

Mineraller

Mineraller, yüksek basınçlar altında çeşitli jeolojik işlemlerle doğal olarak oluşan katılardır. Gerçek bir mineral olarak sınıflandırılmak için, bir maddenin her yerde eşit fiziksel özelliklere sahip bir kristal yapıya sahip olması gerekir. Mineraller bileşimde saf elementlerden ve basit tuzlardan binlerce bilinen formla çok karmaşık silikatlara kadar değişir. Buna karşılık, bir kaya örneği, mineraller ve/veya mineraloidlerin rastgele bir agregasıdır ve spesifik bir kimyasal bileşimi yoktur. Yerkabuğundaki kayaların büyük çoğunluğu kuvars (kristal SiO₂), feldispat, mika, klorit, kaolin, kalsit, epidot, olivin, ojit, hornblend, manyetit, hematit, limonit ve diğer birkaç mineralden oluşur. Kuvars, mika veya feldispat gibi bazı mineraller yaygındır, diğerleri ise dünya çapında sadece birkaç yerde bulunmuştur. En büyük mineral grubu, alüminyum, magnezyum, demir, kalsiyum ve diğer metal iyonlarının ilavesi ile büyük ölçüde silikon ve oksijenden oluşan silikatlardır (çoğu kaya ≥% 95 silikattır).

Seramik

Seramik katılar, genellikle kimyasal elementlerin oksitleri olan inorganik bileşiklerden oluşur. Kimyasal olarak eylemsizdirler ve genellikle asidik veya kostik bir ortamda meydana gelen kimyasal erozyona dayanabilirler. Seramikler genellikle 1000 ila 1600 °C (1800 ila 3000 °F) arasında değişen yüksek sıcaklıklara dayanabilir. İstisnalar arasında nitrürler, boridler ve karbürler gibi oksit olmayan inorganik malzemeler bulunur.

Geleneksel seramik hammaddeleri kaolinit gibi kil minerallerini içerir, daha yeni malzemeler alüminyum oksit (alümina) içerir. İleri seramik olarak sınıflandırılan modern seramik malzemeler arasında silikon karbür ve tungsten karbür bulunmaktadır. Her ikisi de aşınma dirençleri için değerlidir ve bu nedenle madencilik operasyonlarında kırma ekipmanlarının aşınma plakaları gibi uygulamalarda kullanılır.

Alümina ve bileşikleri gibi çoğu seramik malzeme, görünür ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilir ışık saçan merkezlerle dolu ince taneli bir polikristalin mikroyapı sağlayan ince tozlardan oluşur. Bu nedenle, şeffaf malzemelerin aksine genellikle opak malzemelerdir. Bununla birlikte, son nanosal (ör. Sol-jel) teknolojisi, şeffaf alümina gibi polikristalin şeffaf seramiklerin ve yüksek güçlü lazerler gibi uygulamalar için alümina bileşiklerinin üretimini mümkün kılmıştır. Gelişmiş seramikler tıp, elektrik ve elektronik endüstrilerinde de kullanılmaktadır.

Seramik mühendisliği, katı hal seramik malzemeleri, parçaları ve cihazları yaratmanın bilim ve teknolojisidir. Bu ya ısının etkisi ile ya da daha düşük sıcaklıklarda kimyasal çözeltilerden çökelme reaksiyonları kullanılarak yapılır. Terim, hammaddelerin saflaştırılmasını, ilgili kimyasal bileşiklerin çalışılmasını ve üretilmesini, bileşenlere oluşumlarını ve yapılarının, bileşimlerinin ve özelliklerinin incelenmesini içerir.

Mekanik olarak konuşursak, seramik malzemeler kırılgan, sert, sıkıştırmada güçlü ve kesme ve gerginlikte zayıftır. Gevrek malzemeler, statik bir yükü destekleyerek önemli gerilme mukavemeti sergileyebilir. Tokluk, bir malzemenin mekanik arızadan önce ne kadar enerji emebileceğini gösterirken, kırılma tokluğu (K_Ic olarak belirtilir), doğal mikroyapısal kusurları olan bir malzemenin çatlak büyümesi ve yayılması yoluyla kırılmaya dayanma yeteneğini tanımlar. Bir malzemenin kırılma tokluğu değeri büyükse, kırılma mekaniğinin temel ilkeleri büyük olasılıkla sünek kırılma geçireceğini gösterir. Gevrek kırılma, tipik olarak düşük (ve tutarsız) K_Ic değerleri sergileyen çoğu seramik ve cam-seramik malzemenin çok karakteristiğidir.

Seramik uygulamalarının bir örneği için, zirkonya'nın aşırı sertliği, bıçakların yanı sıra diğer endüstriyel kesme aletlerinin imalatında kullanılır. Alümina, bor karbür ve silikon karbür gibi seramikler, büyük kalibreli tüfek ateşini püskürtmek için kurşun geçirmez yeleklerde kullanılmıştır. Silikon nitrür parçaları, yüksek sertliklerinin aşınmaya karşı dirençli hale getirdiği seramik bilyalı rulmanlarda kullanılır. Genel olarak seramikler kimyasal olarak da dirençlidir ve çelik yatakların oksidasyona (veya paslanmaya) maruz kalabileceği ıslak ortamlarda kullanılabilir.

Seramik uygulamalarının bir başka örneği olarak, 1980'lerin başında Toyota, 3300 °C'nin üzerinde çalışma sıcaklığı olan adyabatik bir seramik motorun üretimini araştırdı. Seramik motorlar bir soğutma sistemine ihtiyaç duymazlar ve bu nedenle ağır bir ağırlık azalmasına ve dolayısıyla daha fazla yakıt verimliliğine izin verirler. Geleneksel bir metalik motorda, metalik parçaların erimesini önlemek için yakıttan salınan enerjinin çoğu atık ısı olarak dağıtılmalıdır. Gaz türbinli motorlar için seramik parçaların geliştirilmesinde de çalışmalar yapılmaktadır. Seramik ile üretilen türbin motorları daha verimli çalışabilir ve bu da uçağa belirli bir miktarda yakıt için daha fazla menzil ve yük sağlayabilir. Bununla birlikte, bu tür motorlar üretimde değildir, çünkü seramik parçaların yeterli hassasiyet ve dayanıklılıkta üretimi zor ve maliyetlidir. İşleme yöntemleri genellikle sinterleme işleminde sıklıkla zararlı bir rol oynayan mikroskopik kusurların geniş bir dağılımı ile sonuçlanır, bu da çatlakların çoğalmasına ve nihai mekanik arızaya neden olur.

Cam seramikler

Cam-seramik malzemeler, kristal olmayan camlar ve kristal seramiklerle birçok özelliği paylaşır. Bir cam olarak oluşturulur ve daha sonra ısıl işlemle kısmen kristalleştirilir, hem amorf hem de kristal fazlar üretilir, böylece kristal taneler kristal olmayan bir taneler arası faz içine gömülür.

Cam-seramikler, hem termal şoka karşı yüksek dirence hem de sıvılara karşı son derece düşük geçirgenliğe sahip tencere (başlangıçta CorningWare markasıyla bilinir) ve ocaklar yapmak için kullanılır. Kristalin seramik fazın termal genleşme katsayısı, camsı fazın pozitif katsayısı ile dengelenebilir. Belli bir noktada (~%70 kristal) cam-seramik, sıfıra yakın net bir termal genleşme katsayısına sahiptir. Bu tip cam-seramik mükemmel mekanik özellikler gösterir ve 1000 °C'ye kadar tekrarlanan ve hızlı sıcaklık değişimlerini sürdürebilir.

Cam seramikler, şimşeklerin çoğu kumsalında bulunan kristalin (örn. Kuvars) taneciklere çarptığında doğal olarak oluşabilir. Bu durumda, yıldırımın aşırı ve anında ısısı (~ 2500 °C) füzyon yoluyla fulgurit adı verilen içi boş, dallanan kök benzeri yapılar oluşturur.

Organik katılar

Organik kimya, nitrojen, oksijen ve halojenler gibi çok sayıda başka element içerebilen karbon ve hidrojenin kimyasal bileşiklerinin sentezi (veya başka yollarla) ile yapısını, özelliklerini, bileşimini, reaksiyonlarını ve hazırlanmasını inceler: flor, klor, brom ve iyot. Bazı organik bileşikler fosfor veya kükürt elementlerini de içerebilir. Organik katıların örnekleri arasında ahşap, parafin mumu, naftalin ve çok çeşitli polimerler ve plastikler bulunur.

Ahşap

Ahşap, esas olarak bir lignin matrisine gömülü selüloz elyaflarından oluşan doğal bir organik malzemedir. Mekanik özelliklerle ilgili olarak, lifler gerilim açısından güçlüdür ve lignin matrisi sıkıştırmaya karşı dirençlidir. Böylece insanlar barınaklar inşa etmeye ve tekne kullanmaya başladığından beri ahşap önemli bir yapı malzemesi olmuştur. İnşaat işlerinde kullanılacak odun genellikle kereste veya odum olarak bilinir. İnşaatta, ahşap sadece yapısal bir malzeme değildir, aynı zamanda beton için kalıp oluşturmak için de kullanılır.

Ahşap esaslı malzemeler, her ikisi de rafine edilmiş hamurdan oluşturulan ambalaj (örneğin karton) ve kağıt için yaygın olarak kullanılmaktadır. Kimyasal hamurlaştırma işlemleri, ligninin yakılmadan önce kimyasal bağlarını kırmak için yüksek sıcaklık ve alkalin (kraft) veya asidik (sülfit) kimyasalların bir kombinasyonunu kullanır.

Polimerler

Organik kimyadaki karbonun önemli bir özelliği, tek tek molekülleri kendilerini birbirine bağlayabilen, böylece bir zincir veya ağ oluşturabilen belirli bileşikler oluşturabilmesidir. İşlem, polimerizasyon ve zincirler veya ağ polimerleri olarak adlandırılırken, kaynak bileşik bir monomerdir. İki ana polimer grubu vardır: yapay olarak üretilenler endüstriyel polimerler veya sentetik polimerler (plastik) ve doğal olarak biyopolimerler olarak adlandırılan polimerler olarak adlandırılır.

Monomerler, çözünürlük ve kimyasal reaktivite gibi organik bileşiklerin kimyasal özelliklerini ve ayrıca sertlik, yoğunluk, mekanik veya gerilme mukavemeti, aşınma direnci, ısı gibi fiziksel özellikleri etkileyebilen çeşitli kimyasal sübstitüentlere veya fonksiyonel gruplara sahip olabilir. direnç, şeffaflık, renk, vb. Proteinlerde, bu farklılıklar polimere diğerlerine göre biyolojik olarak aktif bir konformasyon benimseme kabiliyeti verir (bakınız kendi kendine birleşme).

İnsanlar yüzyıllardır termoplastik polimer olarak sınıflandırılan mumlar ve gomalak şeklinde doğal organik polimerler kullanmaktadır. Selüloz adı verilen bir bitki polimeri, doğal lifler ve halatlar için gerilme mukavemeti sağladı ve 19. yüzyılın başlarında doğal kauçuk yaygın olarak kullanılıyordu. Polimerler, yaygın olarak plastik denilen şeyi yapmak için kullanılan hammaddelerdir (reçineler). Plastikler, işlem sırasında bir reçineye bir veya daha fazla polimer veya katkı maddesi ilave edildikten sonra oluşturulan nihai üründür ve daha sonra nihai bir forma dönüştürülür. Etrafında bulunan ve halihazırda yaygın olarak kullanılan polimerler, karbon bazlı polietilen, polipropilen, polivinil klorür, polistiren, naylon, polyesterler, akrilikler, poliüretan ve polikarbonatlar ve silikon bazlı silikonları içerir. Plastikler genellikle "emtia", "uzmanlık" ve "mühendislik" plastikleri olarak sınıflandırılır.

Kompozit malzemeler

Kompozit malzemeler, biri genellikle seramik olan iki veya daha fazla makroskopik faz içerir. Örneğin, sürekli bir matris ve seramik partiküllerinin veya liflerinin dağılmış bir fazıdır.

Kompozit malzemelerin uygulamaları, çelik takviyeli beton gibi yapısal elemanlardan, Dünya atmosferine girişte mekik yüzeyini ısıdan korumak için kullanılan NASA'nın Uzay Mekiği termal koruma sisteminde anahtar ve entegre bir rol oynayan termal olarak yalıtkan karolara kadar uzanır. Bir örnek, 1510 °C'ye (2750 °F) kadar yeniden giriş sıcaklıklarına dayanabilen ve Uzay Mekiği kanatlarının burun başlığını ve ön kenarlarını koruyan açık gri malzeme olan Güçlendirilmiş Karbon-Karbon (RCC) malzemedir. RCC, grafit suni kumaştan yapılmış ve bir fenolik reçine ile emprenye edilmiş lamine kompozit bir malzemedir. Bir otoklavda yüksek sıcaklıkta sertleştirildikten sonra, laminat reçineyi karbona dönüştürmek için pirolize edilir, bir vakum odasında furfural alkol ile emprenye edilir ve furfural alkolü karbona dönüştürmek için kürlenir / pirolize edilir. Yeniden kullanım kabiliyeti için oksidasyon direnci sağlamak amacıyla, RCC'nin dış katmanları silikon karbüre dönüştürülür.

Kompozitlerin yurtiçi örnekleri televizyon setleri, cep telefonları ve benzerlerinin "plastik" muhafazalarında görülebilir. Bu plastik muhafazalar genellikle, mukavemet, yığın veya elektro-statik dağılım için kalsiyum karbonat tebeşir, talk, cam elyaf veya karbon elyafın ilave edildiği akrilonitril bütadien stiren (ABS) gibi bir termoplastik matristen oluşan bir kompozittir. Bu ilaveler, amaçlarına bağlı olarak takviye edici elyaflar veya dağıtıcılar olarak ifade edilebilir.

Böylece, matris malzemesi, nispi konumlarını koruyarak takviye malzemelerini çevreler ve destekler. Takviyeler, matris özelliklerini geliştirmek için özel mekanik ve fiziksel özelliklerini kazandırır. Bir sinerjizm, tek tek kurucu malzemelerden elde edilemeyen malzeme özellikleri üretirken, çok çeşitli matris ve güçlendirici malzemeler tasarımcıya optimum kombinasyon seçeneği sunar.

Yarı iletkenler

Yarı iletkenler, metalik iletkenler ile metalik olmayan yalıtkanlar arasında elektriksel direnç (ve iletkenlik) olan malzemelerdir. Periyodik tabloda, bordan çapraz aşağı doğru hareket ederek bulunabilirler. Elektrik iletkenlerini (veya soldaki metalleri) izolatörlerden (sağa) ayırırlar.

Yarı iletken malzemelerden yapılmış cihazlar, radyo, bilgisayarlar, telefonlar, vb. Dahil olmak üzere modern elektroniklerin temelidir. Yarı iletken cihazlar arasında transistör, güneş pilleri, diyotlar ve entegre devreler bulunur. Güneş fotovoltaik panelleri, ışığı doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren büyük yarı iletken cihazlardır.

Metalik bir iletkende akım, elektronların akışı ile taşınır, ancak yarı iletkenlerde, akım ya elektronlar tarafından ya da malzemenin elektronik bant yapısında pozitif yüklü "delikler" ile taşınabilir. Yaygın yarı iletken malzemeler arasında silikon, germanyum ve galyum arsenit bulunur.

Nanomateryaller

Birçok geleneksel katı, nanometre boyutlarına küçüldüklerinde farklı özellikler gösterir. Örneğin, genellikle sarı altın ve gri silikondan oluşan nanoparçacıklar kırmızı renktedir; altın nanoparçacıklar, altın levhalardan (1064 °C) çok daha düşük sıcaklıklarda (2.5 nm boyut için ~ 300 °C) erir; ve metalik nanoteller karşılık gelen dökme metallerden çok daha güçlüdür. Nanopartiküllerin yüksek yüzey alanı, onları enerji alanındaki bazı uygulamalar için son derece çekici hale getirir. Örneğin, platin metaller otomotiv yakıt katalizörleri ve proton değişim zarı (PEM) yakıt hücreleri olarak iyileştirmeler sağlayabilir. Ayrıca, lantan, seryum, manganez ve nikelin seramik oksitleri (veya sermetleri) artık katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) olarak geliştirilmektedir. Lityum iyon pillere lityum, lityum-titanat ve tantal nanopartiküller uygulanmaktadır. Silikon nanopartiküllerinin, genişleme / daralma döngüsü sırasında lityum iyon pillerin depolama kapasitesini önemli ölçüde arttırdığı gösterilmiştir. Silikon nanoteller önemli ölçüde bozulma olmadan döngü yapar ve büyük ölçüde genişletilmiş depolama sürelerine sahip piller için kullanım potansiyeli sunar. Silikon nanoparçacıkları yeni güneş enerjisi hücrelerinde de kullanılmaktadır. Silikon kuantum noktalarının biride fotovoltaik (güneş) hücresinin polikristalin silikon substratı üzerinde ince film birikimi, yakalamadan önce gelen ışığı floresanlayarak voltaj çıkışını %60'a kadar artırır. Burada yine, nanoparçacıkların (ve ince filmlerin) yüzey alanı, emilen radyasyon miktarını en üst düzeye çıkarmada kritik bir rol oynar.

Biyomateryaller

Birçok doğal (veya biyolojik) malzeme, dikkate değer mekanik özelliklere sahip karmaşık kompozitlerdir. Yüz milyonlarca yıllık evrimden yükselen bu karmaşık yapılar, yeni malzemelerin tasarımında bilim adamlarına ilham veren malzemelerdir. Tanımlayıcı özellikleri yapısal hiyerarşi, çok işlevlilik ve kendi kendini iyileştirme yeteneğini içerir. Kendi kendini örgütleme aynı zamanda birçok biyolojik materyalin temel bir özelliğidir ve yapıların moleküler seviyeden montaj şekli durumlarını düzeltir. Böylece, kendi kendine toplanma yüksek performanslı biyomalzemelerin kimyasal sentezinde yeni bir strateji olarak ortaya çıkmaktadır.

Fiziki ozellikleri

Kimyasal bileşimin kesin kanıtını sağlayan elementlerin ve bileşiklerin fiziksel özellikleri arasında koku, renk, hacim, yoğunluk (birim hacim başına kütle), erime noktası, kaynama noktası, ısı kapasitesi, oda sıcaklığında fiziksel form ve şekil (katı, sıvı veya gaz) bulunur. ; kübik, trigonal kristaller, vb.), sertlik, gözeneklilik, kırılma indisi ve diğerleri yer alır. Bu bölüm katı haldeki malzemelerin bazı fiziksel özelliklerini tartışmaktadır.

Mekanik

Malzemelerin mekanik özellikleri, mukavemet ve deformasyona karşı direnç gibi özellikleri tanımlar. Örneğin, çelik kirişler yüksek mukavemetleri nedeniyle inşaatta kullanılır, yani uygulanan yük altında ne kırılır ne de önemli ölçüde bükülürler.

Mekanik özellikler, esneklik ve plastisite, çekme mukavemeti, basınç mukavemeti, kayma mukavemeti, kırılma tokluğu, süneklik (kırılgan malzemelerde düşük) ve girinti sertliğini içerir. Katı mekanik, dış kuvvetler ve sıcaklık değişimleri gibi dış etkiler altında katı maddenin davranışının incelenmesidir.

Bir katı, sıvıların yaptığı gibi makroskopik akış sergilemez. Orijinal şeklinden herhangi bir sapma derecesine deformasyon denir. Deformasyonun orijinal boyuta oranı gerilme olarak adlandırılır. Uygulanan stres yeterince düşükse, hemen hemen tüm katı maddeler, gerilim, stresle doğru orantılı olacak şekilde davranır (Hooke yasası). Oranın katsayısına elastikiyet modülü veya Young modülü denir. Bu deformasyon bölgesi doğrusal elastik bölge olarak bilinir. Üç model, bir katının uygulanan strese nasıl tepki verdiğini açıklayabilir:

• Esneklik - Uygulanan bir gerilme kaldırıldığında, malzeme deforme olmamış durumuna geri döner.
• Viskoelastisite - Bunlar elastik olarak davranan ancak aynı zamanda sönümleme yapan malzemelerdir. Uygulanan gerilme giderildiğinde, sönümleme etkilerine karşı çalışma yapılmalıdır ve malzeme içindeki ısıya dönüştürülür.

Bu, gerilim-gerinim eğrisinde bir histerezis döngüsüyle sonuçlanır. Bu, mekanik tepkinin zamana bağlı olduğunu gösterir.

• Plastisite - Elastik olarak davranan malzemeler genellikle uygulanan gerilim bir verim değerinden daha az olduğunda bunu yapar. Stres akma geriliminden daha büyük olduğunda, malzeme plastik olarak davranır ve önceki durumuna geri dönmez. Yani, kalıcı olan verimden sonra geri dönüşümsüz plastik deformasyon (veya viskoz akış) meydana gelir.

Birçok malzeme yüksek sıcaklıklarda zayıflar. Refrakter malzemeler olarak adlandırılan yüksek sıcaklıklarda mukavemetlerini koruyan malzemeler birçok amaç için yararlıdır. Örneğin, cam seramikler, mükemmel mekanik özellikler sergiledikleri ve 1000 °C'ye kadar tekrarlanan ve hızlı sıcaklık değişimlerini sürdürebildikleri için tezgah üstü pişirme için son derece yararlı hale gelmiştir. Havacılık ve uzay endüstrisinde, uçak ve / veya uzay aracı dış tasarımında kullanılan yüksek performanslı malzemeler termal şoka karşı yüksek dirence sahip olmalıdır. Böylece, organik polimerlerden ve polimer / seramik / metal kompozit malzemelerden ve elyaf takviyeli polimerlerden çıkan sentetik elyaflar, bu amaç göz önünde bulundurularak tasarlanmaktadır.

Termal

Katı maddeler termal enerjiye sahip olduklarından, atomları sıralı (veya düzensiz) kafes içindeki sabit ortalama konumlar etrafında titreşir. Kristalin veya camsı bir ağdaki kafes titreşimleri spektrumu, katıların kinetik teorisinin temelini oluşturur. Bu hareket atom seviyesinde gerçekleşir ve bu nedenle spektroskopide kullanılanlar gibi yüksek derecede özel ekipman olmadan gözlemlenemez veya tespit edilemez.

Katıların termal özellikleri, ısı iletme kabiliyetini gösteren bir malzemenin özelliği olan termal iletkenliği içerir. Katılar ayrıca, bir malzemenin enerjiyi ısı (veya termal kafes titreşimleri) şeklinde depolama kapasitesi olan spesifik bir ısı kapasitesine sahiptir.

Elektriksel

Elektriksel özellikler iletkenlik, direnç, empedans ve kapasitansı içerir. Metaller ve alaşımlar gibi elektrik iletkenleri, camlar ve seramikler gibi elektrik yalıtkanları ile kontrast oluşturur. Yarı iletkenler arasında bir yerde hareket edereler. Metallerdeki iletkenlik elektronlardan kaynaklanırken, hem elektronlar hem de delikler yarı iletkenlerde akıma katkıda bulunur. Alternatif olarak iyonlar, iyonik iletkenlerde elektrik akımını destekler.

Birçok malzeme ayrıca düşük sıcaklıklarda süper iletkenlik gösterir; kalay ve alüminyum gibi metalik elementler, çeşitli metalik alaşımlar, bazı ağır katkılı yarı iletkenler ve bazı seramikler içerir. Çoğu elektriksel (metalik) iletkenin elektriksel direnci genellikle sıcaklık düşürüldükçe kademeli olarak azalır, ancak sınırlı kalır. Ancak bir süperiletkende, malzeme kritik sıcaklığının altına soğutulduğunda direnç aniden sıfıra düşer. Süper iletken tel halkası içinde akan bir elektrik akımı, güç kaynağı olmadan süresiz olarak devam edebilir.

Bir dielektrik veya elektrik yalıtkanı, elektrik akımının akışına karşı oldukça dirençli bir maddedir. Plastik gibi bir dielektrik, uygulanan bir elektrik alanını kendi içinde yoğunlaştırır, bu özellik kapasitörlerde kullanılır. Bir kondansatör, bir çift birbirine yakın iletken ('plakalar' olarak adlandırılır) arasındaki elektrik alanında enerji depolayabilen elektrikli bir cihazdır. Kondansatöre voltaj uygulandığında, her bir plaka üzerinde eşit büyüklükte, ancak zıt kutuplu elektrik yükleri birikir. Kapasitörler, elektrik devrelerinde enerji depolama cihazları olarak ve ayrıca yüksek frekanslı ve düşük frekanslı sinyalleri ayırt etmek için elektronik filtrelerde kullanılır.

Elektro-mekanik

Piezoelektrik, kristallerin uygulanan mekanik strese tepki olarak bir voltaj üretme yeteneğidir. Piezoelektrik etki, harici olarak uygulanan bir voltaja maruz kaldığında piezoelektrik kristallerin şekli az miktarda değiştirebilmesiyle tersine çevrilebilir. Kauçuk, yün, saç, odun lifi ve ipek gibi polimer malzemeler genellikle elektret görevi görür. Örneğin, polimer poliviniliden florür (PVDF), geleneksel piezoelektrik malzeme kuvarsından (kristalin SiO₂) birkaç kat daha büyük bir piezoelektrik tepki sergiler. Deformasyon (~% 0.1), yüksek voltaj kaynakları, hoparlörler, lazerler, kimyasal, biyolojik ve akustik optik sensörler ve / veya dönüştürücüler gibi yararlı teknik uygulamalara uygundur.

Optik

Malzemeler görünür ışığı iletebilir (örn. Cam) veya yansıtabilir (örn. Metaller).

Birçok malzeme diğerlerini bloke ederken bazı dalga boylarını iletir. Örneğin, pencere camı görünür ışığa karşı şeffaftır, ancak güneş yanığına neden olan ultraviyole ışığın frekanslarının çoğuna göre çok daha azdır. Bu özellik, gelen ışığın rengini değiştirebilen frekans seçici optik filtreler için kullanılır.

Bazı amaçlar için, bir malzemenin hem optik hem de mekanik özellikleri ilgi çekici olabilir. Örneğin, bir kızılötesi güdümlü ("ısı arayan") füze üzerindeki sensörler, kızılötesi radyasyona şeffaf bir örtü ile korunmalıdır. Yüksek hızlı kızılötesi güdümlü füze kubbeleri için mevcut malzeme tek kristal safirdir. Safirin optik iletimi aslında tüm orta kızılötesi aralığını (3-5 µm) kapsayacak şekilde uzanmaz, ancak oda sıcaklığında yaklaşık 4.5 um'den daha büyük dalga boylarında düşmeye başlar. Safir gücü oda sıcaklığında mevcut diğer orta menzilli kızılötesi kubbe malzemelerinden daha iyi olsa da, 600 °C'nin üzerinde zayıflar. Optik bant geçiren ve mekanik dayanıklılık arasında uzun süredir devam eden bir denge vardır; şeffaf seramikler veya optik nanokompozitler gibi yeni malzemeler gelişmiş performans sağlayabilir.

Kılavuzlu ışık dalgası iletimi, fiber optik alanını ve belirli gözlüklerin aynı anda ve düşük yoğunluk kaybıyla, aralarında çok az parazit bulunan bir dizi frekansı (çok modlu optik dalga kılavuzları) iletme yeteneğini içerir. Optik dalga kılavuzları, entegre optik devrelerde bileşen olarak veya optik iletişim sistemlerinde iletim ortamı olarak kullanılır.

Opto-elektronik

Güneş pili veya fotovoltaik hücre, ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Temel olarak, cihazın sadece iki işlevi yerine getirmesi gerekir: ışığı emen bir malzemede şarj taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) fotoğraf üretimi ve şarj taşıyıcılarının elektriği iletecek iletken bir temasa ayrılması (basitçe koymak, elektron taşımak) bir metal kontaktan harici bir devreye iletimi icerir. Bu dönüşüme fotoelektrik etki denir ve güneş pilleri ile ilgili araştırma alanına fotovoltaik denir.

Güneş pillerinin birçok uygulaması vardır. Uzak alan güç sistemleri, Dünya yörüngesindeki uydular ve uzay probları, el tipi hesap makineleri, kol saatleri, uzak telsiz telefonlar ve su pompalama uygulamaları gibi şebekeden elektrik gücünün bulunmadığı durumlarda uzun zamandır kullanılmaktadır. Daha yakın zamanlarda, bir invertör aracılığıyla elektrik şebekesine bağlanan güneş modüllerinin (fotovoltaik diziler) montajlarında kullanılmaya başlanıyor, bu da tek bir besleme olarak değil, ek bir elektrik kaynağı olarak hareket ediyor.

Tüm güneş pilleri, fotonları emmek ve fotovoltaik etki yoluyla elektron üretmek için hücre yapısı içinde bulunan bir ışık emici malzeme gerektirir. Güneş pillerinde kullanılan malzemeler, dünya yüzeyine ulaşan güneş ışığının dalga boylarını tercihen emme özelliğine sahiptir. Bazı güneş pilleri Dünya atmosferinin ötesinde ışık emilimi için de optimize edilmiştir.