Materjaliteadus: erinevus redaktsioonide vahel

Materjaliteadus kui eraldiseisev teadusharu kujunes välja [[20. sajand]]i jooksul, saades tihti alguse ülikoolide [[metallurgia]] osakondadest. Materjaliteadus on viimastel aastakümnetel muutunud eriti tähtsaks, sest mitmete teoreetiliselt väljamõeldud tehniliste rakenduste jaoks pole sobivaid materjale ([[ülijuhtivus|ülijuhid]], [[kosmoselift]]).<ref name="callister6" />

[[Tööriist]]ade ja [[relv]]ade valmistamiseks põhiliselt kasutatav materjal defineerib tihti ajastu. Heaks näiteks on [[kiviaeg]], [[pronksiaeg]] ja [[rauaaeg]]. Materjaliteadus on saanud alguse [[keraamika]] valmistamisest ja [[metallurgia]]st ning on seega üks vanimaid inseneri- ja rakendusteaduse vorme. Tänapäevane materjaliteadus on arenenud otse metallurgiast, mis omakorda arenes tõenäoliselt [[Kaevandamine|kaevandamisest]] ja keraamikast ning [[tuli|tule]] kasutamisest. Suur läbimurre materjalide mõistmises toimus [[19. sajand]]i lõpus, kui [[Ameerika Ühendriigid|USA]] teadlane [[Josiah Willard Gibbs]] demonstreeris, et [[Termodünaamika|termodünaamilised]] omadused, mis on seotud [[aatom]]i struktuuriga aine erinevates [[Faas (füüsikaline keemia)|faasides]], on seotud materjali füüsikaliste omadustega. Mitmed olulised tänapäevase materjaliteaduse elemendid on kosmoseralli tulemus: selle läbi õpiti mõistma metallisulamite, räni- ja süsinikmaterjalide valmistamist, mida kasutati kosmosesõidukite valmistamisel. Materjaliteadust on edasi tõuganud selliste revolutsiooniliste materjalide nagu [[Plast|plastide]], [[pooljuht|pooljuhtide]] ja [[biomaterjal|biomaterjalide]] kasutuselevõtmine.<ref name="callister" /><ref name="shack" />

Enne 1960. aastaid ja mõnikord veel aastakümneid hiljem, tegeleti materjaliteadusega põhiliselt metallurgia osakondades, kuna 19. sajandil ja 20. sajandi alguses pandi suurt rõhku metallidele. Sellest ajast alates on tööpõld oluliselt laienenud ja tegeldakse igasuguste materjaliklassidega: keraamika, [[polümeerid]], pooljuhid, magnetilised materjalid, meditsiinilised [[implantaat|implantaadid]] ja biomaterjalid.<ref name="shack" />

Materjaliteaduse eesmärk ei ole juhuslikult otsida ja avastada uusi materjale ning siis nende omadusi kasutada. Üritatakse õppida materjale mõistma ja seeläbi disainida uusi materjale, mille omadused vastaksid mingi konkreetse rakenduse vajadustele. Mitmete teoreetiliselt väljatöötatud rakenduste valmistamine jääb sobivate materjalide puudumise taha. Mitmed küsimused [[energeetika]]s seisavad sobivate materjalide puudumise taga. Näiteks tuumaenergeetika vajab paremaid materjale efektiivsemate kütuste ja reaktorite valmistamiseks ning jäätmete ohutumaks hoiustamiseks. Uusi materjale otsitakse efektiivsemate [[päikesepatarei]]de jaoks, vesinikkütuselementide valmistamiseks ja ülijuhtide valmistamiseks, mis võimaldaks elektrienergiat transportida oluliselt väiksemate kadudega.<ref name="callister6" />

Metallide alla kuuluvad materjalid, mis koosnevad ühest või rohkemast metallilisest elemendist (näiteks [[raud]], [[alumiinium]], [[kuld]]) ja sisaldavad tihti väikeses koguses [[Mittemetallid|mittemetallilisi]] ühendeid (näiteks [[süsinik]]ku, [[hapnik]]ku, [[lämmastik]]ku).<ref name="callister2" />

Keraamilised materjalid on ühendid metallilistest ja mittemetallilistest ühenditest. Enamasti on tegemist [[oksiid]]ide, [[nitraat]]ide ja [[karbiid]]idega (näiteks [[alumiiniumi oksiid]] Al₂O₃ või [[ränikarbiid]] SiC). Vahel räägitakse eraldi veel traditsioonilisest keraamikast: need materjalid, mis koosnevad savimineraalidest, lisaks veel [[klaas]] ja [[tsement]]. Keraamilised materjalid on mehaaniliselt jäigad, tugevad ja kõvad, kuid väga haprad ja mõranevad kergesti. Elektrit ja soojust juhivad halvasti. Taluvad hästi kõrgeid temperatuure ja söövitavat keskkonda.<ref name="callister1" />

Polümeeride hulka kuuluvad näiteks plastid ja [[kumm]]ist materjalid. Paljud neist on orgaanilised materjalid, mis põhinevad süsinikul, [[vesinik]]ul ja teistel mittemetallilistel elementidel. Neil on suured molekulid, mille struktuuri aluseks on tihti süsinikuahelad (näiteks [[polüetüleen]] (PE), [[vinüülkloriid]] (PVC)). Sellised materjalid on tihti väikse tihedusega ja nende mehaanilised omadused erinevad tugevalt metallidest ja keraamikast. Polümeeride põhiliseks tugevuseks on kerge töödeldavus ja suhteline inertsus erinevate keemiliste reagentide suhtes. Miinuseks kalduvus juba suhteliselt madalatel temperatuuridel pehmeks muutuda. Polümeerid ei juhi üldjuhul elektrit ja neil pole magnetilisi omadusi.<ref name="callister3" />

[[Komposiitmaterjal]]id koosnevad vähemalt kahest individuaalsest materjalist, mis pärinevad juba mainitud materjalide kategooriatest (metallid, keraamika, polümeerid). Materjale kombineerides üritatakse saavutada omaduste kombinatsiooni, mida ühelgi materjalil individuaalselt ei ole. Komposiitmaterjalideks loetakse ka mõningais looduslikult esinevaid materjale, näiteks [[puit]] ja [[luu]]. Tõenäoliselt tuntuim tehismaterjalide näide on klaaskiud.<ref name="callister4" />

Pooljuhid on materjalid, mis asuvad [[Elektrijuht|juhtide]] ja [[dielektrik]]ute vahepeal. Nende materjalide omadused on tugevas sõltuses nende puhtusest: väga väike kogus mingi muu aine aatomeid muudab juba nende omadusi. Pooljuhid on teinud võimalikuks tänapäeva [[elektroonika]] ja [[arvuti]]te arengu.<ref name="callister5" />

Biomaterjale kasutatakse erinevate implantaatide valmistamiseks. On oluline, et need ei eritaks organismi toksilisi aineid ja sobiksid keha kudedega kokku. Kõiki eespool nimetatud materjale võib kasutada biomaterjalidena.<ref name="callister5" />

Tulevikus võetakse ilmselt üha laialdasemalt kasutusele nn tarku materjale. Materjalid on "targad" selles mõttes, et suudavad tajuda mingeid muudatusi oma keskkonnas ja neile siis vastavalt reageerida. Teine valdkond, mis tugevalt edasi areneb, on nanotehnoloogiat kasutades valmistatud materjalid. Sellised materjalid valmistatakse üksikuid molekule, aatomeid või nende kihte paika asetades (näiteks süsiniku nanotorud).<ref name="callister6" />

{{Viitedviited|allikad=

<ref name="callister"> Callister 2007, lk 2–5 </ref>

<ref name="callister2"> Callister 2007, lk 5–6 </ref>

<ref name="callister1"> Callister 2007, lk 6–8 </ref>

<ref name="callister3"> Callister 2007, lk 8–9 </ref>

<ref name="callister4"> Callister 2007, lk 10–11 </ref>

<ref name="callister5"> Callister 2007, lk 11 </ref>

<ref name="callister6"> Callister 2007, lk 11–13 </ref>

<ref name="shack"> Shackelford 2009, lk 13–15 </ref>