Malzeme Bilimi Nedir? Temel Prensipleri Nelerdir?



Malzeme bilimi, yaygın olarak bilinen adıyla malzeme bilimi ve mühendisliği, yeni materyallerin tasarımı ve keşfi ile ilgilenen bilimler arası alandır. Paradigmalarıyla malzemeleri incelemeyi içeren yeni bir bilim alanı olmasına rağmen, asıl fikir Aydınlanma Dönemindeki kimya, mineroloji ve mühendislik alanlarının ortaya çıkışına kadar uzanır. Malzeme bilimi fizik ve kimyayı birleştirir ve nanobilim ve nano teknoloji araştırmalarında ön planda yer alır. Son yıllarda malzeme bilimi belirli bir bilim ve mühendislik dalı olarak daha çok bilinmeye başladı.

Bir çağın malzeme seçimi genellikle belirleyici bir noktadır. Taş Devri, Bron Çağı, Demir Çağı ve Çelik Çağı gibi ifadeler buna güzel birer örnek. Aslında seramik üretiminden ve onun türevi sayılan metalurjiden orataya çıkan malzeme bilimi uygulama bilimlerin ve mühendisliğin en eski formlarından biridir. Modern malzeme bilimi doğrudan madencilik, seramik ve ateş kullanımından gelişmiş olan metalurjiden gelişmiştir. Malzemeleri anlamadaki büyük atılım 19. Yüzyılın sonlarında Amerikan bilim adamı Josiah Willard Gibbs farklı evrelerdeki atomic yapılarla bağlantılı termodinamik özelliklerin bir materyalin fiziksel özellikleriyle bağlantılı olduğunu ortaya çıkarmasıyla meydana geldi. Modern malzeme biliminin önemli unsurları uzay yarışının bir sonucudur; uzayın keşfedilmesini sağlayan uzay araçlarının yapımında kullanılan metal alaşımların, çakmaktaşının ve karbon materyallerin anlaşılması ve tekniği. Malzeme bilimi plastic yarı iletkenler ve biyomateryaller gibi yenilikçi teknolojilerin gelişimini etkilemiş ve bu gelişimden etkilenmiştir.

1960’lardan önce, birçok malzeme bilimi bölümü 19. Ve 20. Yüzyılın metallere verdiği önemin bir yansıması olarak metalurji bölümü olarak adlandırılmıştı. Amerika Birleşik Devletleri’nde malzeme biliminin büyümesi 1960’lı yıllarda malzeme bilimindeki temel araştırma ve eğitimin ulusal programını genişletmek amacıyla birçok üniversite laboratuvarlarını finanse eden İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından kolaylaştırıldı. Alan o zamandan beri seramik, polimerler, yarı iletkenler, manyetik materyaller, tıbbı implant malzemeleri, biyolojik malzemeler ve nano materyaller de dahil olmak üzere her sınıf malzemeyi içerecek şekilde genişledi.

Malzeme bilimi 1960’lı yıllardan başlayarak gelişti çünkü farkına varıldı ki yeni malzemeler yaratmak, keşfetmek ve tasarlamak için birleşik biçimde yaklaşılması gerekir.Böylece malzeme bilimi ve mühendisliği metalurji, katı hal fiziği, kimya, kimya mühendisliği,makine mühendisliği ve elektrik mühendisliği gibi çeşitli alanların kesişiminde ortaya çıktı.

Bu alan doğal olarak bilimler arası bir brans ve malzeme bilimciler/mühendisleri fizikçilerin, kimyagerlerin ve mühendislerin yöntemlerinin farkında olmalı ve faydalanmalı. Dolayısıyla bu alan diğerleriyle yakın bir ilişki sürdürür. Ayrıca birçok fizikçi, kimyager ve mühendis kendilerini malzeme biliminde çalışırken bulurlar.

Fizik ve malzeme bilimindeki bu örtüşme malzemelerin fiziksel özellikleriyle ilgilenen malzeme fiziği yan dalının oluşmasına yol açtı. Bu yaklaşım genel olarak daha makroskopik ve yoğun madde fiziğinden daha çok uygulanır.

Malzeme bilimi ve mühendisliği alanı mühendislik açısından olduğu kadar bilimsel açıdan da öneme sahip. Yeni malzemeler keşfederken daha önce gözlemlenmemiş bir fenomenle karşılaşılabilir. Dolayısıyla malzemelerle çalışırken keşfedilecek birçok bilimsel olgu var. Malzeme bilimi ayrıca yoğun madde fiziği teorileri için test imkanı sağlar.

Bir mühendis için malzeme büyük önem taşır. Uygun malzemenin kullanımı sistem tasarlarken çok önemlidir ve bu yüzden mühendisler daima malzemelerle ilgilenir. Dolayısıyla malzeme bilimi mühendislik eğitiminde giderek önemli hale geliyor.

Malzeme Biliminin Temel Prensipleri

Bir malzeme belirli uygulamalar için kullanılması amaçlanan bir madde (çoğunlukla katı ancak diğer yoğun fazlar da dahil edilebilir) olarak tanımlanır. Etrafımızda binalardan uzay araçlarında kadar her yerde bulunabilecek çok sayıda malzeme var. Malzemeler genellikle iki gruba ayrılabilirler: Kristal ve kristalsiz. Malzemelerin eski örnekleri olarak metaller, seramikler ve polimerler verilebilir. Geliştirilmekte olan yeni ve ileri düzeyde malzemeler yarı iletkenler, nano materyaller ve biyomateryalleri içerir.

Malzeme biliminin temeli materyallerin yapısını incelemek ve özellikleriyle ilişkilendirmek oluşturur. Bir malzeme bilimci yapı-özellik ilişkisini öğrendiği anda bir malzemenin belirli bir uygulamadaki göreceli performansını çalışmaya geçebilir. Bir malzemenin önemli yapı belirleyicileri ve dolayısıyla özellikleri onun kimyasal element bileşenleri ve son duruma getirildiği yoldur. Bir araya getirilen ve kinetic ve termodinamik kurallarıyla ilişkilendirilen bu nitelikler malzemenin mikroyapısını ve özelliklerini yönetir.

Yapı: Yukarıda da bahsedildiği gibi yapı malzeme bilimi alanının en önemli unsurlarından biridir. Malzeme bilimi malzemelerin atomik ölçekten makro ölçeğe kadar yapılarını inceler. Nitelendirme malzeme bilimcilerin malzemenin yapısını inceledikleri yoldur. X ışını kırılması, elektronlar ve nötronlar, tayfölçümünün farklı formlar gibi teknikleri ve Raman tayfölçümü, enerji ayıran tayfölçümü (EDS), kromatografi, termal analiz, electron mikroskop analizi gibi kimyasal analizleri içerir. Yapı aşağıda açıklandığı gibi farklı seviyelerde incelenir.

Atom Yapısı: Materyallerin atomlarıyle ve moleküller, kristaller vb. vermek için nasıl düzenlendikleriyle ilgilenir. Malzemenin elektrik, manyetik ce kimyasal özelliklerinden çoğu yapının bu seviyesinden doğmuştur. İlgili uzunluk ölçüleri angtstrom (0.1 nm) birimindedir. Atomların be moleküllerin bağ yapma ve dizilme şekli herhangi bir materyalin davranışını ve özelliklerini incelemede esastır.

Nanoyapı: Nanoyapı 1-100 nm aralığındaki yapılarla ve nesnelerle ilgilenir. Birçok materyalde, atomlar ve moleküller nanoölçekte nesneler oluşturmak için bir araya gelirler. Bu birçok ilginç elektrik, manyetik, optic ve mekanik özelliklerin oluşmasına yol açar.

Nanoyapıları tanımlarken nanoölçekteki boyutların sayısı arasında ayrım yapmak gereklidir. Nanodokulu yüzeyler nanoölçekte tek boyuta sahipler, örneğin bir nesnenin yüzey kalınlığı 0.1 ile 100 nm arasındadır. Nanotüpler nano ölçekte iki boyutludur, örneğin tüpün çapı 0.1 ile 100 nm, ki bu uzunluk çok daha fazla olabilir, arasındadır.Son olarak da nanoparçacıklar nanoölçekte üç boyutludur, örneğin parçacık her üç boyutta da 0.1 ile 100 nm arasındadır. Nanoparçacık ve çok küçük parçacık (UFP) terimleri genellikle eş anlamlı kullanılır ancak UFP mikrometre aralığa ulaşabilir. Nanoyapı terimi genelde manyetik teknolojisinden bahsederken kullanılır. Biyolojide nanoölçek yapı genellikle ultrastrüktür olarak adlandırılır.

Atom ya da molekülleri nanoölçekte bileşen oluşturan materyaller (nanoyapı oluşturan) nanomateryal olarak adlandırılır. Nanomateryaller sahip oldukları eşsiz özellikler dolayısıyla malzeme biliminde yoğun araştırma konusudur.

Mikroyapı: Mikroyapı hazır bir yüzeyin yapısı ya da mikroskopla 25 katın üzerinde büyütülen materyalin ince foyası olarak tanımlanır. 100 nm’den birkaç cm büyüklükteki nesnelerle ilgilenir. Bir malzemenin (metal, polimer, seramik ve kompozit olarak kabaca sınıflanabilir) mikroyapısı güç,dayanıklılık, esneklik, sertlik, yüksek/düşük sıcaklıktaki davranış, aşınma direnci gibi birçok fiziksel özelliği etkileyebilir. Gelenksel malzemelerin (metal ve seramik gibi) çoğu mikroyapıdadır.

Bir malzemenin mükemmel bir kristalinin üretimi fiziksel olarak imkansızdır. Örneğin bir kristal malzeme tortular, tane sınırı (Hall-Patch ilişkisi), arayer atomları, boşluklar ya da yer değişimli atomlar gibi bazı kusurlar içerecektir. Materyallerin mikroyapısı bu kusurları açığa çıkarır ki üzerinde çalışılabilsin.

Makroyapı: Makroyapı bir materyalin militmetreden metreye kadar olan çıplak gözle görebildiğimiz malzemelerin yapısının görüntüsüdür.

Kristalografi: Kristalografi kristal katılarda atom dizilimini inceleyen bilimdir ve malzeme bilimciler için çok kullanışlı bir araçtır. Tek kristallerde atomların kristal diziliminin etkisi genelde makroskopik olarak görmesi çok kolaydır çünkü kristallerin doğal şekilleri atom yapısını yansıtır. Ayrıca, fiziksel özellikler genellikle kristal kusurlar tarafından kontrol edilir. Kristal yapıları anlamak kristalografik kusurları anlamak için önemli bir önkoşuldur. Çoğunlukla, materyaller tek bir kristal halinde değil çoklu kristal yapıda (farklı yönelimlerdeki küçük kristal toplamında olduğu gibi) oluşurlar. Bu nedenden dolayı, çok sayıda kristalle çoklu kristal örneklerinin kırılma örüntülerini kullanan toz kırınımı yöntemi yapısal belirlemede önemli bir rol oynar. Çoğu malzemeler kristal yapıya sahip. Ancak bazı düzenli kristal yapı göstermeyen önemli malzemeler var. Polimerler farklı ölçülerde kristallik gösterir be birçoğu tamamen kristalsizdir. Cam, bazı seramikler ve birçok doğal materyaller biçimsizdir yani atom dizilimlerinde uzun mesafeli sıralamalara sahip değiller. Polimerlerin çalışılması kimyasal elementleri ve mekanik, fiziksel özelliklerin tanımları ve termodinamik vermek için istatistiksel termodinamikleri birleştirir.

Bağlanma: Malzeme yapısını ve özellikleriyle bağlantısını tam olarak anlamak için malzeme bilimcilerin atomların, iyonların ve moleküllerin nasıl farklı dizildiklerini ve birbirlerine nasıl bağlandıklarını çalışmaları gerekir. Bu kuantum kimyası ya da kuantum fiziğinin çalışması ya da kullanımını içerir. Katı hal fiziği, katı hal kimyası ve fiziksel kimya da ayrıca bağlanma ve yapı çalışmalarında yer alır.

Özellikler

Materyaller çok sayıda özellikler gösterir. Önemli özellikler şunlardır:

  • Mekanik özellikleri
  • Kimyasal özellikler
  • Elektrik özellikleri
  • Termal özellikler
  • Optik özellikler
  • Manyetik özellikler

Bir materyalin özellikleri o maddenin kullanılabilirliğini ve dolayısıyla da teknik uygulamsını belirler.

Sentez ve İşleme: Sentez ve işleme materyalin istenilen mikro/nanoyapıyla oluşturulmasını içerir. Teknik bir açıdan bakıldığında, bir malzeme eğer hiç ekonomik üretim metodu geliştirilmemişse endüstride kullanılamaz. Bu nedenle materyallerin işlenmesi malzeme bilimi alanında çok önemlidir.

Farklı malzemeler farklı işleme/sentez teknikleri gerektirir. Örneğin metalin işlenmesi tarih boyunca çok önemli olmuştur ve fiziksel metalurji diye bilinen malzeme biliminin bir dalı altında çalışılır. Ayrıca kimyasal ve fiziksel teknikler polimer, seramik ve ince filmler gibi materyallerin sentezlenmesinde kullanılır. Son zamanlarda grafen gibi nanomateryaller in sentezlenmesi için yeni teknikler geliştiriliyor.



Atatürk Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Biyoloji Bölümü Mezunu.

Yorum Bırak:

E-posta adresiniz burada yayımlanmayacak.

Site Footer