علم المواد

The Materials Science Tetrahedron, which often also includes Characterization at the center

علم المواد Materials science أو هندسة المواد materials engineering هو حقل متعدد التخصصات يتضمن خواص المادة وتطبيقاتها في مختلف ساحات العلم و الهندسة. وهذا العلم يبحث العلاقة بين بنية المواد وخصائصها. لذلك فهو يضم عناصر من القيزياء التطبيقية والكيمياء, وكذلك الهندسة الكيميائية, الميكانيكية, المدنية والكهربائية. ومع الاهتمام الإعلامي المتزايد بعلم النانو ,تكنولوجيا النانو في السنين الأخيرة, فإن علم المواد قد أصبح في مقدمة العلوم في العديد من الجامعات. وهو جزء هام أيضاُ من الهنسة الشرعية و هندسة المواد الشرعية, وهي دراسة المنتجات الفاشلة ومكوناتها.

كانت المواد المستخدمة في أي عصر من العصور هي ما يحدد اسم هذا العصر، فقد كان هناك العصر الحجري ، والعصر البرونزي كأمثلة على ذلك. ويعتبر علم المواد أحد أقدم أشكال الهندسة والعلوم التطبيقية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تاريخ وتطور علم المواد

ولقد برع العلماء المسلمون قديما في هذا العلم وخصوصا علم المعادن ومنهم: ابن سينا الذي يعتبر أول من درس وصنف المعادن, البيروني مؤلف كتاب "الجاهر في معرفة الجواهر" الذي يدرس علم المعادن, التيفاشي صاحب كتاب "أزهار الأفكار في جواهر الأحجار" الذي يصف فيه المعادن والأحجار الكريمة, وكذلك ابن الاكفاني مؤلف كتاب "نخب الذخائر في أحوال الجواهر".

وقد تطور علم المواد الحديث من دراسة علم الفلزات إنگليزية: metallurgy التي تطورت بدورها من مجال التعدين. وقد حدثت طفرة كبيرة في فهم علوم المواد أثناء القرن التاسع عشر عندما أثبت ويلارد گيبس أن الخواص الديناميكية الحرارية (الثرموديناميكية) المتعلقة بالتركيب الذري في مختلف حالات المادة ترتبط بالخواص الفيزيائية للمادة، وقد جاءت الكثير من المواد الجديدة كنتيجة للسباق الفضائي، ومن بينها السبائك المعدنية ومواد الكربون والسيليكون التي تستخدم في بناء مركبات الفضاء، وقد كان علم المواد عاملا دافعا لتطوير تقنيات لمواد أحدثت تغيرات ثورية مثل البلاستيك وأشباه الموصلات.

 أساسيات علوم المواد

في علم المواد، بدلا من البحث بشكل عشوائي عن مواد جديدة ومحاولة استكشاف خواصها، يكون الهدف هو فهم المواد على نحو جوهري حتى يمكن إنشاء مواد جديدة يكون لها الصفات المطلوبة. ويتضمن أساس علم المواد ربط المواصفات المطلوبة والأداء النسبي لإحدى المواد في نطاق تطبيق معين ببنية الذرات وحالات المادة وذلك من خلال عملية التوصيف. أما أهم العوامل المحددة لبنية المادة وبالتالي خواصها فهي العناصر الكيميائية المكونة لها والطريقة التي تم معالجتها من خلالها للوصول إلى الصورة النهائية. وهذه العوامل إذا تم التعامل معها معا وربطها بقوانين الديناميكا الحرارية، فهي تحكم البنية الدقيقة أو المجهرية إنگليزية: microstructure للمادة وبالتالي خواصها.

 عيوب المواد

وهناك مقولة قديمة في علم المواد تقول: المواد مثل البشر، عيوبها هي التي تجعلها مثيرة للاهتمام . وتعد صناعة بلورة بدون عيوب لإحدى المواد حاليا غير ممكنة فيزيائيا. وبدلا من ذلك يقوم علماء المواد بالتحكم في العيوب الموجودة في المواد المتبلورة ، إنگليزية: crystalline materials، وهذه العيوب مثل الرواسب وحدود الحبيبات إنگليزية: grain boundaries والذرات الدخيلة إنگليزية: interstitial atoms والفجوات إنگليزية: vacancies أو الذرات التبديلية إنگليزية: substitutional atoms، وذلك من أجل تكوين مواد يكون لها الخواص المطلوبة.

 بنية المواد

وليس لجميع المواد تركيب بلوري منتظم ، فالفلزات كلها متبلورة عند تجمدها في ظروف تبريد عادية ، أما اللدائن فيبدو عليها درجات مختلفة من التبلور، أما الزجاجيات وبعض أنواع الخزفيات والعديد من المواد الطبيعية هي غير متبلورة إنگليزية: amorphous وليس لديها أي تنظيم طويل المدى في التشكيل الذري، وهذه المواد أصعب كثيرا في معالجتها وتشكيلها أكثر من المواد المتبلورة.

 تقسيم المواد

ويمكن تقسيم المواد عامة إلى ثلاثة أقسام هي: الفلزات و البوليمرات و الخزفيات (السيراميك). وكل قسم له خواصه الفيزيائية والكيميائية المميزة.

 طبقات المواد (حسب نوع الرابطة)

Materials science encompasses various classes of materials, each of which may constitute a separate field. Materials are sometimes classified by the type of bonding present between the atoms:

1. Ionic crystals
2. Covalent crystals
3. علم الفلزات
4. فلزات
5. Intermetallics
6. Semiconductors
7. پوليمرات
8. Composite materials
9. Vitreous materials

 فروع علم المواد

• Nanotechnology – rigorously, the study of materials where the effects of quantum confinement, the Gibbs-Thomson effect, or any other effect only present at the nanoscale is the defining property of the material; but more commonly, it is the creation and study of materials whose defining structural properties are anywhere from less than a nanometer to one hundred nanometers in scale, such as molecularly engineered materials.
• Crystallography – the study of how atoms in a solid fill space, the defects associated with crystal structures such as grain boundaries and dislocations, and the characterization of these structures and their relation to physical properties.
• Materials Characterization – such as diffraction with x-rays, electrons, or neutrons, and various forms of spectroscopy and chemical analysis such as Raman spectroscopy, energy-dispersive spectroscopy (EDS), chromatography, thermal analysis, electron microscope analysis, etc., in order to understand and define the properties of materials. See also List of surface analysis methods
• Metallurgy – the study of metals and their alloys, including their extraction, microstructure and processing.
• Biomaterials – materials that are derived from and/or used with biological systems.
• Electronic and magnetic materials – materials such as semiconductors used to create integrated circuits, storage media, sensors, and other devices.
• Tribology – the study of the wear of materials due to friction and other factors.
• Surface science/Catalysis – interactions and structures between solid-gas solid-liquid or solid-solid interfaces.
• Ceramography – the study of the microstructures of high-temperature materials and refractories, including structural ceramics such as RCC, polycrystalline silicon carbide and transformation toughened ceramics

Some practitioners often consider rheology a sub-field of materials science, because it can cover any material that flows. However, modern rheology typically deals with non-Newtonian fluid dynamics, so it is often considered a sub-field of continuum mechanics. See also granular material.

• Glass Science – any non-crystalline material including inorganic glasses, vitreous metals and non-oxide glasses.
• Forensic engineering – the study of how products fail, and the vital role of the materials of construction
• Forensic materials engineering – the study of material failure, and the light it sheds on how engineers specify materials in their products

 الموضوعات التي تشكل أساس علم المواد

• Thermodynamics, statistical mechanics, kinetics and كيمياء فيزيائية, for phase stability, transformations (physical and chemical) and diagrams.
• علم البلورات and chemical bonding, for understanding how atoms in a material are arranged.
• Mechanics, to understand the mechanical properties of materials and their structural applications.
• فيزياء الجوامد and quantum mechanics, for the understanding of the electronic, thermal, magnetic, chemical, structural and optical properties of materials.
• Diffraction and wave mechanics, for the characterization of materials.
• Chemistry and polymer science, for the understanding of plastics, colloids, ceramics, liquid crystals, solid state chemistry, and polymers.
• Biology, for the integration of materials into biological systems.
• Continuum mechanics and statistics, for the study of fluid flows and ensemble systems.
• Mechanics of materials, for the study of the relation between the mechanical behavior of materials and their microstructures.

 دوريات هامة

• Chemistry of Materials
• Nature Materials
• Acta Materialia
• JOM
• Advanced Materials
• Computational materials science
• Advanced Functional Materials
• Journal of Materials Chemistry
• Journal of Materials Online - Open Access
• Metallurgical and Materials Transactions
• Journal of Materials Research
• Journal of Materials Science
• Federation of European Materials Science Societies Newsletter
• AMMTIAC eNews/Quarterly Advanced materials, manufacturing, and testing. (Free subscription)

 انظر أيضاً

• Timeline of materials technology
• Bio-based materials
• Biomaterial
• Liquid crystal
• Molecular modelling
• Important publications in materials science
• List of scientific journals - Materials science
• List of publications in physics - Materials physics
• List of surface analysis methods
• List of thermal analysis methods

 كتب

• Askeland, Donald R. (2005). The Science & Engineering of Materials (5th edition ed.). Thomson-Engineering. ISBN 0-534-55396-6. {{cite book}}: |edition= has extra text (help); Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Gaskell, David R. (1995). Introduction to the Thermodynamics of Materials (4th edition ed.). Taylor and Francis Publishing. ISBN 1-56032-992-0. {{cite book}}: |edition= has extra text (help)
• Eberhart, Mark (2003). Why Things Break: Understanding the World by the Way It Comes Apart. Harmony. ISBN 1-4000-4760-9.
• Gordon, James Edward (1984). The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall Through the Floor (eissue edition ed.). Princeton University Press. ISBN 0-691-02380-8. {{cite book}}: |edition= has extra text (help)
• Callister, Jr., William D. (2000). Materials Science and Engineering - An Introduction (5th edition ed.). John Wiley and Sons. ISBN 0-471-32013-7. {{cite book}}: |edition= has extra text (help)
• Walker, Peter (Ed), (1993) Chambers Dictionary of Materials Science and Technology, Chambers Publishing, ISBN-10: 055013249X
• Lewis, Peter Rhys, Reynolds, K and Gagg, C, Forensic Materials Engineering: Case Studies, CRC Press (2003).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 المصادر

• Timeline of Materials Science at The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) - Accessed March 2007