Materiālzinātne ir modernu tehnoloģiju, piemēram, viedtālruņu un elektrisko transportlīdzekļu, centrā. Jaunu materiālu, piemēram, grafēna, attīstība maina mūsu dzīvi un nākotni.
20. gadsimts bija apžilbinošu zinātnes sasniegumu gadsimts, iespējams, zinātnes zelta laikmets. Zinātnes sasniegumi ir radījuši daudzus izgudrojumus, sākot no automašīnām un beidzot ar datoriem un mobilajiem tālruņiem, kas ir atvieglojuši mūsu dzīvi. Daudzi izgudrojumi, kas ir bagātinājuši cilvēces dzīvi, ir smaga darba rezultāts, ko mēs neapzināmies. Kad jums tiek lūgts padomāt par dažiem no daudzajiem procesiem, kas tiek izmantoti novatoriska izgudrojuma radīšanā, jūs varētu domāt par teorētisko formulējumu un mehānisko un strukturālo dizainu. Tomēr process, kas beidzot padara izgudrojumu iespējamu, ir materiālu izvēle, kas nosaka ierīces cenu, izturību un veiktspēju. Jaunu materiālu radīšana un to īpašību izpēte, lai atvieglotu šo izvēli, ir tas, ko mēs saucam par materiālu zinātni.
Kad es jautāju cilvēkiem, cik daudz viņi zina par materiālu zinātni, lielākā daļa cilvēku runā par pusvadītājiem. Savā ziņā pusvadītāji ir kļuvuši par reprezentatīvu tēlu tam, ko cilvēkiem nozīmē vārds “materiālu inženierija”, bet, no otras puses, var arī domāt, ka cilvēki nezina materiālu inženieriju. Tiesa, Korejā pētījumi par pusvadītājiem ir sasnieguši augstu līmeni, un no šiem pētījumiem ir gūti daudzi ekonomiski ieguvumi. Tomēr pusvadītāji ir tikai viena no materiālu zinātnes pētniecības jomām. Faktiski, ja aplūkojam materiālu inženierijas pielietojumu, mēs varam redzēt, ka to izmanto daudzās inženierzinātņu jomās, tostarp pusvadītāju, metālu, polimēru, keramikas, elektronikas un bioloģijas jomā. Tātad, kas tieši ir tas, ko mēs studējam materiālu zinātnē, kam ir tik svarīga loma inženierzinātnēs?
Piemēram, viedtālruņi, ko lietojam ikdienā, ir dažādu materiālu inženierijas rezultāts. Displejā izmantotie polimēru materiāli, litija joni akumulatorā un alumīnija sakausējumi, kas izmantoti ierīces ārējā apvalkā, ir pētījumu un materiālu zinātnes sasniegumu rezultāts. Pēdējos gados ir izpētīti jauni materiāli, lai elektroniskās ierīces padarītu vieglākas un elastīgākas. Materiālzinātnes loma ir būtiska daudzām tehnoloģiskām inovācijām mūsdienu sabiedrībā, tostarp viedtālruņiem, valkājamām ierīcēm, elektriskajiem transportlīdzekļiem, saules paneļiem un citiem.
Anycall tikko izlaida mobilo tālruni ar nosaukumu Amoled. Anycall reklāmā vīrietis saritina tālruni un nēsā to uz rokas kā pulksteni. Pēc tam, ejot pa ielu, viņš izvelk tālruni no plaukstas locītavas un izstiepj to gaisā, pēc tam izstiepj to uz sāniem, lai redzētu ziņas ekrānā, pēc tam saloka to un ieliek somā. Reklāmā redzamais tālrunis burtiski liecas, atlocās un salokās. Toreiz es atceros, ka skatījos reklāmu un prātoju: "Vai tas tiešām notiks?" Pārsteidziet dažus gadus uz priekšu, un mēs esam uz priekšu, lai iegūtu tālruni, kas patiešām var darboties. Daudzi cilvēki ir pārsteigti, lasot par tālruni, kas liecas, un brīnās, kā tas varētu būt iespējams. Tomēr, ja jūs zināt mazliet par materiālu zinātni, jūs varat piekrist ar galvu.
Ja jūs interesē zinātne, jūs droši vien esat dzirdējuši par grafēnu, kas jau dažus gadus ir bijis ziņās. Bet pat tad, ja esat redzējis nosaukumu grafēns, daži cilvēki zina, kas tas padara to tik svarīgu. Termins grafēns ir kombinācija no vārda grafīts, zīmuļa zīmulī izmantotā grafīta un sufiksa “-ene”, kas attiecas uz molekulām ar oglekļa dubultsaitēm. Grafīts sastāv no oglekļa slāņiem sešstūrainā šūnveida struktūrā, un grafēns ir plānākais šī grafīta slānis. Tam ir divdimensiju plakana forma, tas ir tikai 0.2 nanometri (nm) biezs (1 nm ir viena miljardā daļa no metra) jeb aptuveni 10 miljarddaļas no metra, un tas ir neticami plāns un fiziski un ķīmiski stabils. Tagad jums vajadzētu būt aptuvenam priekšstatam par to, kas ir grafēns. Tā atklāšana un ražošanas procesa izveide ir viens no pēdējo gadu lielākajiem sasniegumiem materiālu zinātnē. Bet kādas ir tās īpašības un kas padara to tik svarīgu?
Grafēns ir vairāk nekā 100 reizes elektriski vadošāks nekā varš un var pārvietot elektronus 100 reizes ātrāk nekā vienkristāla silīcijs, ko parasti izmanto kā pusvadītāju. Tas ir vairāk nekā 200 reižu stiprāks par tēraudu un vairāk nekā divas reizes siltuma vadītspējīgāks par dimantu, kas ir labākais siltuma vadītājs. Tas ir arī ļoti elastīgs, kas nozīmē, ka tas nezaudē savas elektriskās īpašības, kad tas ir izstiepts vai saliekts. Šīs grafēna īpašības ļauj izveidot pārsteidzošus mobilos tālruņus, kas ir ne tikai ārkārtīgi plāni, bet arī saliekami. Jaunu materiālu radīšana un to īpašību un pielietojuma raksturojums rūpniecībā ir tas, ko materiālu zinātne ir paveikusi un ko tā turpinās darīt.
Materiālzinātnei ir arī liela nozīme vides problēmu risināšanā. Piemēram, atjaunojamās enerģijas tehnoloģijās izmantotie materiāli nebūtu iedomājami bez materiālu zinātnes sasniegumiem. Jauni materiāli saules paneļu efektivitātes paaugstināšanai, katalizatori, lai uzlabotu ūdeņraža kurināmā elementu veiktspēju, un jauni akumulatoru materiāli, lai palielinātu enerģijas uzkrāšanas ierīču jaudu un kalpošanas laiku, ir materiālu zinātnes pētījumu rezultāts. Videi draudzīgu materiālu izstrāde ir būtiska ilgtspējīgai nākotnei, un materiālu zinātne ir tās centrā.
20. gadsimta neticamie zinātnes progresa tempi ir radījuši mums ērtu pasauli, un tagad mēs to dzīvojam pilnībā. Taču, kā liecina 21. gadsimta pirmā desmitgade, zinātne turpinās virzīties uz priekšu arvien straujāk, un cilvēki vēlēsies ērtākas mašīnas un ērtāku pasauli. Mēs kā materiālzinātnes studenti darām un mums būtu jādara jaunu izgudrojumu iespēju pavēršana, lai apmierinātu šīs pasaules vajadzības. Zinātnes un tehnoloģiju sasniegumi turpinās bagātināt cilvēku dzīvi, un materiālu zinātne vienmēr būs tās centrā.
