Dalam catatan blog ini, kami meneroka apa itu kejuruteraan tak organik sebagai bidang pengajian dan mengkaji kaitannya dengan bahan industri termaju, memfokuskan pada sebatian tak organik dan oksida logam.
Beberapa tahun yang lalu, saya terjumpa satu catatan di laman internet oleh seorang pelajar yang berharap untuk memasuki Jabatan Kejuruteraan Bukan Organik. Secara semulajadinya, saya menganggap ia mengenai kejuruteraan bahan bukan organik dan dengan penuh minat mengkliknya, hanya untuk mendapati catatan itu penuh dengan perbincangan tentang peluru berpandu dan bom, membuatkan saya sedikit kecewa. Saya mengesyaki ramai di antara anda, seperti pelajar itu, mungkin terfikir tentang "senjata" apabila anda pertama kali mendengar nama "Jabatan Kejuruteraan Bahan Bukan Organik." Walaupun tidak setakat itu, saya bayangkan ramai yang tertanya-tanya, "Apakah sebenarnya kejuruteraan bukan organik?" Jadi, saya ingin mengambil kesempatan ini untuk memberikan pengenalan umum kepada kejuruteraan bukan organik.
'Bukan organik' dalam kejuruteraan bukan organik adalah konsep yang berbeza dengan 'organik' yang biasa. Bahan organik ialah bahan yang membentuk organisma hidup atau dihasilkan olehnya, dan semuanya mengandungi karbon. Oleh itu, bahan bukan organik, bertentangan dengan organik, merujuk kepada bahan yang tidak mengandungi karbon. Sebagai contoh, protein dan lemak yang membentuk badan kita adalah bahan organik, manakala logam seperti besi atau aluminium, dan bahan seperti air, garam dan iodin adalah bukan organik. Tanah berasaskan silika adalah contoh utama bahan bukan organik. Dari segi sejarah, bukannya istilah 'kejuruteraan bukan organik,' ungkapan 'kejuruteraan seramik' digunakan, menandakan proses pembakaran tanah liat untuk mencipta tembikar. Hari ini, kejuruteraan bukan organik juga dirujuk sebagai 'kejuruteraan seramik,' dengan 'seramik' itu sendiri berasal daripada tembikar.
Walau bagaimanapun, kejuruteraan bukan organik tidak meliputi semua bahan bukan organik. Mempelajari seramik atau garam tidak begitu penting pada zaman moden, dan logam sangat pelbagai dalam jenis dan bidang penyelidikan sehingga satu disiplin yang berasingan yang dipanggil 'kejuruteraan metalurgi' wujud. Jadi, apakah bahan khusus yang dikaji kejuruteraan bukan organik? Untuk memahami perkara ini, kita perlu mengkaji secara ringkas jenis unsur yang wujud di Bumi.
Sehingga kini, 118 unsur telah ditemui, tetapi tidak termasuk unsur yang disintesis secara buatan, hanya 92 unsur yang wujud secara stabil. Unsur-unsur ini secara meluas dibahagikan kepada unsur logam dan unsur bukan logam, dengan unsur logam berjumlah kira-kira 70, jauh melebihi unsur bukan logam. Unsur logam perwakilan termasuk besi, kuprum, emas, perak, dan aluminium, manakala unsur bukan logam termasuk karbon, oksigen, sulfur dan hidrogen. Setiap unsur wujud sebagai atom, zarah yang sangat kecil. Atom pelbagai unsur bergabung untuk membentuk bahan yang berbeza. Contohnya, atom plumbum berkumpul untuk membentuk segumpal plumbum, manakala atom karbon bukan logam bergabung membentuk berlian. Garam ialah bahan yang terbentuk daripada ikatan atom natrium, logam, dan atom klorin, bukan logam. Walaupun hanya melihat plumbum, berlian dan garam, kita dapat melihat bahawa bahan yang sama sekali berbeza dengan sifat yang berbeza dicipta bergantung pada atom yang terikat bersama.
Kembali kepada kejuruteraan bukan organik, subjek penyelidikan kejuruteraan bukan organik secara amnya adalah bahan yang dibentuk oleh ikatan atom logam dan atom bukan logam. Garam, yang disebutkan di atas, adalah contoh ini. Terutama dikaji dalam kejuruteraan bukan organik adalah bahan yang dibentuk oleh ikatan atom logam dan atom oksigen. Ini adalah banyak dari segi jenis dan kuantiti, mempunyai sifat yang sangat baik, dan dengan itu menjadi subjek penyelidikan utama. Ia dipanggil 'oksida logam' kerana ia terbentuk melalui proses pengoksidaan di mana logam terikat dengan oksigen. Sekarang, mari kita periksa kepentingan oksida logam dalam industri semasa dan akan datang.
Medan perwakilan di mana oksida logam digunakan pada masa ini ialah pemangkin. Mangkin ialah bahan yang meningkatkan kadar tindak balas kimia, membantu bahan tindak balas berinteraksi dengan lebih mudah. Pemangkin memainkan peranan penting dalam industri: pertama, mereka memendekkan masa tindak balas, membolehkan output yang lebih besar dalam jangka masa yang sama; kedua, mereka membenarkan tindak balas berlaku pada suhu dan tekanan yang agak rendah, mengurangkan kos pengeluaran. Sejak mula mendapat perhatian pada tahun 1830-an, pemangkin telah menjadi elemen penting di semua sektor perindustrian.
Jadi bagaimanakah oksida logam mempercepatkan tindak balas kimia? Pertimbangkan bahan bertindak balas dengan oksigen. Tanpa oksida logam, bahan tindak balas akan berinteraksi dengan oksigen di udara. Walau bagaimanapun, oksigen atmosfera wujud sebagai molekul yang stabil dan tidak mudah mengambil bahagian dalam tindak balas. Menambah pemangkin oksida logam, bagaimanapun, menyediakan atom oksigen, membolehkan tindak balas diteruskan dengan cepat. Berbanding dengan oksigen atmosfera, atom oksigen yang disediakan oleh oksida logam adalah sangat tidak stabil dan berusaha untuk mengikat dengan cepat dengan bahan tindak balas, dengan itu mempercepatkan kadar tindak balas.
Penjelasan di atas hanyalah contoh ringkas untuk tujuan ilustrasi. Mekanisme sebenar di mana pemangkin oksida logam berfungsi jauh lebih kompleks dan pelbagai. Oleh itu, penyelidikan mengenai pemangkin kekal sebagai bidang kajian yang aktif.
Oksida logam juga semakin terkenal sebagai bahan baharu yang menjanjikan untuk masa hadapan. Contohnya, kuprum oksida bercampur dengan kalsium dan barium membentuk superkonduktor. Superkonduktor ialah bahan yang kehilangan rintangan elektrik di bawah suhu tertentu, memegang potensi besar untuk aplikasi seperti peranti storan tenaga atau kereta api levitasi magnetik. Walau bagaimanapun, kebanyakan superkonduktor hanya mempamerkan superkonduktiviti di bawah -200°C, menjadikan aplikasi praktikal sukar. Walau bagaimanapun, superkonduktor oksida kuprum mempamerkan superkonduktiviti walaupun antara -120°C dan -150°C, membenarkan penggunaan praktikal yang terhad. Penyelidikan yang berterusan menimbulkan harapan bahawa bahan superkonduktor suhu bilik suatu hari nanti boleh ditemui atau disintesis.
Selain itu, penyelidikan baru-baru ini sedang giat meneroka pembangunan peranti memori baharu menggunakan oksida logam tertentu seperti titanium oksida. Dalam oksida logam, atom oksigen membawa cas negatif. Apabila voltan positif dikenakan, atom oksigen ini bergerak ke arah elektrod. Apabila voltan dikeluarkan, atom oksigen kekal pada kedudukan baharunya. Ini membolehkan oksida logam 'mengingati' tempoh voltan dikenakan. Berdasarkan prinsip ini, peranti yang dipanggil 'memristor' telah dibangunkan. Menggunakan memristor boleh mendayakan komputer yang tidak memerlukan but, dan mungkin juga komputer yang dilengkapi dengan kecerdasan buatan.
Di luar ini, oksida logam juga mempunyai sifat bahawa bentuknya berubah apabila elektrik mengalir melaluinya, dan perubahan bentuk itu menjana elektrik. Ini menjadikannya berguna sebagai bahan piezoelektrik untuk peralatan penerokaan dan komunikasi, dan keupayaannya untuk menahan suhu tinggi menjadikannya berharga sebagai bahan tahan haba untuk digunakan dalam relau.
Ini menyimpulkan pengenalan ringkas kami kepada kejuruteraan bukan organik. Untuk meringkaskan, kejuruteraan bukan organik terutamanya mengkaji bahan yang terdiri daripada unsur logam dan bukan logam, khususnya oksida logam yang terbentuk daripada unsur logam dan oksigen. Pada masa ini, oksida logam digunakan secara meluas sebagai bahan industri seperti pemangkin dan mendapat perhatian sebagai bahan termaju seperti superkonduktor dan peranti memristor. Sudah tentu, ini tidak merangkumi segala-galanya dalam kejuruteraan bukan organik. Kejuruteraan bukan organik melibatkan pelbagai jenis bahan bukan organik yang memainkan peranan penting, dan topik penyelidikan benar-benar tidak terbatas. Walaupun penjelasan tertumpu kepada oksida logam kerana kekangan ruang, saya ingin menekankan bahawa pelbagai bahan bukan organik lain, seperti nitrida, sulfida, dan silikat, juga dikaji secara aktif.
Anda mungkin agak kecewa kerana ini bukan 'kejuruteraan senjata' yang anda bayangkan. Namun begitu, saya harap peluang ini membantu anda memahami apa itu kejuruteraan bukan organik dan anda akan berfikir, "Kejuruteraan bukan organik ini sebenarnya agak menarik." terima kasih.
