Metalen hebben door de geschiedenis heen een belangrijke rol gespeeld en vormen een belangrijk onderzoeksgebied met een breed scala aan toepassingen in de moderne techniek.
Op de afdeling Material Science and Engineering categoriseren we materialen in drie gebieden: metalen, polymeren en keramiek. Metalen worden vertegenwoordigd door materialen zoals goud, zilver en ijzer; polymeren zijn plastic materialen die veel om ons heen te vinden zijn; en keramiek wordt vertegenwoordigd door materialen zoals keramiek en glas. De afdeling Material Science and Engineering bestudeert de fysieke en chemische eigenschappen van deze materialen en hun toepassingen in de echte wereld van de techniek. Van de drie klassen van materialen zijn metalen mijn favoriet. Metalen worden al sinds de vroegste tijden door mensen gebruikt en er zijn veel onderzoeksvoorbeelden, wat het gemakkelijk maakt om op basis daarvan logische technische problemen te benaderen. Bovendien hebben metalen een breed scala aan fysieke eigenschappen vanwege hun structurele kenmerken, die kunnen worden aangepast voor verschillende toepassingen.
Metalen hebben door de geschiedenis heen ook een belangrijke rol gespeeld. De komst van de ijzertijd markeerde bijvoorbeeld een grote verschuiving in de menselijke beschaving, en in de moderne tijd zijn legeringen zoals staal en aluminium belangrijke materialen in alle industrieën. Vooral ijzer is vanwege zijn sterkte en duurzaamheid een essentieel materiaal geworden in de bouw-, automobiel- en ruimtevaartindustrie. Als u de eigenschappen van deze metalen begrijpt, kunt u technische problemen oplossen.
Laten we eens kijken naar een voorbeeld van metalen materialen. Een van de favoriete scènes in historische drama's is die van een smid, half gekleed in een gewaad, die op een blok ijzer hamert. De smid trekt het ijzer uit het vuur, hamert erop om het plat te maken, legt het terug in het vuur, trekt het eruit en slaat er opnieuw op om een harder zwaard te maken. We hebben dit allemaal op tv gezien sinds we kinderen waren, en hoewel we denken dat 'het hameren van staal het moeilijker maakt', weten maar weinigen van ons echt waarom. Er zit een eenvoudig materiaalwetenschappelijk principe achter.
Als je metalen materialen zoals ijzer of goud onder een microscoop bekijkt, zie je dat de atomen waaruit het metaal bestaat, in een schaakbordpatroon zijn gerangschikt. De atomen zijn echter niet altijd gelijkmatig verdeeld van begin tot eind, en je zult merken dat een rij metaalatomen niet op de juiste plek zit, of op de verkeerde plek tussen andere metaalatomen. In de materiaalkunde staat dit bekend als dislocatie, en de meeste mechanische eigenschappen van metalen materialen worden bepaald door deze dislocatie. Denk aan een blaar op de onderkant van je voet: als je erop drukt, worden de luchtbellen erin naar buiten geduwd, waardoor de blaar wordt geplet. Als je op een ander deel van de blaar drukt, bewegen de bellen weer, waardoor deze in een andere richting wordt geperst. Hetzelfde gebeurt met metaal. Wanneer er van buitenaf kracht op een metaal wordt uitgeoefend, bewegen dislocaties zich in het metaal, waardoor het gemakkelijk vervormt. De sleutel tot het hard maken van een metaal is om te voorkomen dat deze dislocaties zich vrij naar binnen kunnen bewegen. De handeling van de smid om met een hamer op het ijzer te slaan is een manier om dit te bereiken. Door het ijzer te hameren, bewegen de dislocaties die verspreid zijn over het ijzer geleidelijk en komen ze samen. En zodra de dislocaties, die worden veroorzaakt door de verwarde rangschikking van metaalatomen, op één plek zijn, raken ze weer verward en kunnen ze niet meer bewegen. Bovendien, wanneer het ijzer in het vuur wordt geplaatst, worden de metaalatomen rond de dislocaties geënergetiseerd door de hitte en vinden ze de lege ruimtes en vullen ze stevig op. De smid herhaalt dit proces steeds opnieuw totdat er een massief zwaard is gevormd uit het geharde ijzer.
Het begrijpen van metalen materialen kan beginnen met eenvoudige principes als deze. Met een paar concepten als deze is het gemakkelijk om de basiseigenschappen van metalen te begrijpen. Metalen worden al langer bestudeerd dan andere materialen omdat ze relatief gemakkelijk te manipuleren zijn sinds mensen vuur begonnen te gebruiken. Ze zijn ook universeel in hun mechanische gedrag, waardoor ze gemakkelijk te benaderen zijn met gezond verstand. Daarom kan het begrijpen van metalen materialen een goede oefening zijn in het oplossen van technische problemen voor iedereen die de principes van verschillende technische disciplines wil begrijpen, niet alleen materialen.
Laten we tot slot eens kijken naar de nieuwste onderzoekstrends op het gebied van metalen materialen. Met de vooruitgang van de nanotechnologie wordt er veel onderzoek gedaan naar het manipuleren van de nanostructuur van metalen om nieuwe materialen met betere eigenschappen te ontwikkelen. Metaallegeringen die gebruik maken van nanodeeltjes kunnen bijvoorbeeld sterker en lichter worden gemaakt dan traditionele metalen. Onderzoekers werken ook aan het aanbrengen van nanocoatings op metalen oppervlakken om de duurzaamheid en hittebestendigheid te maximaliseren. Deze onderzoeken zullen het toepassingsgebied van metallische materialen verder uitbreiden en nieuwe mogelijkheden openen voor toekomstige technische toepassingen.
Concluderend kunnen metallische materialen een van de kernonderzoeksgebieden van de afdeling Materials Science and Engineering zijn, en hun belang en toepassingspotentieel zijn enorm. Door de basisprincipes van metallische materialen te begrijpen en daarop gebaseerd onderzoek uit te voeren, zullen we meer innovatieve technische oplossingen kunnen vinden.
