Metalliske materialer har spilt en viktig rolle gjennom historien og er et sentralt forskningsområde med et bredt spekter av bruksområder innen moderne ingeniørfag.
I Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap kategoriserer vi materialer i tre områder: metaller, polymerer og keramikk. Metaller er representert av materialer som gull, sølv og jern; polymerer er plastmaterialer som ofte finnes rundt oss; og keramikk er representert av materialer som keramikk og glass. Studiet av de fysiske og kjemiske egenskapene til disse materialene og deres anvendelser i real-world engineering er det Institutt for materialvitenskap og ingeniørfag gjør. Av de tre materialklassene er metaller min favoritt. Metaller har blitt brukt av mennesker siden de tidligste tider, og det er mange forskningseksempler, som gjør det enkelt å logisk nærme seg tekniske problemer basert på dem. I tillegg har metaller et bredt spekter av fysiske egenskaper på grunn av deres strukturelle egenskaper, som kan tilpasses for ulike bruksområder.
Metaller har også spilt en viktig rolle gjennom historien. For eksempel markerte fremkomsten av jernalderen et stort skifte i menneskelig sivilisasjon, og i moderne tid er legeringer som stål og aluminium viktige materialer på tvers av bransjer. Spesielt jern har blitt et viktig materiale i konstruksjons-, bil- og romfartsindustrien på grunn av dets styrke og holdbarhet. Å forstå egenskapene til disse metallene kan hjelpe deg med å løse tekniske problemer.
La oss ta en titt på et eksempel på metalliske materialer. En av favorittscenene i historiske dramaer er at en smed, halvkledd i en kappe, hamrer løs på en jernblokk. Smeden drar jernet ut av ilden, hamrer det for å flate det, legger det tilbake i ilden, trekker det ut og slår det igjen for å lage et hardere sverd. Vi har alle sett dette på TV siden vi var barn, og selv om vi tror «å hamre stål gjør det vanskeligere», er det få av oss som virkelig vet hvorfor. Det er et enkelt materialvitenskapelig prinsipp bak det.
Hvis du ser på metalliske materialer som jern eller gull under et mikroskop, vil du se at atomene som utgjør metallet er ordnet i et sjakkbrettlignende mønster. Atomene er imidlertid ikke alltid jevnt fordelt fra ende til annen, og du kan finne ut at en rad med metallatomer ikke er der den skal være, eller er på feil sted blant andre metallatomer. I materialvitenskap er dette kjent som dislokasjon, og de fleste av de mekaniske egenskapene til metalliske materialer er styrt av denne dislokasjonen. Tenk på en blemme på bunnen av foten din: Når du trykker på den, blir luftboblene inni presset ut, noe som får blemmen til å klemme seg. Hvis du trykker på en annen del av blemmen, beveger boblene seg igjen, noe som får den til å klemme seg i en annen retning. Det samme skjer med metall. Når en kraft påføres et metall fra utsiden, beveger dislokasjoner seg rundt inne i metallet, noe som får det til å deformeres lett. Nøkkelen til å gjøre et metall hardt er å forhindre at disse dislokasjonene beveger seg fritt inne. Smedens handling med å slå jernet med en hammer er en måte å oppnå dette på. Ved å hamre på jernet beveger forskyvningene som er spredt utover jernet seg gradvis og samles. Og når dislokasjonene, som er forårsaket av det sammenfiltrede arrangementet av metallatomer, er på ett sted, blir de sammenfiltret igjen og kan ikke bevege seg lenger. Videre, når jernet plasseres i ilden, blir metallatomene rundt dislokasjonene energisert av varmen og finner de tomme rommene og fyller dem tett. Smeden gjentar denne prosessen om og om igjen til et solid sverd er dannet av det herdede jernet.
Å forstå metalliske materialer kan starte med enkle prinsipper som disse. Med noen få konsepter som disse er det lett å forstå de grunnleggende egenskapene til metaller. Metaller har blitt studert lenger enn andre materialer fordi de har vært relativt enkle å manipulere siden mennesker begynte å bruke ild. De er også universelle i sin mekaniske oppførsel, noe som gjør dem lette å nærme seg med sunn fornuft. Derfor kan det å forstå metalliske materialer være en god teknisk problemløsningsøvelse for alle som ønsker å forstå prinsippene for ulike ingeniørdisipliner, ikke bare materialer.
Til slutt, la oss ta en titt på de siste forskningstrendene innen metalliske materialer. Med utviklingen av nanoteknologi pågår det mye forskning for å manipulere nanostrukturen til metaller for å utvikle nye materialer med bedre egenskaper. For eksempel kan metalllegeringer som bruker nanopartikler gjøres sterkere og lettere enn tradisjonelle metaller. Forskere jobber også med å påføre nanobelegg på metalloverflater for å maksimere holdbarhet og varmebestandighet. Disse studiene vil ytterligere utvide bruksområdet for metalliske materialer og åpne for nye muligheter for fremtidige ingeniørapplikasjoner.
Avslutningsvis er metalliske materialer et av kjerneforskningsområdene til Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap, og deres betydning og anvendelsespotensial er enormt. Ved å forstå de grunnleggende prinsippene for metalliske materialer og utføre forskning basert på dem, vil vi kunne finne mer innovative ingeniørløsninger.
