Znanost o materialih je v središču najsodobnejših tehnologij, kot so pametni telefoni in električna vozila. Napredek pri novih materialih, kot je grafen, spreminja naša življenja in prihodnost.
20. stoletje je bilo stoletje bleščečih znanstvenih dosežkov, verjetno zlata doba znanosti. Znanstveni napredek je privedel do številnih izumov, od avtomobilov do računalnikov in mobilnih telefonov, ki so nam olajšali življenje. Mnogi izumi, ki so obogatili življenja človeštva, so rezultat trdega dela, ki se ga ne zavedamo. Ko vas prosimo, da razmislite o nekaterih številnih procesih, ki so potrebni za ustvarjanje inovativnega izuma, boste morda pomislili na teoretično formulacijo ter mehansko in strukturno zasnovo. Vendar pa je proces, ki končno omogoči izum, izbira materialov, ki določajo ceno, vzdržljivost in delovanje naprave. Ustvarjanje novih materialov in preučevanje njihovih lastnosti, da bi olajšali to izbiro, imenujemo znanost o materialih.
Ko ljudi vprašam, koliko vedo o znanosti o materialih, večina govori o polprevodnikih. V nekem smislu so polprevodniki postali reprezentativna podoba tega, kar ljudem pomeni beseda »inženirstvo materialov«, po drugi strani pa se lahko zdi, da ljudje ne poznajo inženirstva materialov. Res je, da so raziskave polprevodnikov v Koreji dosegle visoko raven in da so s temi raziskavami pridobljene številne gospodarske koristi. Vendar so polprevodniki le eno od področij raziskav v znanosti o materialih. Pravzaprav lahko, če pogledamo uporabo inženirstva materialov, vidimo, da se uporablja na številnih področjih inženirstva, vključno s polprevodniki, kovinami, polimeri, keramiko, elektroniko in biologijo. Kaj torej točno preučujemo v znanosti o materialih, kar igra tako pomembno vlogo v inženirstvu?
Na primer, pametni telefoni, ki jih uporabljamo vsak dan, so rezultat različnih inženiringov materialov. Polimerni materiali, uporabljeni v zaslonu, litij-ionska baterija v bateriji in aluminijeve zlitine, uporabljene v zunanjem ohišju naprave, so rezultat raziskav in napredka v znanosti o materialih. V zadnjih letih so bili raziskani novi materiali, s katerimi bi elektronske naprave postale lažje in bolj prilagodljive. Vloga znanosti o materialih je bistvena za številne tehnološke inovacije v sodobni družbi, vključno s pametnimi telefoni, nosljivimi napravami, električnimi vozili, sončnimi paneli in drugimi.
Anycall je pravkar izdal mobilni telefon z imenom Amoled. V reklami za Anycall moški zvije telefon in ga nosi na zapestju kot uro. Nato med sprehodom po ulici odvije telefon z zapestja in ga iztegne v zraku, nato ga iztegne na stran, da si na zaslonu ogleda novice, nato pa ga zloži in pospravi v torbo. Telefon v reklami se dobesedno upogne, razpre in zloži. Spomnim se, da sem takrat gledal reklamo in se spraševal: "Ali se bo to res zgodilo?" Nekaj let kasneje smo tik pred tem, da bomo imeli telefon, ki se dejansko lahko vrti na kolesih. Mnogi ljudje so presenečeni, ko preberejo o telefonu, ki se upogne, in se sprašujejo, kako je to sploh mogoče. Če pa veste nekaj o znanosti o materialih, boste morda prikimali v znak strinjanja.
Če vas zanima znanost, ste verjetno že slišali za grafen, ki je že nekaj let v novicah. A tudi če ste ime grafen že videli, le malo ljudi ve, kaj ga dela tako pomembnega. Izraz grafen je kombinacija besede grafit, grafita, ki se uporablja v svinčniku, in pripone »-en«, ki se nanaša na molekule z dvojnimi vezmi ogljika. Grafit je sestavljen iz plasti ogljika v šesterokotni, satju podobni strukturi, grafen pa je najtanjša plast tega grafita. Ima dvodimenzionalno ravninsko obliko, debel je le 0.2 nanometra (nm) (1 nm je ena milijardinka metra) oziroma približno 10 milijardink metra ter je neverjetno tanek ter fizikalno in kemično stabilen. Do zdaj bi morali imeti približno predstavo o tem, kaj grafen je. Njegovo odkritje in vzpostavitev proizvodnega procesa je eden največjih dosežkov v znanosti o materialih v zadnjih letih. Kakšne pa so njegove lastnosti in kaj ga dela tako pomembnega?
Grafen je več kot 100-krat bolj električno prevoden kot baker in lahko premika elektrone 100-krat hitreje kot monokristalni silicij, ki se pogosto uporablja kot polprevodnik. Je več kot 200-krat močnejši od jekla in več kot dvakrat bolj toplotno prevoden kot diamant, najboljši toplotni prevodnik. Je tudi zelo elastičen, kar pomeni, da pri raztezanju ali upogibanju ne izgubi svojih električnih lastnosti. Te lastnosti grafena omogočajo ustvarjanje neverjetnih mobilnih telefonov, ki niso le izjemno tanki, ampak tudi upogljivi. Ustvarjanje novih materialov ter karakterizacija njihovih lastnosti in uporabe v industriji je tisto, kar je znanost o materialih že počela in kar bo počela še naprej.
Znanost o materialih igra pomembno vlogo tudi pri reševanju okoljskih vprašanj. Na primer, materiali, ki se uporabljajo v tehnologijah obnovljivih virov energije, bi bili nepredstavljivi brez napredka v znanosti o materialih. Novi materiali za povečanje učinkovitosti sončnih panelov, katalizatorji za izboljšanje delovanja vodikovih gorivnih celic in novi materiali za baterije za povečanje zmogljivosti in življenjske dobe naprav za shranjevanje energije so rezultat raziskav v znanosti o materialih. Razvoj okolju prijaznih materialov je bistvenega pomena za trajnostno prihodnost, znanost o materialih pa je v središču tega.
Neverjeten tempo znanstvenega napredka 20. stoletja nam je prinesel svet udobja, ki ga zdaj živimo v polnosti. Toda kot je pokazalo prvo desetletje 21. stoletja, bo znanost še naprej napredovala z vedno hitrejšim tempom in ljudje si bodo želeli priročnejših strojev in priročnejšega sveta. Odpiranje možnosti za nove izume, ki bodo zadovoljili potrebe tega sveta, je tisto, kar mi, študenti znanosti o materialih, počnemo in bi morali početi. Napredek v znanosti in tehnologiji bo še naprej bogatil človeško življenje, znanost o materialih pa bo vedno v središču tega.
