سرشت علم(۲۴): خواص ویژه ی مواد

جمعه, ۴ام آبان, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی بیست و چهارم:

خواص ویژه­ ی مواد[۱]

مَواد اغلب بدلیل خواص یا خُصوصیاتِ ویژه­ ی خود[۲] از قبیلِ رنگ، سختی، انعطاف، غلظت، شفافیت، هدایت یا رسانش برق[۳]، ظرفیتِ گرمایی، نقطه­ ی ذوب یا جوش و غیره[۴] سودمند و یا پُراستفاده ارزیابی می ‌‌شوند.[۵]

خواص یا خصوصیاتِ مواد بقدری برای ساختنِ ابزار مهم هستند که دوره­ بندیِ تاریخِ بشر براساس آنها طبقه­ بندی شده است: عصرِ حجر، عصرِ آهن، عصرِ برنز و غیره.

  • عصرِ مدرن ما[۶] با گوناگونیِ باورنکردنیِ موادِ نوین همراه است. این مواد در همه­ ی وسایل و ابزار‌های مدرن مورد استفاده هستند.
  • موادِ غیرارگانیکِ[۷]  بسیار مختلفی‌ در هر منزلی موجود است: آلیاژ‌های فلزی، انواع سرامیک ­ها و شیشه ‌هایی با خواص مختلف.
  • تعدادِ موادِ ارگانیک هم در هر منزلی بی ­نهایت ­اند: رنگ­ ها، چسب­ ها، نوارها، بافت­ ها[۸]، سوخت­ ها، نارساناها، داروها، لوازم آرایش، صابون، موادِ شست ­وشو، جوهر و انواع اشیأ پلاستیکی از کیسه­ ی خرید تا دم­ پایی‌ و غیره.
  • داخلِ هر اتوموبیل دستگاهِ استریو، تلویزیون، کامپیوتر و غیره، هم موادِ نیمه ­رسانا[۹]  و هم موادِ دیگری که ساخته­ ی عصرِ ابزارِ الکتریکی‌ ­اند یافت می‌‌ شوند.
  • خواص ویژه­ ی آن مواد[۱۰] در نتیجه­ ی نوعِ اتم‌ های مواد، چیدمانِ سه­ بعدی  آنها و نوع پیوندِ بین آنهاست.[۱۱]

استحکام  و سختی از خواص مهمِ مواد هستند[۱۲]. دانشمندان استحکام را به سه نوع تقسیم­ بندی کرده­ اند: استحکامِ تراکمی (فشردگی،) استحکامِ کِشِشی و استحکامِ برشی[۱۳] .

  • استحکامِ تراکمی اشاره به مقاومتِ ماده برای فشرده­ شدن دارد. موادی که استحکامِ تراکمی بالایی‌ دارند چارچوبِ اتمیِ‌ محکمی[۱۴] نیز دارند.
  • استحکامِ کِشِشی اشاره به مقاومتِ ماده برای کشیده­ شدن دارد. موادی با استحکامِ کِشِشی بالا باید زنجیره‌ هایِ‌ پیوسته ­ای از پیوند‌هایِ محکمِ اتم ‌ها و ملکول‌ ها داشته باشند.[۱۵]
  • استحکامِ برشی اشاره به مقاومتِ ماده برایِ پیچانده­ شدن دارد. موادی با این خواص باید ساختِ اتمیِ‌ محکمی از پیوند‌هایِ مثلثی و ضربدری[۱۶]  مانند ساخت برخی‌ پل­ ها داشته باشند. ساختِ اتمی‌ الماس با چنین پیوندهایی‌ دلیلِ استحکامِ فوق ­العاده­ ی برشی آن است.
  • این سه نوع استحکام لزوما در همه ­ی مواد یکسان و به یک­ اندازه موجود نیستند.

در بسیاری از مواردِ اجرایی و عملیاتی به ترکیبی‌ ویژه از این سه استحکام نیازمند هستیم. برای نمونه آرشیتکت‌ ها و مهندسین راه و ساختمان در مناطقِ زلزله­ خیز (که هریک نوعِ زلزله ­ی  خود را دارند) از موادی با خواصی ویژه برای طراحیِ ساختمان ‌ها استفاده می­ کنند.

  • زلزله ساختمان‌ ها را به چند شکل می‌‌ لرزاند: بالا و پایین، افقی و لرزشِ پیچشی[۱۷]  که بستگی به نوعِ گسل زمین ­شناسانه[۱۸]  آن منطقه دارد.
  • موادِ مرکب (یا آمیزه­ ای[۱۹]) منجمله بتون آرمه و یا تخته ­ی چندلا به نحوی چشمگیر ترکیبِ استحکاماتِ تراکمی، کششی و برشی ساختمان‌ ها را افزایش می‌‌ دهند.
  • نقصان‌ ها یا اشکال­ های بظاهر جزیی می ­توانند استحکامِ مواد را بنحو قابل­ ملاحظه­ ای کاهش دهند. برای نمونه یک نقطه ­ی کوچک شکستگی در شیشه هر خودرو می‌‌ تواند بسادگی به ترکِ بزرگی‌ تبدیل شود.

بسیاری خصوصیات فیزیکیِ‌ دیگر مواد هم به ساختار اتمی آنها و به پیوند‌های‌ شیمیایی ­شان بستگی داردِ.[۲۰]

  • انبساطِ گرمایی[۲۱] مواد یعنی‌ گرایشِ مواد (جامد یا مایع) به انبساط هنگامیکه حرارت داده می ­شوند هم به نحوی نزدیک با پیوندِ شیمیایی‌ آنها مرتبط است[۲۲]. در بیشترِ موادِ حرارت ­داده ­شده اتم ‌ها به ارتعاش درآمده و با یکدیگر برخورد می ­کنند و یکدیگر را وادار به دورتر­شدن می ‌‌کنند[۲۳].
  • برخی‌ مواد انبساطِ گرمایی منفی‌ دارند و منقبض می ‌‌شوند. ساختارِ اتمی‌ آن مواد متشکل از پیوند‌هایِ سه­ بعدی بسیار بسیار قویِ یونی‌ است که بر اثر حرارت به خود جمع می ­شوند.
  • چسبندگی[۲۴]  از مختصات مهم ماده است. در حالیکه ما می­ خواهیم که برخی‌ مواد چسبنده باشند (مانند چسب یا جوهر) چسبندگی برخی‌ دیگر از مواد و ابزارها دلپسند و مورد نظر نیست (مانند ته ماهیتابه.) چسبندگی نتیجه ­ی پیوندِ اتم‌ ها در سطح مواد است.
  • چیدمانِ اتم‌ ها در سطحِ برخی‌ مواد (مانند چسبِ مایع) چنان است که آمادگی‌ پیوند با هر ماده ­ی دیگری را دارند در حالیکه طراحیِ چیدمان اتم‌ های مواد در سطح برخی‌ دیگر از وسایل (مانند ماهیتابه) چنان می­ شود که چون گاز‌های خنثی با هیچ­چیز دیگری پیوند ندهند.
  • موادِ مغناطیسی‌، آهن و دیگر موادِ مغناطیسی‌ را جذب می ‌‌کنند . الکترون‌ های در گردش، میدان یا حوزه­ ی مغناطیسی‌ تولید می‌‌ کنند. اگرچه در برخی‌ مواد گردشِ الکترون‌ ها یکدیگر را خنثی می ‌‌کنند اما در برخی‌ دیگر مانندِ آهن، کوبالت و نیکل میدان مغناطیسی­ ای‌ دو قطبی[۲۵]  با آهن ­ربا‌هایی اتمی و کوچک صورت می‌‌ پذیرد. عملکردِ مغناطیسیِ‌ مواد بستگی به هم ­راستاییِ[۲۶]  همین آهن ­رباهایِ کوچکِ اتمی دارد. میدان مغناطیسیِ‌ قوی ­تر مرتبط با هم­ راستاییِ اتمی بیشتر است. از این پدیده در طراحیِ میکروفون ­ها و بلندگو‌ها استفاده می‌‌ شود.

یکی‌ از مهم ‌ترین خواص مواد در دنیای مدرن تواناییِ‌ آنها برای کنترل جریان برق است. در زندگی‌ مدرن هر دو نوع موادِ رسانا و نارسانا[۲۷]  اساسی‌ هستند.[۲۸]

  • موادِ رسانای خوب موادی هستند که برق را بسادگی از خود عبور می ‌‌دهند . فلزاتی مانند آلومینیوم و مس (که الکترون ‌های آزادی برای حرکت با کمترین میزان ولتاژ را دارند) معمولی ‌‌ترین موادِ رسانا هستند. طبقه­ ی جدیدی از موادِ رسانا (که رسانا­های یونیِ‌ سریع[۲۹]  خوانده می‌‌ شوند) برای مصارفِ مشخصی‌ رو به­ رشد هستند . این مواد (از قبیل یون سدیم Na+و یا کلرCl ) کانال‌ هایی‌ در ابعادِ اتمی‌ (مانند لوله) دارند که اتم‌ های باردار را در میدان یا حوزه­ ی الکتریکی‌ هدایتِ یا رسانشی سویه ­دار می­ کنند. برخی‌ دانشمندان هم اکنون در پژوهش برای موادِ رسانا با پولیمر‌های کربن­ پایه­ اند تا شاید روزی سیم‌ هایِ فلزی را جایگزین شوند.
  • نارساناها بر عکس موادِ رسانا، جریان برق را برای امنیت یا برای کارآیی‌ ابزارها محدود می ‌‌کنند[۳۰]. بهترین نارسانا‌ها پیوند‌های قویِ یونی‌ دارند که هر الکترونی‌ به یک اتم تخصیص[۳۱] داده­ شده است.
  • پلاستیک ­ها با پیوند‌هایِ کووالانسی[۳۲] بخوبیِ سرامیک‌ ها نارسانا نیستند اما برای برق‌ های با ولتاژ پایین­ تر در مواردی استفاده دارند.

فوقِ ­رسانا‌ها یا اَبَررساناها[۳۳] موادِ شگفت­ انگیزی هستند[۳۴] که جریانِ برق را بدون هیچگونه مقاومت هدایت یا رسانش می­ کنند. این خصوصیت – برق بدون مقاومت – برای مسایلی‌ اجرایی از قبیل تراگسیل یا انتقال بدونِ ضایعاتِ برق و برای طراحی آهن­ رباهایِ دایمیِ الکترومغناطیسیِ‌ بسیار قوی استفاده می ­شود.[۳۵]

برای نخستین بار در سال ۱۹۱۱ فیزیکدانِ هلندی هایکه کامرلینگ – اونس[۳۶]  اَبَررسانش یا فوقِ­هدایت را کشف کرد. وی در آزمایشی‌ با جیوه در حرارت ۴ درجه­ ی کِلوین مقاومتِ صفر را اندازه ­گیری کرد. همه­ ی موادِ فوق ­رسانا نیاز به درجه­ یِ حرارت‌ های بسیار پایین و سرد دارند.

پژوهش‌ های بعد از او برایِ پیدا کردن موادِ دیگر فوقِ رسانا بود و بالاخره به کشفِ آلیاژی از فلزِ نیوبیوم[۳۷]  که در ۲۲ درجه­ ی کلوین کاملا فوقِ رسانا است انجامید. این آلیاژ در همه­ ی ماشین ‌هایِ تصویربرداری (MRI) استفاده می ­شود. در سال ۱۹۸۶ طبقه ­ی جدیدی از موادِ فوق ­رسانا که در درجاتِ بالاتری هم کار می­ کنند کشف شد.

[۱]

Properties of Materials

[۲]

Askeland, Donald, R. and Wright, Wendelin, J. Essentials of Materials Science and Engineering. Cengage Learning, 2018.

[۳]

Hummel, Rolf. E. Electronic properties of Materials. Springer, 2013

[۴]

Zografi, George, and Byrn, Stephen.R. Solid-State Properties of Pharmaceutical Materials. Wiley, 2017

[۵]

Amato, I. Stuff: The Materials the World is Made of. New York: Basic Books, 1997.

[۶]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۷]

inorganic materials

[۸]

fibers

[۹]

semiconductors

[۱۰]

Solymar, Laszlo and Walsh, Donald. Electrical properties of Materials. Oxford University Press, 2018.

[۱۱]

Gordon, J.E. The New Science of Strong Materials. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1976.

[۱۲]

Strength and hardness

[۱۳]

compressive strength, tensile strength, and shear

[۱۴]

strong atomic framework

[۱۵]

Continuous chains of strong atomic and molecular bonds

[۱۶]

Shear strength – triangular and cross-bracing bonds

[۱۷]

twisting

[۱۸]

geological fault

[۱۹]

Chawla, Krishan, K. Composite Materials: Science and Engineering. Springer, 2013.

[۲۰]

Amdahl, K. There Are No Electrons. Arvada, CO: Clearwater, 1991.

[۲۱]

thermal expansion

[۲۲]

Haghi, A. K. and Ribeiro, Ana Cristina Faria, et al. Applied Chemistry and Chemical Engineering, Volume 5: Research Methodologies in Modern Chemistry and Applied Science. Apple Academic press, 2018.

[۲۳]

Toloukian, Yeram, Sarkis. Specific Heat: Nonmetallic Solids (Thermophysical Properties of Matter.) Springer, 2013.

[۲۴]

stickiness

[۲۵]

dipole

[۲۶]

alignments

[۲۷]

Conductors and insulators

[۲۸]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.

[۲۹]

fast ions conductors having atomic-scale channels

[۳۰]

For safety or efficiency of tools

[۳۱]

assigned

[۳۲]

covalent bonds

[۳۳]

superconductors

[۳۴]

Rey, C. Superconductors in the Powergrid: Materials and Applications. Woodhead Publishing, 2015.

[۳۵]

Hazen, R.M. The Breakthrough: The Race for the Superconductors. New York: Ballantine, 1988.

[۳۶]

Haike Kamerlingh-Onnes

[۳۷]

niobium

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

بخش ۱۲ این نوشته

بخش ۱۳ این نوشته

بخش ۱۴ این نوشته

بخش ۱۵ این نوشته

بخش ۱۶ این نوشته

بخش ۱۷ این نوشته

بخش ۱۸ این نوشته

بخش ۱۹ این نوشته 

بخش ۲۰ این نوشته 

بخش ۲۱ این نوشته 

بخش ۲۲ این نوشته

بخش ۲۳ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.