علم المواد

الموسوعة الحرة
صورة لمكعب ثماني الأوجه ماسي الشكل يظهر سبعة مستويات بلورية ، تم تصويرها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح.
ستة أنواع من مواد الهندسة التقليدية.
ستة أنواع من مواد الهندسة التقليدية

علم المواد هو مجال متعدد التخصصات يهتم بفهم العلاقات بين بنية المواد وخصائصها، واستخدام هذه المعرفة لتصميم مواد لتطبيقات محددة. تؤثر البنية الداخلية للمادة - من الترتيب الذري إلى الخصائص المجهرية - تأثيرًا كبيرًا على سلوكها الميكانيكي والكهربائي والحراري والبصري. في الممارسة الهندسية، غالبًا ما يُوصف علم وهندسة المواد من خلال نموذج المعالجة-البنية-الخصائص-الأداء، حيث تحدد المعالجة البنية، وتحدد البنية الخصائص، وتتحكم الخصائص في نهاية المطاف في أداء المادة أثناء الخدمة. [ 1 ]

تعود الجذور الفكرية لعلم المواد إلى عصر التنوير ، حين بدأ الباحثون بتوظيف التفكير التحليلي من الكيمياء والفيزياء والهندسة لفهم الملاحظات الظاهراتية القديمة في علم المعادن وعلم الفلزات . [ 2 ] [ 3 ] ولا يزال علم المواد يضم عناصر من الفيزياء والكيمياء والهندسة. ولذلك، لطالما اعتبرته المؤسسات الأكاديمية فرعًا من هذه المجالات ذات الصلة. وبدايةً من أربعينيات القرن العشرين، بدأ علم المواد يحظى باعتراف أوسع كمجال علمي وهندسي مستقل، وأنشأت الجامعات التقنية الكبرى حول العالم كليات متخصصة لدراسته.

من خلال دراسة كيفية تأثير تاريخ المادة ( عمليات التصنيع ) على بنيتها وخصائصها وأدائها، قدم علماء المواد إسهاماتٍ جليلة في تطوير تقنيات جديدة في مجالات المواد الحيوية ، وعلم المعادن ، وتقنية النانو . كما يستعين مهندسو الطب الشرعي ومحللو الأعطال بعلم المواد لفهم أسباب وكيفية تعطل المكونات الحيوية، مما يساعد على منع الحوادث الخطيرة والمكلفة في مجالات مثل الطيران .

تاريخ

نصل سيف أو خنجر من أواخر العصر البرونزي

غالبًا ما تُشكّل المادة المُختارة في عصرٍ مُعيّن نقطةً فارقة. تُعدّ مراحل مثل العصر الحجري ، والعصر البرونزي ، والعصر الحديدي ، والعصر الفولاذي أمثلةً تاريخية، وإن كانت اعتباطية. يُعتبر علم المواد، المُستمدّ أصله من صناعة الخزف وما يُفترض أنه علم المعادن المُشتقّ منه، أحد أقدم فروع الهندسة والعلوم التطبيقية. [ 4 ] تطوّر علم المواد الحديث مُباشرةً من علم المعادن ، الذي تطوّر بدوره من استخدام النار. حدث اختراقٌ كبير في فهم المواد في أواخر القرن التاسع عشر، عندما أثبت العالم الأمريكي جوزيا ويلارد جيبس ​​أن الخصائص الديناميكية الحرارية المُتعلّقة بالبنية الذرية في مختلف الأطوار ترتبط بالخصائص الفيزيائية للمادة. [ 5 ] كانت العناصر المهمة في علم المواد الحديث نتاجًا لسباق الفضاء ؛ فهم وهندسة السبائك المعدنية ، ومواد السيليكا والكربون ، المُستخدمة في بناء المركبات الفضائية التي مكّنت من استكشاف الفضاء. لقد ساهم علم المواد، وتأثر به، في تطوير تقنيات ثورية مثل المطاط والبلاستيك وأشباه الموصلات والمواد الحيوية .

قبل ستينيات القرن العشرين (وفي بعض الحالات لعقود لاحقة)، كانت العديد من أقسام علوم المواد اللاحقة أقسامًا لهندسة المعادن أو السيراميك ، مما يعكس تركيز القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين على المعادن والسيراميك. وقد حفزت وكالة مشاريع البحوث المتقدمة نمو علوم المواد في الولايات المتحدة جزئيًا ، حيث مولت سلسلة من المختبرات الجامعية في أوائل ستينيات القرن العشرين، "لتوسيع البرنامج الوطني للبحوث الأساسية والتدريب في علوم المواد". [ 6 ] وبالمقارنة مع الهندسة الميكانيكية، ركز مجال علوم المواد الناشئ على دراسة المواد من المستوى الكلي، وعلى تصميم المواد بناءً على معرفة سلوكها على المستوى المجهري. [ 7 ] وبفضل المعرفة المتوسعة بالصلة بين العمليات الذرية والجزيئية، فضلًا عن الخصائص العامة للمواد، أصبح تصميم المواد يعتمد على خصائص محددة مرغوبة. [ 7 ] توسع مجال علم المواد منذ ذلك الحين ليشمل جميع فئات المواد، بما في ذلك السيراميك، والبوليمرات ، وأشباه الموصلات، والمواد المغناطيسية ، والمواد الحيوية، والمواد النانوية ، والتي تُصنف عمومًا إلى ثلاث مجموعات متميزة: السيراميك، والمعادن، والبوليمرات. ويتمثل التغيير الأبرز في علم المواد خلال العقود الأخيرة في الاستخدام المكثف لمحاكاة الحاسوب لاكتشاف مواد جديدة، والتنبؤ بخصائصها، وفهم الظواهر.

الأساسيات

النموذج المادي ممثل في شكل رباعي الأوجه (يسمى أيضًا النموذج المركزي لعلم وهندسة المواد) [ 8 ]

تُعرَّف المادة بأنها مادة (غالبًا ما تكون صلبة، ولكن يمكن أن تشمل أطوارًا مكثفة أخرى) مُصممة للاستخدام في تطبيقات محددة. [ 9 ] توجد حولنا مواد لا حصر لها؛ إذ يمكن العثور عليها في كل شيء بدءًا من المباني والسيارات وصولًا إلى المركبات الفضائية. وتشمل الفئات الرئيسية للمواد المعادن ، وأشباه الموصلات ، والسيراميك ، والبوليمرات . [ 10 ] : 5-6 وتشمل المواد الجديدة والمتطورة التي يجري تطويرها المواد النانوية ، والمواد الحيوية ، [ 10 ] : 10-12، ومواد الطاقة، على سبيل المثال لا الحصر. [ 11 ]

يرتكز علم المواد على دراسة التفاعل بين بنية المواد، وطرق تصنيعها، وخصائصها الناتجة. ويُنتج هذا التفاعل المعقد أداء المادة في تطبيق محدد. وتؤثر العديد من الخصائص، عبر مختلف المقاييس، على أداء المادة، بدءًا من العناصر الكيميائية المكونة لها، وبنيتها المجهرية ، وصولًا إلى خصائصها الكلية الناتجة عن عمليات التصنيع. ويسعى علماء المواد، بالاستعانة بقوانين الديناميكا الحرارية والحركية ، إلى فهم المواد وتحسينها.

بناء

يُعدّ التركيب أحد أهمّ عناصر علم المواد. ويُعرّف هذا العلم بأنه يهتمّ بدراسة "العلاقات القائمة بين تركيب المواد وخصائصها". [ 12 ] يدرس علم المواد تركيب المواد بدءًا من المستوى الذري وصولًا إلى المستوى العياني. [ 4 ] ويُعدّ توصيف المواد الطريقة التي يستخدمها علماء المواد لفحص تركيبها. ويشمل ذلك طرقًا مثل حيود الأشعة السينية أو الإلكترونات أو النيوترونات ، بالإضافة إلى أنواع مختلفة من التحليل الطيفي والكيميائي ، مثل مطيافية رامان ، ومطيافية تشتت الطاقة ، والكروماتوغرافيا ، والتحليل الحراري ، وتحليل المجهر الإلكتروني ، وغيرها.

تتم دراسة البنية في المستويات التالية.

التركيب الذري

يتناول علم التركيب الذري ذرات المواد، وكيفية ترتيبها لتكوين الجزيئات والبلورات، وما إلى ذلك. وينشأ جزء كبير من الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والكيميائية للمواد من هذا المستوى من التركيب. وتُقاس أطوال هذه الخصائص بوحدة الأنجستروم ( Å ). ويُعدّ كلٌّ من الترابط الكيميائي والترتيب الذري (علم البلورات) أساسيين لدراسة خصائص وسلوك أي مادة.

الترابط

للحصول على فهم كامل لبنية المادة وكيفية ارتباطها بخصائصها، يجب على عالم المواد دراسة كيفية ترتيب الذرات والأيونات والجزيئات المختلفة وترابطها مع بعضها البعض. يتضمن ذلك دراسة وتطبيق الكيمياء الكمية أو الفيزياء الكمية . كما تُسهم فيزياء الحالة الصلبة وكيمياء الحالة الصلبة والكيمياء الفيزيائية في دراسة الروابط والبنية.

علم البلورات
التركيب البلوري لبيروفسكايت ذي الصيغة الكيميائية ABX 3 [ 13 ]

علم البلورات هو العلم الذي يدرس ترتيب الذرات في المواد الصلبة البلورية. يُعدّ علم البلورات أداةً قيّمةً لعلماء المواد. من المفاهيم الأساسية المتعلقة بالبنية البلورية للمادة وحدة الخلية ، وهي أصغر وحدة في الشبكة البلورية (الشبكة الفراغية) التي تتكرر لتكوين البنية البلورية الكلية. تشمل أكثر المواد البنائية شيوعًا الشبكات المتوازية المستطيلات والسداسية. [ 14 ] في البلورات الأحادية ، غالبًا ما يسهل ملاحظة تأثيرات الترتيب البلوري للذرات على المستوى العياني، لأن الأشكال الطبيعية للبلورات تعكس البنية الذرية. علاوة على ذلك، غالبًا ما تتحكم العيوب البلورية في الخصائص الفيزيائية. يُعدّ فهم البنى البلورية شرطًا أساسيًا لفهم العيوب البلورية . تشمل أمثلة العيوب البلورية الانخلاعات، بما في ذلك الانخلاعات الحافية واللولبية والفراغات والذرات البينية الذاتية، وغيرها، وهي عيوب خطية ومستوية وثلاثية الأبعاد. [ 15 ] تشمل المواد الجديدة والمتطورة التي يجري تطويرها المواد النانوية والمواد الحيوية . [ 16 ] في الغالب، لا توجد المواد على شكل بلورة أحادية، بل في صورة متعددة البلورات، كمجموعة من البلورات أو الحبيبات الصغيرة ذات التوجهات المختلفة. ولهذا السبب، تلعب طريقة حيود المساحيق ، التي تستخدم أنماط حيود العينات متعددة البلورات ذات العدد الكبير من البلورات، دورًا هامًا في تحديد البنية. تمتلك معظم المواد بنية بلورية، لكن بعض المواد المهمة لا تُظهر بنية بلورية منتظمة. [ 17 ] تُظهر البوليمرات درجات متفاوتة من التبلور، والعديد منها غير متبلور تمامًا. الزجاج وبعض أنواع السيراميك والعديد من المواد الطبيعية غير متبلورة ، أي لا تمتلك أي ترتيب ذري طويل المدى. يجمع علم دراسة البوليمرات بين عناصر الديناميكا الحرارية الكيميائية والإحصائية لتقديم أوصاف ديناميكية حرارية وميكانيكية للخواص الفيزيائية.

بنية نانوية

بنية نانوية من باكمنستر فوليرين

تُسمى المواد التي تُشكل ذراتها وجزيئاتها مكونات على المستوى النانوي (أي أنها تُشكل هياكل نانوية) بالمواد النانوية. وتُعد المواد النانوية موضوعًا لبحوث مكثفة في مجال علوم المواد نظرًا لخصائصها الفريدة.

يتناول علم النانو الأجسام والهياكل التي يتراوح حجمها بين 1 و100  نانومتر. [ 18 ] في العديد من المواد، تتجمع الذرات أو الجزيئات لتشكيل أجسام على المستوى النانوي. وهذا ما يُكسبها العديد من الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والبصرية والميكانيكية المثيرة للاهتمام.

عند وصف الهياكل النانوية، من الضروري التمييز بين عدد الأبعاد على المقياس النانوي .

تتميز الأسطح ذات البنية النانوية ببعد واحد على المستوى النانوي، أي أن سمك سطح الجسم فقط يتراوح بين 0.1 و 100  نانومتر.

للأنابيب النانوية بعدان على المستوى النانوي، أي أن قطر الأنبوب يتراوح بين 0.1 و 100  نانومتر؛ ويمكن أن يكون طوله أكبر بكثير.

أخيرًا، تتميز الجسيمات النانوية الكروية بثلاثة أبعاد على المقياس النانوي، أي أن حجم الجسيم يتراوح بين 0.1 و100  نانومتر في كل بُعد مكاني. غالبًا ما يُستخدم مصطلحا الجسيمات النانوية والجسيمات فائقة الدقة (UFP) بشكل مترادف، على الرغم من أن حجم الجسيمات فائقة الدقة قد يصل إلى نطاق الميكرومتر. يُستخدم مصطلح "البنية النانوية" عادةً عند الإشارة إلى التكنولوجيا المغناطيسية. أما في علم الأحياء، فتُسمى البنية النانوية غالبًا بالبنية فائقة الدقة .

البنية المجهرية

البنية المجهرية للبيرلايت

تُعرَّف البنية المجهرية بأنها بنية سطح مُجهَّز أو رقاقة رقيقة من مادة ما، كما تظهر تحت المجهر بتكبير يزيد عن 25 ضعفًا. وهي تُعنى بالأجسام التي يتراوح حجمها من 100  نانومتر إلى بضعة سنتيمترات. تؤثر البنية المجهرية للمادة (والتي يمكن تصنيفها بشكل عام إلى معادن، وبوليمرات، وسيراميك، ومواد مركبة) تأثيرًا كبيرًا على الخصائص الفيزيائية، مثل المتانة، والصلابة، والليونة، ومقاومة التآكل، وسلوكها في درجات الحرارة العالية والمنخفضة، ومقاومتها للتآكل، وغيرها. [ 19 ] [ 20 ] معظم المواد التقليدية (مثل المعادن والسيراميك) ذات بنية مجهرية. [ 21 ]

إن تصنيع بلورة مثالية لأي مادة أمر مستحيل فيزيائيًا. فعلى سبيل المثال، تحتوي أي مادة بلورية على عيوب مثل الرواسب ، وحدود الحبيبات ( علاقة هول-بيتتش )، والفراغات، والذرات البينية، أو الذرات الاستبدالية. [ 22 ] يكشف التركيب المجهري للمواد عن هذه العيوب الأكبر، وقد أتاحت التطورات في مجال المحاكاة فهمًا أعمق لكيفية استخدام هذه العيوب لتحسين خصائص المواد.

البنية الكلية

البنية الكلية هي مظهر المادة على نطاق يتراوح من المليمترات إلى الأمتار، وهي بنية المادة كما تُرى بالعين المجردة. [ 8 ]

ملكيات

تتميز المواد بخصائص لا حصر لها، بما في ذلك ما يلي.

تحدد خصائص المادة مدى قابليتها للاستخدام، وبالتالي تطبيقاتها الهندسية.

يعالج

تتضمن عملية التخليق والتصنيع إنتاج مادة ذات بنية دقيقة ونانوية محددة. ولا يمكن استخدام أي مادة في الصناعة ما لم يتم تطوير طريقة إنتاج مجدية اقتصاديًا لها. لذا، يُعد تطوير طرق تصنيع فعّالة واقتصادية للمواد أمرًا حيويًا في مجال علم المواد. وتتطلب المواد المختلفة طرق تصنيع أو معالجة مختلفة. فعلى سبيل المثال، ارتبطت معالجة المعادن تاريخيًا بعصور مثل العصر البرونزي والعصر الحديدي، وتُدرس ضمن فرع من علم المواد يُسمى علم المعادن الفيزيائي. كما تُستخدم الطرق الكيميائية والفيزيائية لتصنيع مواد أخرى مثل البوليمرات والسيراميك وأشباه الموصلات والأغشية الرقيقة . ومنذ مطلع القرن الحادي والعشرين ، يجري تطوير طرق جديدة لتصنيع المواد النانوية مثل الجرافين . [ 23 ]

الديناميكا الحرارية

مخطط طوري لنظام ثنائي يوضح نقطة التصلب

يهتم علم الديناميكا الحرارية بالحرارة ودرجة الحرارة وعلاقتهما بالطاقة والشغل . وهو يُعرّف متغيراتٍ كلية ، مثل الطاقة الداخلية والإنتروبيا والضغط ، التي تصف جزئيًا جسمًا من المادة أو الإشعاع. وينص على أن سلوك هذه المتغيرات يخضع لقيود عامة مشتركة بين جميع المواد. وتُعبّر هذه القيود العامة عن نفسها في قوانين الديناميكا الحرارية الأربعة. يصف علم الديناميكا الحرارية السلوك الكلي للجسم، وليس السلوك المجهري لأعدادٍ هائلة من مكوناته المجهرية، مثل الجزيئات. ويتم وصف سلوك هذه الجسيمات المجهرية، وقوانين الديناميكا الحرارية، من خلال الميكانيكا الإحصائية .

يُعدّ علم الديناميكا الحرارية أساسياً في علم المواد، إذ يُشكّل حجر الزاوية لمعالجة الظواهر العامة في علم وهندسة المواد، بما في ذلك التفاعلات الكيميائية، والمغناطيسية، والاستقطابية، والمرونة. [ 24 ] كما يُفسّر أدوات أساسية مثل مخططات الأطوار ومفاهيم مثل توازن الأطوار .

الحركية

الحركية الكيميائية هي دراسة معدلات تغير الأنظمة غير المتوازنة تحت تأثير قوى مختلفة. وعند تطبيقها على علم المواد، فإنها تتناول كيفية تغير المادة مع مرور الوقت (انتقالها من حالة عدم التوازن إلى حالة التوازن) نتيجة تطبيق مجال معين. كما أنها تُفصّل معدل العمليات المختلفة التي تحدث في المواد، بما في ذلك الشكل والحجم والتركيب والبنية. يُعدّ الانتشار عاملاً مهماً في دراسة الحركية الكيميائية، فهو الآلية الأكثر شيوعاً لتغير المواد. [ 25 ] وتُعدّ الحركية الكيميائية أساسية في معالجة المواد، لأنها، من بين أمور أخرى، تُفصّل كيفية تغير البنية المجهرية عند تطبيق الحرارة.

بحث

عدد الأعمال في مجال علم المواد في قاعدة بيانات OpenAlex حسب السنة [ 26 ] – في عام 2025، أفادت مجلة Nature بزيادة كبيرة في حجم المقالات خلال العامين الماضيين في المجالات ذات الصلة، مشيرةً إلى أنها ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتطوير تقنيات الجيل التالي الخضراء التي تزداد شعبيتها، وتزايد إنتاج المقالات من دول ومناطق معينة تولي هذا المجال أولوية. [ 27 ]

يُعدّ علم المواد مجالًا بحثيًا نشطًا للغاية. فإلى جانب أقسام علم المواد، تشارك أقسام الفيزياء والكيمياء والعديد من أقسام الهندسة في أبحاث المواد. وتغطي أبحاث المواد نطاقًا واسعًا من المواضيع؛ وتُسلّط القائمة التالية ، غير الشاملة، الضوء على بعض مجالات البحث المهمة.

المواد النانوية

صورة مجهرية إلكترونية ماسحة لحزم أنابيب الكربون النانوية

تصف المواد النانوية، من حيث المبدأ، المواد التي يتراوح حجم وحدتها الواحدة (في بُعد واحد على الأقل) بين 1 و1000 نانومتر (10⁻⁹ متر )، ولكنها عادةً ما تتراوح بين 1  و100  نانومتر. يتبنى البحث في المواد النانوية نهجًا قائمًا على علم المواد في مجال تكنولوجيا النانو ، مستفيدًا من التطورات في قياس المواد وتصنيعها، والتي طُوّرت لدعم أبحاث التصنيع الدقيق . غالبًا ما تتمتع المواد ذات البنية النانوية بخصائص بصرية أو إلكترونية أو ميكانيكية فريدة. يُصنّف مجال المواد النانوية، على غرار مجال الكيمياء التقليدي، إلى مواد نانوية عضوية (قائمة على الكربون)، مثل الفوليرين، ومواد نانوية غير عضوية قائمة على عناصر أخرى، مثل السيليكون. ومن أمثلة المواد النانوية: الفوليرين ، وأنابيب الكربون النانوية ، والبلورات النانوية، وغيرها.

المواد الحيوية

الصدف المتلألئ داخل صدفة النوتيلوس

المادة الحيوية هي أي مادة أو سطح أو بنية تتفاعل مع الأنظمة البيولوجية . [ 28 ] يشمل علم المواد الحيوية عناصر من الطب وعلم الأحياء والكيمياء وهندسة الأنسجة وعلم المواد.

يمكن استخلاص المواد الحيوية من الطبيعة أو تصنيعها مخبرياً باستخدام مناهج كيميائية متنوعة، وذلك باستخدام مكونات معدنية أو بوليمرات أو خزف حيوي أو مواد مركبة . وغالباً ما تُصمم هذه المواد أو تُكيّف لتطبيقات طبية، مثل الأجهزة الطبية الحيوية التي تؤدي وظيفة طبيعية أو تعززها أو تحل محلها. وقد تكون هذه الوظائف حميدة، كما هو الحال في صمامات القلب ، أو قد تكون نشطة بيولوجياً ذات وظائف تفاعلية أكثر، مثل غرسات مفصل الورك المطلية بهيدروكسيلاباتيت . كما تُستخدم المواد الحيوية يومياً في طب الأسنان والجراحة وإيصال الأدوية. فعلى سبيل المثال، يمكن زرع هيكل مُشبع بمنتجات صيدلانية في الجسم، مما يسمح بإطلاق الدواء ببطء على مدى فترة زمنية طويلة. وقد تكون المادة الحيوية أيضاً طعماً ذاتياً أو طعماً من متبرع أو طعماً من حيوان آخر ، تُستخدم كمادة لزراعة الأعضاء .

إلكتروني، بصري، ومغناطيسي

المادة الفائقة ذات معامل الانكسار السالب [ 29 ] [ 30 ]

تُستخدم أشباه الموصلات والمعادن والسيراميك اليوم لتشكيل أنظمة معقدة للغاية، مثل الدوائر الإلكترونية المتكاملة والأجهزة الكهروضوئية ووسائط التخزين المغناطيسية والبصرية.

تُعد أشباه الموصلات مثالًا تقليديًا على هذا النوع من المواد. فهي مواد ذات خصائص متوسطة بين الموصلات والعوازل . وتتأثر موصليتها الكهربائية بشدة بتركيز الشوائب، مما يسمح باستخدام التطعيم لتحقيق الخصائص الإلكترونية المطلوبة. ولذلك، تُشكل أشباه الموصلات أساس الحاسوب التقليدي.

يشمل هذا المجال أيضًا مجالات بحثية جديدة مثل المواد فائقة التوصيل ، والإلكترونيات الدورانية ، والمواد الفائقة ، وما إلى ذلك. تتضمن دراسة هذه المواد معرفة علم المواد وفيزياء الحالة الصلبة أو فيزياء المادة المكثفة .

علم المواد الحاسوبي

مع التطور المستمر في القدرة الحاسوبية، أصبح من الممكن محاكاة سلوك المواد. وهذا يمكّن علماء المواد من فهم سلوكها وآلياتها، وتصميم مواد جديدة، وتفسير خصائص كانت غير مفهومة جيدًا في السابق. وتركز الجهود المبذولة في مجال هندسة المواد الحاسوبية المتكاملة حاليًا على دمج الأساليب الحاسوبية مع التجارب لتقليل الوقت والجهد اللازمين لتحسين خصائص المواد لتطبيق معين بشكل كبير. ويشمل ذلك محاكاة المواد على جميع المقاييس، باستخدام أساليب مثل نظرية الكثافة الوظيفية ، والديناميكا الجزيئية ، ومونت كارلو ، وديناميكا الانخلاع، ومجال الطور ، والعناصر المحدودة ، وغيرها الكثير. [ 31 ]

صناعة

حاويات المشروبات المصنوعة من جميع أنواع المواد الثلاثة: السيراميك (الزجاج)، والمعدن (الألومنيوم)، والبوليمر (البلاستيك).

يمكن للتطورات الجذرية في مجال المواد أن تدفع نحو ابتكار منتجات جديدة أو حتى صناعات جديدة، لكن الصناعات المستقرة توظف أيضاً علماء المواد لإجراء تحسينات تدريجية ومعالجة المشكلات المتعلقة بالمواد المستخدمة حالياً. تشمل التطبيقات الصناعية لعلم المواد تصميم المواد، وموازنة التكلفة والعائد في الإنتاج الصناعي للمواد، وطرق المعالجة ( الصب ، والدرفلة ، واللحام ، وزرع الأيونات ، ونمو البلورات ، وترسيب الأغشية الرقيقة ، والتلبيد ، ونفخ الزجاج ، وما إلى ذلك)، والأساليب التحليلية (أساليب التوصيف مثل المجهر الإلكتروني ، وحيود الأشعة السينية ، وقياس السعرات الحرارية ، والمجهر النووي (HEFIB) ، والتشتت العكسي لروذرفورد ، وحيود النيوترونات ، وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS)، وما إلى ذلك).

إلى جانب توصيف المواد، يتعامل عالم أو مهندس المواد أيضًا مع استخلاص المواد وتحويلها إلى أشكال مفيدة. لذا، يُعدّ صبّ السبائك ، وطرق المسابك ، واستخلاص الحديد من أفران الصهر ، والاستخلاص الإلكتروليتي ، جزءًا من المعرفة المطلوبة لمهندس المواد. غالبًا ما يؤثر وجود أو غياب أو اختلاف كميات ضئيلة من العناصر والمركبات الثانوية في المادة الخام تأثيرًا كبيرًا على الخصائص النهائية للمواد المنتجة. على سبيل المثال، تُصنّف أنواع الفولاذ بناءً على نسب وزن الكربون وعناصر السبائك الأخرى التي تحتويها، والتي تتراوح بين 1/10 و1/100. وبالتالي، فإن طرق الاستخلاص والتنقية المستخدمة لاستخلاص الحديد في فرن الصهر قد تؤثر على جودة الفولاذ المُنتَج.

تُصنّف المواد الصلبة عمومًا إلى ثلاث فئات أساسية: السيراميك، والمعادن، والبوليمرات. يعتمد هذا التصنيف الواسع على التركيب التجريبي والبنية الذرية للمواد الصلبة، وتندرج معظم المواد الصلبة ضمن إحدى هذه الفئات. [ 32 ] ومن الأمثلة الشائعة على المنتجات المصنوعة من كل نوع من هذه المواد، عبوات المشروبات. ولكل نوع من أنواع المواد المستخدمة في صناعة عبوات المشروبات مزايا وعيوب مختلفة، تبعًا للمادة المستخدمة. فالعبوات المصنوعة من السيراميك (الزجاج) شفافة بصريًا، وغير منفذة لثاني أكسيد الكربون، ورخيصة نسبيًا، وسهلة إعادة التدوير، ولكنها ثقيلة الوزن وسهلة الكسر. أما العبوات المصنوعة من المعادن (سبائك الألومنيوم) فهي قوية نسبيًا، وتشكل حاجزًا جيدًا أمام انتشار ثاني أكسيد الكربون، وسهلة إعادة التدوير. ومع ذلك، فإن هذه العبوات معتمة، ومكلفة الإنتاج، وسهلة الانبعاج والثقب. أما البوليمرات (بلاستيك البولي إيثيلين) فهي قوية نسبيًا، ويمكن أن تكون شفافة بصريًا، ورخيصة الوزن وخفيفة الوزن، وقابلة لإعادة التدوير، ولكنها ليست مانعة لتسرب ثاني أكسيد الكربون مثل الألومنيوم والزجاج.

السيراميك والزجاج

أجزاء محامل سيراميك Si 3 N 4

من تطبيقات علم المواد الأخرى دراسة السيراميك والزجاج ، وهما من أكثر المواد هشاشةً ذات الأهمية الصناعية. يتميز العديد من السيراميك والزجاج بروابط تساهمية أو أيونية-تساهمية، حيث يُعدّ ثاني أكسيد السيليكون ( SiO₂ ) وحدة بناء أساسية. عادةً ما يُرى السيراميك - الذي لا ينبغي الخلط بينه وبين الطين الخام غير المحروق - في شكل بلوري. تحتوي الغالبية العظمى من أنواع الزجاج التجاري على أكسيد معدني منصهر مع السيليكا. عند درجات الحرارة العالية المستخدمة في تحضير الزجاج، تكون المادة سائلة لزجة تتصلب إلى حالة غير منتظمة عند التبريد. تُعدّ ألواح النوافذ والنظارات أمثلة مهمة على ذلك. تُستخدم ألياف الزجاج أيضًا في الاتصالات بعيدة المدى والنقل البصري. يُعدّ زجاج كورنينج غوريلا المقاوم للخدش مثالًا معروفًا على تطبيق علم المواد لتحسين خصائص المكونات الشائعة بشكل جذري.

تُعرف الخزفيات الهندسية بصلابتها وثباتها تحت درجات الحرارة العالية والضغط والإجهاد الكهربائي. يُصنع الألومينا وكربيد السيليكون وكربيد التنجستن من مسحوق ناعم لمكوناتها في عملية تلبيد باستخدام مادة رابطة. يوفر الكبس الساخن مادة ذات كثافة أعلى. يمكن للترسيب الكيميائي للبخار وضع طبقة رقيقة من السيراميك على مادة أخرى. أما السيرميتات فهي جزيئات سيراميكية تحتوي على بعض المعادن. تُستمد مقاومة التآكل للأدوات من الكربيدات الملبدة، حيث تُضاف عادةً المرحلة المعدنية من الكوبالت والنيكل لتعديل الخصائص.

يمكن تعزيز خصائص السيراميك بشكل ملحوظ للتطبيقات الهندسية باستخدام مبدأ انحراف الشقوق . [ 33 ] تتضمن هذه العملية إضافة جزيئات الطور الثاني بشكل استراتيجي داخل مصفوفة السيراميك، مع تحسين شكلها وحجمها وتوزيعها لتوجيه انتشار الشقوق والتحكم فيه. يعزز هذا النهج مقاومة الكسر، مما يمهد الطريق لإنتاج أنواع متطورة وعالية الأداء من السيراميك في مختلف الصناعات. [ 34 ]

المواد المركبة

خيط كربوني قطره 6  ميكرومتر (يمتد من أسفل اليسار إلى أعلى اليمين) موضوع فوق شعرة بشرية أكبر بكثير

ومن التطبيقات الأخرى لعلم المواد في الصناعة تصنيع المواد المركبة . وهي مواد ذات بنية محددة تتكون من طورين أو أكثر من الأطوار المجهرية.

تتراوح تطبيقات هذه المادة من العناصر الإنشائية، مثل الخرسانة المسلحة بالفولاذ، إلى بلاطات العزل الحراري، التي تلعب دورًا محوريًا في نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء التابع لناسا ، والذي يُستخدم لحماية سطح المكوك من حرارة دخوله الغلاف الجوي للأرض. ومن الأمثلة على ذلك مادة الكربون المقوى بالكربون (RCC)، وهي مادة رمادية فاتحة اللون، تتحمل درجات حرارة الدخول إلى الغلاف الجوي حتى 1510 درجة مئوية (2750 درجة فهرنهايت) ، وتحمي الحواف الأمامية لأجنحة مكوك الفضاء وغطاءه الأمامي. [ 35 ] مادة RCC هي مادة مركبة مُصفحة مصنوعة من قماش رايون الجرافيت ومُشبعة براتنج فينولي . بعد معالجتها في درجة حرارة عالية في جهاز التعقيم بالبخار ، تُخضع الطبقة المُصفحة لعملية التحلل الحراري لتحويل الراتنج إلى كربون، ثم تُشبع بكحول الفرفوريل في غرفة مفرغة من الهواء، وتُعالج حراريًا مرة أخرى لتحويل كحول الفرفوريل إلى كربون. ولتوفير مقاومة للأكسدة من أجل إعادة الاستخدام، يتم تحويل الطبقات الخارجية من الخرسانة المسلحة بالألياف إلى كربيد السيليكون .  

يمكن ملاحظة أمثلة أخرى في الأغلفة البلاستيكية لأجهزة التلفاز والهواتف المحمولة وغيرها. عادةً ما تكون هذه الأغلفة البلاستيكية مصنوعة من مادة مركبة تتكون من مصفوفة لدن بالحرارة مثل أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS)، حيث تُضاف إليها مواد مثل طباشير كربونات الكالسيوم أو التلك أو الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون لزيادة قوتها أو حجمها أو تشتيتها الكهروستاتيكي . ويمكن تسمية هذه الإضافات بالألياف المقوية أو المشتتات، وذلك بحسب الغرض منها.

البوليمرات

الوحدة المتكررة لبوليمر البولي بروبيلين
عبوات بوليمر البوليسترين الموسع

البوليمرات هي مركبات كيميائية تتكون من عدد كبير من المكونات المتطابقة المرتبطة ببعضها البعض كالسلاسل. [ 36 ] تُعد البوليمرات المواد الخام (الراتنجات) المستخدمة في صناعة ما يُعرف عادةً بالبلاستيك والمطاط . البلاستيك والمطاط هما المنتج النهائي، ويتم إنتاجهما بعد إضافة بوليمر واحد أو أكثر أو مواد مضافة إلى الراتنج أثناء عملية التصنيع، ثم يُشكّل الراتنج إلى شكله النهائي. تشمل أنواع البلاستيك، التي كانت ولا تزال شائعة الاستخدام ، البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين ، والبولي فينيل كلوريد (PVC)، والبوليسترين ، والنايلون ، والبوليستر ، والأكريليك ، والبولي يوريثان ، والبولي كربونات . أما أنواع المطاط فتشمل المطاط الطبيعي، ومطاط الستايرين-بوتادين ، والكلوروبرين ، ومطاط البوتادين . تُصنف أنواع البلاستيك عمومًا إلى بلاستيك تجاري ، وبلاستيك متخصص ، وبلاستيك هندسي .

يُستخدم كلوريد البولي فينيل (PVC) على نطاق واسع، وهو غير مكلف، ويُنتج بكميات كبيرة سنويًا. يُناسب مجموعة واسعة من التطبيقات، من الجلود الصناعية إلى العزل الكهربائي والكابلات والتغليف والحاويات . تتميز عملية تصنيعه ومعالجته بالبساطة والرسوخ. وتعود مرونة استخدامات PVC إلى تنوع الملدنات والمواد المضافة الأخرى التي يقبلها. [ 37 ] يشير مصطلح "المواد المضافة" في علم البوليمرات إلى المواد الكيميائية والمركبات التي تُضاف إلى قاعدة البوليمر لتعديل خصائصها.

يُعتبر البولي كربونات عادةً من أنواع البلاستيك الهندسي (ومن الأمثلة الأخرى PEEK وABS). يُقدّر هذا النوع من البلاستيك لقوته الفائقة وخصائصه المادية المميزة الأخرى. ولا يُستخدم عادةً في التطبيقات ذات الاستخدام الواحد، على عكس أنواع البلاستيك التجارية.

البلاستيك المتخصص هو مواد ذات خصائص فريدة، مثل القوة الفائقة، والتوصيل الكهربائي، والتألق الكهربائي، والاستقرار الحراري العالي، وما إلى ذلك.

لا تعتمد الخطوط الفاصلة بين أنواع البلاستيك المختلفة على المادة المصنعة منها، بل على خصائصها واستخداماتها. فعلى سبيل المثال، يُعد البولي إيثيلين (PE) بوليمرًا رخيصًا ومنخفض الاحتكاك، ويُستخدم عادةً في صناعة الأكياس التي تُستخدم لمرة واحدة للتسوق والنفايات، ويُعتبر من أنواع البلاستيك الأساسية. أما البولي إيثيلين متوسط ​​الكثافة (MDPE) فيُستخدم في أنابيب الغاز والمياه تحت الأرض، بينما يُعد نوع آخر يُسمى البولي إيثيلين فائق الوزن الجزيئي (UHMWPE) بلاستيكًا هندسيًا يُستخدم على نطاق واسع في قضبان الانزلاق للمعدات الصناعية وفي تجويف منخفض الاحتكاك في مفاصل الورك المزروعة .

سبائك معدنية

حبل سلكي مصنوع من سبيكة فولاذية

تشكل سبائك الحديد ( الفولاذ ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، والحديد الزهر ، وفولاذ الأدوات ، وسبائك الفولاذ ) النسبة الأكبر من المعادن اليوم من حيث الكمية والقيمة التجارية.

يُنتج عن خلط الحديد بنسب متفاوتة من الكربون أنواعًا مختلفة من الفولاذ، منها منخفض الكربون ، ومتوسط ​​الكربون، وعالي الكربون . ولا يُعتبر سبيكة الحديد والكربون فولاذًا إلا إذا تراوحت نسبة الكربون فيها بين 0.01% و2.00% وزنيًا. بالنسبة للفولاذ، ترتبط صلابته وقوة شدّه بكمية الكربون الموجودة فيه، حيث تؤدي زيادة نسبة الكربون إلى انخفاض مطيليته ومتانته. ومع ذلك، يمكن لعمليات المعالجة الحرارية ، مثل التبريد السريع والتطبيع ، أن تُغير هذه الخصائص بشكل ملحوظ. في المقابل، تُظهر بعض السبائك المعدنية خصائص فريدة، حيث يبقى حجمها وكثافتها ثابتين عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. [ 38 ] يُعرَّف الحديد الزهر بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على نسبة كربون تزيد عن 2.00%، ولكنها تقل عن 6.67%. أما الفولاذ المقاوم للصدأ ، فيُعرَّف بأنه سبيكة فولاذية عادية تحتوي على نسبة كروم تزيد عن 10% وزنيًا . ويُضاف النيكل والموليبدينوم عادةً إلى الفولاذ المقاوم للصدأ.

من بين السبائك المعدنية الهامة الأخرى سبائك الألومنيوم والتيتانيوم والنحاس والمغنيسيوم . عُرفت سبائك النحاس منذ القدم (منذ العصر البرونزي ) ، بينما طُوّرت سبائك المعادن الثلاثة الأخرى حديثًا نسبيًا. ونظرًا لتفاعلية هذه المعادن الكيميائية، لم تُطوّر عمليات الاستخلاص الإلكتروليتي اللازمة إلا مؤخرًا. كما تُعرف سبائك الألومنيوم والتيتانيوم والمغنيسيوم وتُقدّر لارتفاع نسبة قوتها إلى وزنها، وفي حالة المغنيسيوم، لقدرتها على توفير الحماية الكهرومغناطيسية. [ 39 ] تُعدّ هذه المواد مثاليةً للتطبيقات التي تكون فيها نسبة القوة إلى الوزن العالية أهم من التكلفة الإجمالية، كما هو الحال في صناعة الطيران والفضاء وبعض تطبيقات هندسة السيارات.

أشباه الموصلات

أشباه الموصلات هي مواد ذات مقاومة كهربائية تقع بين الموصلات والعوازل . وتعتمد الإلكترونيات الحديثة على أشباه الموصلات، وقد بلغ حجم سوقها ما يقدر بنحو 530 مليار دولار أمريكي في عام 2021. [ 40 ] ويمكن تغيير خصائصها الإلكترونية بشكل كبير من خلال إدخال شوائب عمدًا في عملية تُعرف باسم التطعيم. تُستخدم مواد أشباه الموصلات في صناعة الثنائيات ، والترانزستورات ، والثنائيات الباعثة للضوء (LED)، والدوائر الكهربائية التناظرية والرقمية ، من بين استخدامات أخرى عديدة. وقد حلت أجهزة أشباه الموصلات محل الأجهزة الحرارية مثل الصمامات المفرغة في معظم التطبيقات. تُصنع أجهزة أشباه الموصلات كأجهزة منفصلة وكدوائر متكاملة (ICs)، والتي تتكون من عدد يتراوح من بضعة أجهزة إلى ملايين الأجهزة المصنعة والمترابطة على ركيزة واحدة من أشباه الموصلات . [ 41 ]

من بين جميع أشباه الموصلات المستخدمة اليوم، يشكل السيليكون الحصة الأكبر كمًّا وقيمةً تجارية. يُستخدم السيليكون أحادي البلورة في إنتاج الرقائق المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات والإلكترونيات . يُعد زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ثاني أكثر أشباه الموصلات استخدامًا. نظرًا لارتفاع حركية الإلكترونات وسرعة التشبع فيه مقارنةً بالسيليكون، فهو مادة مفضلة لتطبيقات الإلكترونيات عالية السرعة. تُعد هذه الخصائص المتميزة أسبابًا مقنعة لاستخدام دوائر زرنيخيد الغاليوم في الهواتف المحمولة، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، ووصلات الميكروويف من نقطة إلى نقطة، وأنظمة الرادار عالية التردد. تشمل مواد أشباه الموصلات الأخرى الجرمانيوم ، وكربيد السيليكون ، ونيتريد الغاليوم ، ولها تطبيقات متنوعة.

العلاقة مع المجالات الأخرى

أداة عرض جوجل Ngram - رسم بياني يوضح مصطلحات البحث عن مصطلحات المادة المعقدة (1940-2018). الأخضر: "علم المواد"، الأحمر: " فيزياء المادة المكثفة "، والأزرق: " فيزياء الحالة الصلبة ".

تطور علم المواد منذ خمسينيات القرن العشرين، إذ أُدرك أن ابتكار مواد جديدة واكتشافها وتصميمها يتطلب اتباع نهج موحد. وهكذا، برز علم وهندسة المواد بطرق عديدة: منها إعادة تسمية أقسام هندسة المعادن والسيراميك القائمة أو دمجها؛ والانفصال عن أبحاث فيزياء الحالة الصلبة (التي تطورت بدورها إلى فيزياء المادة المكثفة )؛ واستقطاب هندسة البوليمرات وعلومها الحديثة نسبيًا ؛ وإعادة دمجها مع فروع أخرى، كالكيمياء والهندسة الكيميائية والهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية ؛ وغير ذلك.

يُعدّ مجال علم وهندسة المواد ذا أهمية بالغة من الناحية العلمية، فضلاً عن أهميته في التطبيقات العملية. فالمواد ذات أهمية قصوى للمهندسين (وغيرهم من العاملين في المجالات التطبيقية) لأن استخدام المواد المناسبة أمرٌ حاسم عند تصميم الأنظمة. ونتيجةً لذلك، يُشكّل علم المواد جزءًا متزايد الأهمية من تعليم المهندسين.

فيزياء المواد هي استخدام الفيزياء لوصف الخصائص الفيزيائية للمواد. وهي تمثل توليفًا للعلوم الفيزيائية ، مثل الكيمياء ، وميكانيكا المواد الصلبة ، وفيزياء الحالة الصلبة ، وعلم المواد. تُعتبر فيزياء المواد فرعًا من فيزياء المادة المكثفة ، وتُطبّق مفاهيم المادة المكثفة الأساسية على الأوساط المعقدة متعددة الأطوار، بما في ذلك المواد ذات الأهمية التكنولوجية. تشمل المجالات الحالية التي يعمل فيها فيزيائيو المواد: المواد الإلكترونية، والبصرية، والمغناطيسية، والمواد والهياكل الجديدة، والظواهر الكمومية في المواد، وفيزياء اللا توازن، وفيزياء المادة المكثفة اللينة. كما تُساهم الأدوات التجريبية والحسابية الجديدة باستمرار في تحسين كيفية نمذجة ودراسة أنظمة المواد، وهي أيضًا من المجالات التي يعمل فيها فيزيائيو المواد.

يُعدّ هذا المجال بطبيعته متعدد التخصصات ، ويتعين على علماء ومهندسي المواد الإلمام بأساليب الفيزيائيين والكيميائيين والمهندسين والاستفادة منها. في المقابل، يمكن لمجالات مثل علوم الحياة وعلم الآثار أن تُلهم تطوير مواد وعمليات جديدة، من خلال مناهج مستوحاة من علم الأحياء وعلم الآثار القديمة . ولذلك، تبقى هناك علاقات وثيقة مع هذه المجالات. في المقابل، يجد العديد من الفيزيائيين والكيميائيين والمهندسين أنفسهم يعملون في مجال علم المواد نظرًا للتداخلات الكبيرة بين هذه المجالات.

التقنيات الناشئة

التكنولوجيا الناشئةحالةالتقنيات التي قد يتم تهميشهاالتطبيقات المحتملةمقال ذو صلة
الأيروجيلافتراضي، تجارب، انتشار

الاستخدامات المبكرة

العزل التقليدي، الزجاجتحسين العزل، والزجاج العازل إذا أمكن جعله شفافًا، وأغلفة لخطوط أنابيب النفط، وتطبيقات الفضاء، والتطبيقات التي تتعرض لدرجات حرارة عالية وبرودة شديدة.
معدن غير متبلورالتجاربكيفلردرع
البوليمرات الموصلةالبحث والتجارب والنماذج الأوليةقادة الفرق الموسيقيةأسلاك أخف وزنًا وأرخص ثمنًا، ومواد مضادة للكهرباء الساكنة، وخلايا شمسية عضوية
تكنولوجيا الفيمتو ، تكنولوجيا البيكوافتراضيالوضع النووي الحاليمواد جديدة؛ أسلحة نووية، طاقة
الفوليرينالتجارب، الانتشارالماس الصناعي وأنابيب الكربون النانوية (ورق باكي)المادة القابلة للبرمجة
الجرافينافتراضي، تجارب، انتشار

الاستخدامات المبكرة [ 42 ] [ 43 ]

الدوائر المتكاملة القائمة على السيليكونمكونات ذات نسب قوة إلى وزن أعلى، وترانزستورات تعمل بتردد أعلى، وتكلفة أقل لشاشات العرض في الأجهزة المحمولة، وتخزين الهيدروجين للسيارات التي تعمل بخلايا الوقود، وأنظمة الترشيح، وبطاريات تدوم لفترة أطول وتشحن بشكل أسرع، وأجهزة استشعار لتشخيص الأمراض [ 44 ].التطبيقات المحتملة للجرافين
الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العاليةأنظمة مرشحات الترددات الراديوية والميكروويف لمحطات قاعدة الهاتف المحمول المبردة (CRFE) ؛ نماذج أولية في الثلج الجاف ؛ افتراضية وتجارب لدرجات حرارة أعلى [ 45 ]أسلاك نحاسية، دوائر متكاملة لأشباه الموصلاتموصلات بدون فقد، محامل عديمة الاحتكاك، الرفع المغناطيسي ، بطاريات عالية السعة بدون فقد ، سيارات كهربائية ، دوائر متكاملة ومعالجات خالية من الحرارة
ليتراكونالتجارب، التي سبق استخدامها لصنع بوابة أوروبازجاجبناء ناطحات سحاب وأبراج ومنحوتات مثل بوابة أوروبا
المواد الفائقةافتراضي، تجارب، انتشار [ 46 ]البصريات الكلاسيكيةالمجاهر ، الكاميرات ، التخفي باستخدام المواد الفائقة ، أجهزة التخفي
رغوة معدنيةالبحث والتسويقالهياكلمستعمرات فضائية ، مدن عائمة
الهياكل متعددة الوظائف [ 47 ]افتراضية، تجارب، بعض النماذج الأولية، عدد قليل من المنتجات التجاريةالمواد المركبةنطاق واسع، على سبيل المثال، مراقبة الصحة الذاتية، مواد ذاتية الإصلاح ، التحول
المواد النانوية : أنابيب الكربون النانويةافتراضي، تجارب، انتشار

الاستخدامات المبكرة [ 48 ] [ 49 ]

الفولاذ الإنشائي والألومنيوم​مواد أقوى وأخف وزناً، مصعد الفضاءالتطبيقات المحتملة لأنابيب الكربون النانوية وألياف الكربون
المادة القابلة للبرمجةافتراضية، تجارب [ 50 ] [ 51 ]الطلاءات ، المحفزاتنطاق واسع، على سبيل المثال، الإلكترونيات الطينية ، البيولوجيا التركيبية
النقاط الكموميةالبحث والتجارب والنماذج الأولية [ 52 ]شاشة LCD ، شاشة LEDليزر النقاط الكمومية ، الاستخدام المستقبلي كمادة قابلة للبرمجة في تقنيات العرض (التلفزيون، العرض الضوئي)، اتصالات البيانات البصرية (نقل البيانات عالي السرعة)، الطب (مشرط الليزر).
السيليسينافتراضي، بحثترانزستورات تأثير المجال

التخصصات الفرعية

تنبع الفروع الرئيسية لعلم المواد من الفئات الأربع الرئيسية للمواد: السيراميك والمعادن والبوليمرات والمواد المركبة.

وهناك أيضاً مساعٍ قابلة للتطبيق على نطاق واسع، ومستقلة عن المواد.

كما توجد أيضاً تركيزات واسعة نسبياً عبر المواد على ظواهر وتقنيات محددة.

الجمعيات المهنية

انظر أيضاً

مراجع

الاقتباسات

  1. ↑ كاليستر، ويليام (2018). علم وهندسة المواد: مقدمة (الطبعة العاشرة  ). هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي. الصفحات 3-5 . ISBN  9781119321590.
  2. ↑ إيدي، ماثيو دانيال (2008). لغة علم المعادن: جون ووكر، الكيمياء، وكلية الطب في إدنبرة 1750-1800 . دار نشر أشغيت . مؤرشف من الأصل بتاريخ 3 سبتمبر 2015 - عبر Academia.edu.
  3. ↑ سميث، سيريل ستانلي (1981). بحث عن البنية . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ISBN 978-0-262-19191-3.
  4. 1 2 ديفونسيكا، كريس (2020). حشوات البوليمر وعوامل التقوية: التطبيقات والبدائل غير التقليدية . برلين: Walter de Gruyter GmbH & Co KG. ص. 31. ردمك  978-3-11-066999-2.
  5. ↑ بسيلوس، ديميتريس؛ كاريوتوغلو، بيتروس (2015). التصميم التكراري لتسلسلات التعليم والتعلم: تقديم علم المواد في المدارس الأوروبية . دوردريخت: سبرينغر. ص 79. ISBN  978-94-007-7807-8.
  6. ↑ مارتن، جوزيف د. (2015). "ماذا يعني تغيير الاسم؟ فيزياء الحالة الصلبة، وفيزياء المادة المكثفة، وعلم المواد" (ملف PDF) . الفيزياء من منظور . 17 (1): 3-32 . Bibcode : 2015PhP....17....3M . doi : 10.1007/s00016-014-0151-7 . S2CID 117809375 . 
  7. 1 2 تشانيل، ديفيد ف. (2017). تاريخ العلوم التقنية: محو الحدود بين العلم والتكنولوجيا . أوكسون: روتليدج. ص 225. ISBN  978-1-351-97740-1.
  8. 1 2 كاليستر، ويليام د.، الابن. علم وهندسة المواد: مقدمة (الطبعة العاشرة ). وايلي. ISBN  9781119321590.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  9. ↑ "للمؤلفين: مواد الطبيعة" مؤرشف بتاريخ 1 أغسطس 2010 في أرشيف الإنترنت
  10. 1 2 كاليستر؛ ريثويش (2009). علم وهندسة المواد - مقدمة (الطبعة الثامنة ). جون وايلي وأولاده. الصفحات 5-12 .  
  11. ↑ غودينوف، جون ب.؛ كيم، يونغسيك (28 أغسطس/آب 2009). "تحديات بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن". كيمياء المواد . 22 (3): 587-603 . doi : 10.1021/cm901452z . ISSN 0897-4756 . 
  12. ↑ زاغورودني، أندريه أ. (2006). مواد التبادل الأيوني: الخصائص والتطبيقات . أمستردام: إلسيفير. ص. 11. ISBN  978-0-08-044552-6.
  13. ↑ أ. نافروتسكي (1998). "الطاقة والتصنيف الكيميائي البلوري بين هياكل الإلمنيت، ونيوبات الليثيوم، والبيروفسكايت". مجلة المواد الكيميائية 10 (10): 2787-2793 . Bibcode : 1998ChMat..10.2787N . doi : 10.1021/cm9801901 .
  14. ↑ كاليستر الابن، ريثويش. "علم وهندسة المواد - مقدمة" (الطبعة الثامنة). جون وايلي وأولاده، 2009
  15. ↑ كاليستر الابن، ريثويش. "علم وهندسة المواد - مقدمة" (الطبعة الثامنة). جون وايلي وأولاده، 2009
  16. ↑ كاليستر الابن، ريثويش. علم وهندسة المواد - مقدمة (الطبعة الثامنة).
  17. ↑ غافزوتي، أنجيلو (1994-10-01). "هل يمكن التنبؤ بالبنى البلورية؟". مجلة أبحاث الكيمياء . 27 (10): 309-314 . doi : 10.1021/ar00046a004 . ISSN 0001-4842 . 
  18. ↑ كريستينا بوزيا؛ إيفان باتشيكو وكيفن روبي (2007). "المواد النانوية والجسيمات النانوية: مصادرها وسميتها" . Biointerphases . 2 (4): MR17– MR71. arXiv : 0801.3280 . doi : 10.1116/1.2815690 . PMID 20419892. S2CID 35457219 .  {{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  19. ↑ فو، جينلونغ؛ تان، وي (2025). "إعادة بناء عشوائية للهياكل المجهرية المركبة متعددة الأطوار باستخدام شبكة عصبية مشفرة إحصائيًا لنمذجة المسام/الميكانيكا الدقيقة" . أساليب الحاسوب في الميكانيكا التطبيقية والهندسة . 441 117986. arXiv : 2501.07083 . Bibcode : 2025CMAME.44117986F . doi : 10.1016/j.cma.2025.117986 .
  20. ↑ فيليب، ر؛ كوبياك، ك؛ زياجا، و؛ سينيافسكي، ج (2003). "تأثير البنية المجهرية على الخواص الميكانيكية لسبائك التيتانيوم ثنائية الطور". مجلة تكنولوجيا معالجة المواد . 133 ( 1-2 ): 84-89 . doi : 10.1016/s0924-0136(02)00248-0 . ISSN 0924-0136 . 
  21. ↑ فو، جينلونغ؛ وانغ، مين؛ شياو، دونهوي؛ تشونغ، شان؛ غي، شيانغيون؛ وو، مينغلو (2023). "إعادة بناء هرمية للوسائط المسامية ثلاثية الأبعاد جيدة الاتصال من نماذج ثنائية الأبعاد باستخدام شبكة عصبية مدعومة بالإحصاءات". أساليب الحاسوب في الميكانيكا التطبيقية والهندسة . 410 116049. Bibcode : 2023CMAME.41016049F . doi : 10.1016/j.cma.2023.116049 . OSTI 1974987 . 
  22. ↑ "عيوب ونقص البنية البلورية"، العيوب البلورية: مواضيع رئيسية في علوم وهندسة المواد ، ASM International، 2021-10-01، ص 1-12 ، doi : 10.31399/asm.tb.ciktmse.t56020001 ، ISBN  978-1-62708-389-8، S2CID 244023491 
  23. ^ مباياشي، فيستينس ب. ندايراجيجي، إيفريم؛ سماني، ثيراسارا؛ تاج، سنينة؛ مبوتا، إليس ر.؛ خان، عطا الله (2021). "توليف الجرافين وتوصيفه وتطبيقاته: مراجعة" . النتائج في الكيمياء . 3 100163. دوى : 10.1016/j.rechem.2021.100163 .
  24. ↑ ليو، زي-كوي (2020). "الديناميكا الحرارية الحاسوبية وتطبيقاتها" . أكتا ماتيريليا . 200 : 745-792 . Bibcode : 2020AcMat.200..745L . doi : 10.1016/j.actamat.2020.08.008 . ISSN 1359-6454 . S2CID 225430517 .  
  25. ^ كارجر ، يورج. روثفن، دوغلاس م. ثيودورو، دوروس ن. (25/04/2012). الانتشار في المواد النانوية . وايلي. دوى : 10.1002/9783527651276 . رقم ISBN 978-3-527-31024-1.
  26. ↑ "تطور بيانات Open Alex" . Observable . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أبريل 2026 .
  27. ↑ "لماذا نما مؤشر الطبيعة بنسبة 16% في عام 2024؟" . مؤشر الطبيعة . 7 يوليو 2025. تم الاطلاع عليه في 13 أبريل 2026 .
  28. ↑ مورهاردت، دنكان ر.؛ ماوني، جوشوا ر.؛ إسترادا، كارلوس ر. (2019-01-01)، "دور المواد الحيوية في الجراحة" ، في ريس، روي ل. (محرر)، موسوعة هندسة الأنسجة والطب التجديدي ، أكسفورد: أكاديميك برس، ص 315-330 ، doi : 10.1016/b978-0-12-801238-3.65845-2 ، ISBN  978-0-12-813700-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 أبريل 2024
  29. ↑ شيلبي، ر. أ.؛ سميث، د. ر.؛ شولتز، س.؛ نعمت ناصر، س. س. (2001). "انتقال الموجات الميكروية عبر مادة فائقة ثنائية الأبعاد، متجانسة الخواص، ذات معامل انكسار يساري" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء التطبيقية . 78 (4): 489. رمز Bibcode : 2001ApPhL..78..489S . doi : 10.1063/1.1343489 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 18 يونيو 2010.
  30. ↑ سميث، د. ر.؛ باديلا، و. ج.؛ فير، د. س.؛ نعمت ناصر، س. س.؛ شولتز، س. (2000). "وسط مركب ذو نفاذية ونفاذية سالبتين في آن واحد" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 84 (18): 4184-4187 . رمز Bibcode : 2000PhRvL..84.4184S . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.4184 . PMID 10990641 . 
  31. ↑ شميدت، جوناثان؛ ماركيز، ماريو آر جي؛ بوتي، سيلفانا؛ ماركيز، ميغيل إيه إل (2019-08-08). "التطورات والتطبيقات الحديثة للتعلم الآلي في علم المواد الصلبة" . مجلة npj للمواد الحاسوبية . 5 (1): 83. Bibcode : 2019npjCM...5...83S . doi : 10.1038/s41524-019-0221-0 . ISSN 2057-3960 . S2CID 199492241 .  
  32. ↑ كاليستر، ويليام د.؛ ريثويش، ديفيد ج. (2018). علم وهندسة المواد: مقدمة ( الطبعة العاشرة). هوبوكين، نيوجيرسي: جون وايلي وأولاده. ص 12. ISBN   978-0-470-41997-7.
  33. ↑ فابر، ك. ت.؛ إيفانز، أ. ج. (1983-04-01). "عمليات انحراف الشقوق - الجزء الأول: النظرية". مجلة أكتا ميتالورجيكا . 31 (4): 565-576 . رمز Bibcode : 1983AcMet..31..565F . doi : 10.1016/0001-6160(83)90046-9 . ISSN 0001-6160 . 
  34. ↑ فابر، ك. ت.؛ إيفانز، أ. ج. (1983-04-01). "عمليات انحراف الشقوق - الجزء الثاني: التجربة". مجلة أكتا ميتالورجيكا . 31 (4): 577-584 . رمز Bibcode : 1983AcMet..31..577F . doi : 10.1016/0001-6160(83)90047-0 . ISSN 0001-6160 . 
  35. ^ جرين، د. (2005). "فوائد IPV6 للمقاتلين" . MILCOM 2005 – 2005 مؤتمر IEEE للاتصالات العسكرية . IEEE. الصفحات من 1 إلى 6. دوى : 10.1109/milcom.2005.1606007 . رقم ISBN  0-7803-9393-7. S2CID 31152759 . 
  36. ↑ "شرح: ما هي البوليمرات؟" . 2017-10-13 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2024-05-02 .
  37. ↑ برنارد، ل.؛ كويف، ر.؛ بريس، س.؛ ديكودان، ب.؛ سوتو، ف. (15 مايو 2015). "قابلية انتقال مُلدِّنات البولي فينيل كلوريد من الأجهزة الطبية إلى مُحاكي للمحاليل المُحقونة" . المجلة الدولية للصيدلة . 485 (1): 341-347 . Bibcode : 2015IJPha.485..341B . doi : 10.1016/j.ijpharm.2015.03.030 . ISSN 0378-5173 . PMID 25796128 .  
  38. ↑ لوهاوس، إس إتش؛ هاين، إم؛ غوزمان، بي؛ برنال-شوبان، سي إم؛ سوندرز، سي إن؛ شين، جي؛ هيلمان، أو؛ برودو، دي؛ فولتز، بي. (27-07-2023). "تفسير ديناميكي حراري لتأثير إنفار" . مجلة نيتشر فيزيكس . 19 (11): 1642-1648 . رمز Bibcode : 2023NatPh..19.1642L . doi : 10.1038/ s41567-023-02142 -z . ISSN 1745-2481 . OSTI 1993279. S2CID 260266502 .   
  39. ↑ تشين، شيان هوا؛ ليو، ليزي؛ ليو، جوان؛ بان، فو شنغ (2015). "البنية المجهرية، وفعالية الحماية الكهرومغناطيسية، والخواص الميكانيكية لسبائك المغنيسيوم-الزنك-الإيتريوم-الزركونيوم". المواد والتصميم . 65 : 360-369 . doi : 10.1016/j.matdes.2014.09.034 . ISSN 0261-3069 . 
  40. ↑ "حجم سوق أشباه الموصلات وحصته وتحليل تأثير جائحة كوفيد-19، حسب المكون (أجهزة الذاكرة، وأجهزة المنطق، والدوائر المتكاملة التناظرية، ووحدات المعالجة الدقيقة، وأجهزة الطاقة المنفصلة، ​​ووحدات التحكم الدقيقة، وأجهزة الاستشعار، وغيرها)، وحسب التطبيق (الشبكات والاتصالات، ومعالجة البيانات، والصناعة، والإلكترونيات الاستهلاكية، والسيارات، والحكومة)، والتوقعات الإقليمية، 2022-2029" . فورتشن بزنس إنسايتس . 16 يوليو 2023. مؤرشف من الأصل في 11 يونيو 2023. تم الاطلاع عليه في 16 يوليو 2023 .
  41. ↑ "وظائف في صناعة أشباه الموصلات" . 2013-09-06. مؤرشف من الأصل في 2016-06-04 . تم الاطلاع عليه في 2016-05-15 .
  42. ↑ "هل الجرافين مادة معجزة؟" . بي بي سي كليك. 21 مايو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 نوفمبر 2011 .
  43. ↑ "هل يمكن أن يكون الجرافين هو السيليكون الجديد؟" . صحيفة الغارديان . ١٣ نوفمبر ٢٠١١. مؤرشف من الأصل في ٢ سبتمبر ٢٠١٣. تم الاطلاع عليه في ١٨ نوفمبر ٢٠١١ .
  44. ↑ "تطبيقات الجرافين قيد التطوير" . understandingnano.com. مؤرشف من الأصل بتاريخ 21-09-2014.
  45. ↑ "العصر الجديد للمواد الفائقة" . بي بي سي نيوز . 5 مارس 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 أبريل 2011 .
  46. ↑ "خطوات متقدمة في مجال المواد، ولكن لا وجود لعباءة الإخفاء" . صحيفة نيويورك تايمز . 8 نوفمبر 2010. مؤرشف من الأصل في 1 يوليو 2017. تم الاطلاع عليه في 21 أبريل 2011 .
  47. ↑ موقع الأكاديمية الوطنية للهندسة: آفاق الهندسة. مؤرشف بتاريخ 28 يوليو 2014 في أرشيف الإنترنت . Nae.edu. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 فبراير 2011.
  48. ↑ "استخدام أنابيب الكربون النانوية في صناعة البطاريات من الأقمشة" . بي بي سي نيوز . 21 يناير 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 أبريل 2011 .
  49. ↑ "باحثون يقتربون خطوة أخرى من بناء دماغ اصطناعي" . ديلي تك. 25 أبريل 2011. مؤرشف من الأصل في 29 أبريل 2011. تم الاطلاع عليه في 27 أبريل 2011 .
  50. ↑ «البنتاغون يطور روبوتات متغيرة الشكل للعبة باتلفيلد» . فوكس نيوز. ١٠ يونيو ٢٠٠٩. مؤرشف من الأصل في ٥ فبراير ٢٠١١. تم الاطلاع عليه في ٢٦ أبريل ٢٠١١ .
  51. ↑ "إنتل: المادة القابلة للبرمجة تتخذ شكلاً" . زد نت. 22 أغسطس 2008. تم الاطلاع عليه في 2 يناير 2012 .{{cite news}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  52. ↑ ""النقاط الكمومية" لتعزيز أداء كاميرات الهواتف المحمولة . بي بي سي نيوز . 22 مارس 2010. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 أبريل 2011 .

[ 1 ]

فهرس

  • أشبي، مايكل؛ هيو شيركليف؛ ديفيد سيبون (2007). المواد: الهندسة، والعلوم، والمعالجة، والتصميم (الطبعة الأولى  ). باتروورث-هاينمان. ISBN 978-0-7506-8391-3.
  • أسكلاند، دونالد ر.؛ براديب ب. فوليه (2005). علم وهندسة المواد (  الطبعة الخامسة). تومسون للهندسة. ISBN 978-0-534-55396-8.
  • كاليستر الابن، ويليام د. (2000). علم وهندسة المواد - مقدمة (  الطبعة الخامسة). جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-32013-5.
  • إيبرهارت، مارك (2003). لماذا تنكسر الأشياء: فهم العالم من خلال طريقة تفككه . هارموني. ISBN 978-1-4000-4760-4.
  • جاسكل، ديفيد ر. (1995). مقدمة في الديناميكا الحرارية للمواد (  الطبعة الرابعة). دار نشر تايلور وفرانسيس. رقم ISBN 978-1-56032-992-3.
  • غونزاليس فينياس، دبليو ومانسيني، HL (2004). مقدمة لعلم المواد . مطبعة جامعة برينستون. رقم ISBN 978-0-691-07097-1.
  • غوردون، جيمس إدوارد (1984). العلم الجديد للمواد القوية أو لماذا لا تسقط عبر الأرضية (طبعة إلكترونية  ). مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-02380-9.
  • ماثيوز، إف إل وراولينغز، آر دي (1999). المواد المركبة: الهندسة والعلوم . بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-0621-1.
  • لويس، بي آر؛ رينولدز، ك. وجاج، سي. (2003). هندسة المواد الجنائية: دراسات حالة . بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-1182-6.
  • واشتمان، جون ب. (1996). الخواص الميكانيكية للسيراميك . نيويورك: وايلي-إنترساينس، جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-13316-2.
  • ووكر، ب.، محرر. (1993). قاموس تشامبرز لعلوم وتكنولوجيا المواد . دار نشر تشامبرز. رقم ISBN 978-0-550-13249-9.
  • ماهاجان، س. (2015). "دور علم المواد في تطور الإلكترونيات الدقيقة" . نشرة جمعية أبحاث المواد . 12 (40): 1079-1088 . رمز Bibcode : 2015MRSBu..40.1079M . doi : 10.1557/mrs.2015.276 .

للمزيد من القراءة

  • الجدول الزمني لعلم المواد، مؤرشف بتاريخ 27 يوليو 2011 في موقع Wayback Machine التابع لجمعية المعادن والمواد (TMS) - تم الاطلاع عليه في مارس 2007 
  • بيرنز، جي؛ جليزر، إيه إم (1990). المجموعات الفضائية للعلماء والمهندسين (  الطبعة الثانية). بوسطن: أكاديميك برس، إنك. ISBN 978-0-12-145761-7.
  • كوليتي، ب. د. (1978). عناصر حيود الأشعة السينية (  الطبعة الثانية). ريدينغ، ماساتشوستس: شركة أديسون-ويسلي للنشر. رقم ISBN 978-0-534-55396-8.
  • جياكوفازو، سي. موناكو إتش إل . فيتربو د . سكورداري ف . جيلي جي . زانوتي جي . كاتي م (1992). أساسيات علم البلورات . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد . رقم ISBN 978-0-19-855578-0.
  • غرين، دي جيه؛ هانينك، آر؛ سوين، إم في (1989). تقوية السيراميك بالتحول . بوكا راتون: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-6594-2.
  • لوفيسي، إس دبليو (1984). نظرية تشتت النيوترونات من المادة المكثفة؛ المجلد 1: تشتت النيوترونات . أكسفورد: مطبعة كلارندون. ISBN 978-0-19-852015-3.
  • لوفيسي، إس دبليو (1984). نظرية تشتت النيوترونات من المادة المكثفة؛ المجلد 2: المادة المكثفة . أكسفورد: مطبعة كلارندون. ISBN 978-0-19-852017-7.
  • أوكيفي، م. هايد، بي جي (1996). “الهياكل البلورية؛ I. الأنماط والتماثل”. Zeitschrift für Kristallographie – المواد البلورية . 212 (12). واشنطن العاصمة: جمعية المعادن الأمريكية، سلسلة الدراسات: 899. بيب كود : 1997ZK....212..899K . دوى : 10.1524/zkri.1997.212.12.899 . رقم ISBN 978-0-939950-40-9.
  • سكوايرز، جي إل (1996). مقدمة في نظرية تشتت النيوترونات الحرارية (  الطبعة الثانية). مينولا، نيويورك: منشورات دوفر. رقم ISBN 978-0-486-69447-4.
  • يونغ، ر. أ.، محرر. (1993). طريقة ريتفيلد . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد والاتحاد الدولي لعلم البلورات. ISBN 978-0-19-855577-3.
  1. ↑:3خطأ في الاستشهاد: تم استدعاء المرجع المسمى ولكن لم يتم تعريفه مطلقًا (انظر صفحة المساعدة ).