Čvrsto stanje

Mehanika kontinuuma
|
Zakoni Zakon održanja mase Zakon održanja količine kretanja Zakon održanja energije Nejednakost entropije
Mehanika čvrstih tijela Čvrsta tijela · Napon · Deformacija · Teorija konačnih deformacija · Teorija infinitezimalnih napreazanja · Elastičnost (linearna) · Plastičnost · Savijanje · Hookeov zakon · Teorija o otkazu materijala · Mehanika loma · Mehanika kontakta (frikciona)
Mehanika fluida Fluidi · Statika fluida Dinamika fluida · Arhimedov zakon · Bernoullijeva jednačina · Navier–Stokesove jednačine · Hagen–Poiseuilleova jednačina · Pascalov zakon · Viskoznost (Njutnovski fluid · Nenjutnovski fluid) · Potisak · Pritisak
Naučnici Bernoulli · Boyle· Cauchy · Charles · Euler · Gay-Lussac · Hooke · Newton · Pascal · Navier · Stokes
p r u

Čvrsto ili kruto stanje je jedno od četiri osnovna stanja materije (ostale su tečnost, plin i plazma). Molekule u krutini su usko spakovane i sadrže najmanje kinetičke energije. Čvrst materijal karakterizira strukturna krutost i otpornost na silu, koja djeluje na površini. Za razliku od tečnosti, čvrsti predmet ne predstavlja oblik koji ima svoj sadržaj, niti se širi ispunjavavajuči čitav raspoloživi volumen poput plina.

Čvrsta tvar predstavlja jedno od tri agregatna stanja tvari, kada je tvar u čvrstom agregatnom stanju, a prepoznatljivo je po svojstvima opiranja promjenama oblika i zapremine. Najviši oblik organizacije tvari zastupljen je u čvrstom agregatnom stanju. Mnoge tvari u prirodi se nalaze upravo u ovakvom obliku organizacije. Uređenost strukturnih jedinica (atomi, molekule, ioni) u čvrstoj supstanci je znatno veća nego u tečnostima. Promjena položaja strukturnih jedinica nije moguća i one miruju, ako se zanemare oscilacije ovih strukturnih jedinica oko ravnotežnog položaja. Zbog toga čvrste supstance imaju svoj vlastiti volumen i vlastiti oblik. Ukoliko su strukturne jedinice u čvrstoj supstanci pravilno raspoređene u bilo kojem dijelu ili pravcu u supstanci, onda su te supstance kristali.Ukoliko je razmještaj strukturnih jedinica promjenjiv i različit u različitim dijelovima supstance, onda su to amorfne supstance. Amorfno stanje je slično tečnom agregatnom stanju i izgleda kao nagla zaleđenost strukturnih jedinica u tečnom stanju i sva neuređenost, karakteristična za tečnosti, ostala je fiksirana. Zbog toga se amorfno stanje može i zove pothlađena tečnost. Podizanjem temperature, neuređenost se postepeno povećava, približava tečnom stanju i to se manifestira kao omekšavanje. Zbog toga amorfne supstance nemaju fiksnu temperaturu topljenja, nego temperaturni interval omekšavanja. Staklo je najuobičajeni oblik amorfnog stanja.

Atomi u čvrstoj potpornoj međusobnoj vezi, su u pravilnoj geometrijskoj rešetki ( kristalne čvrste materije, koje uključuju metale i obične ledove]]), ili nepravilno ( amorfne krutine, poput uobičajenog prozorskog stakla). Čvrste tvari se ne mogu komprimirati malim pritiskom, dok se plinovi komprimiraju i malim, jer su molekule u plinu labavo upakirane.

Oblast fizike koja se bavi čvrstim tvarima naziva se fizika čvrstog stanja i glavna je grana fizike kondenzirane materije (koja također uključuje i tekućine). Nauka o materijalima prvenstveno se bavi fizičkim i hemijskim svojstvima čvrstih supstanci. Hemija čvrstih stanja posebno se bavi sintezom novih materijala, kao i nauka o identifikaciji i hemijskog sastava.

Atomi, molekuli ili ioni koji čine čvrste materije mogu biti poredani u redoslijedu koji se ponavlja ili nepravilno. Materijali čiji su sastojci raspoređeni u pravilnom uzorku poznati su pod nazivom kristali. U nekim slučajevima, redovno poredak može se nastaviti neprekinuto u velikim razmjerima, a primjer su dijamanti, gdje je svaki monokristal. Čvrsti predmeti koji su dovoljno veliki da se vide i njima se rukuje, rijetko se sastoje od jednog kristala, već su umjesto toga izrađeni od velikog broja monokristala, poznatih kao kristaliti, čija veličina može varirati od nekoliko nanometara do nekoliko metara . Takvi materijali nazivaju se polikristalna linija. Gotovo svi uobičajeni metali, a i mnogi keramički, su polikristalni.

Shematski prikaz slučajnog mrežnog staklastog oblika (lijevo) i poredane kristalne rešetke (desno) identičnog hemijskog sastava

U ostalim materijalima ne postoji dugoročni raspored u položaju atoma. Te čvrste materije su poznate kao amorfne čvrste materije ; primjeri uključuju polistiren i staklo.

Da li je čvrsta supstanca kristalna ili amorfna, ovisi o uključenom materijalu i uvjetima u kojima je nastala. Čvrste tvari koje nastaju polaganim hlađenjem obično će biti kristalne, dok će one koje se brzo smrznu vjerovatnije biti amorfne. Isto tako, specifična kristalna struktura, koju usvoji kristalna čvrsta supstanca, ovisi o uključenom materijalu i o tome kako je nastala.

Iako su mnogi uobičajeni predmeti, poput kockice leda ili novčića, hemijski identični, mnogi drugi uobičajeni materijali sadrže brojne različite supstance spakovane zajedno. Naprimjer, tipska stijena je agregat nekoliko različitih minerala i mineraloid, bez specifičnog hemijskog sastava. Drvo je prirodni organski materijal, koji se sastoji uglavnom od celuloznih vlakana ugrađenih u matricu organskog lignina. U nauci o materijalima, kompoziti više od jednog sastavnog materijala mogu se dizajnirati tako da ima željena svojstva.

Sile između atoma u čvrstom tijelu mogu imati različite oblike. Naprimjer, kristal natrij-hlorida (uobičajena sol) sastoji se od iona leda natrija i hlor, koji se zajedno drže ionskom vezom.^[1] U dijamantu^[2] ili silicijum, atomi dijele elektrone i formiraju kovalentne veze,^[3] U metalima elektroni dijele metalno vezanje.^[4] Neke čvrste materije, posebno većina organskih spojeva, drže se zajedno van der Waalsovom silom rezultatirajući polarizacije elektronskog oblaka naboja na svakoj molekuli. Razlike između vrsta čvrstog materijala proizlaze iz razlika između njihovog vezanja.

Metali su obično jaki, gusti i dobri provodnici sa električnom energijom i toplotom.^[5][6]

Glavninu elemenata u periodnom sistemu, onima lijevo od dijagonalne linije povučene od borta do polonija, čine metali. Mješavine dva ili više elemenata u kojima je glavni sastojak metal, poznate su pod nazivom legura.

Ljudi su koristili metale u razne svrhe još od prapovijesti. čvrstoća i pouzdanost metala doveli su do njihove široke upotrebe u gradnji zgrada i drugih objekata, kao i u većini vozila, mnogih uređaja i alata, cijevi , putokaza i željezničkih pruga. Gvožđe i aluminij su dva najčešće korištena strukturna metala. Oni su ujedno i najzastupljeniji metali u Zemljinoj kori. Gvožđe se najčešće koristi u obliku legure, čelika koji sadrži do 2,1% ugljika, što ga čini mnogo tvrđim od čistog gvožđaa.

Budući da su metali dobri provodnici električne energije, dragocjeni su u električnim uređajima i za prenošenje električne struje na velike udaljenosti, s malim gubicima ili rasipanjem energije. Stoga se, za distribuciju električne energije, električne mreže oslanjaju na metalne kablove. Kućni električni sistemi su, naprimjer, ožičeni bakrom zbog dobrih provodnih svojstava i jednostavne obradivosti. Visoka toplotna provodljivost većine metala čini ih korisnim i za posuđe za kuhanje na šporetima

Proučavanje metalnih elemenata i njihovih legura čini značajan dio polja hemije čvrstog stanja, fizike, nauke o materijalima i inženjerstva.

Metalne čvrste supstance drže zajedno gustoća zajedničkih, delokalizovanih elektrona, poznatih kao "mwtalno vezanje". U metalu, atomi lahko izgube svoje najudaljenije ("valencija") elektrone, stvarajući pozitivne ione. Slobodni elektroni se šire po čitavoj čvrstoj materiji, koja se čvrsto drži zajedno, elektrostatskim interakcijama između iona i elektronskog oblaka.^[7] Veliki broj slobodnih elektrona daje metalima njihove visoke vrijednosti električne i toplotne provodljivosti. Slobodni elektroni takođe sprečavaju prijenos vidljive svetlosti, čineći metale neprozirnim, blistavim i sjajnim.

Napredniji modeli svojstava metala razmatraju učinak jezgara pozitivnih iona na delokalizirane elektrone. Kako većina metala ima kristalnu strukturu, ti ioni obično su raspoređeni u periodičnu rešetku. Matematički, potencijal ionskih jezgara može se tretirati različitim modelima, a najjednostavniji je model gotovo slobodnih elektrona.

Minerali su čvrste supstance prirodnog porijekla, nastale u različitim geološkim procesima^[8] pod visokim pritiskom. Da bi se tvar mogla klasificirati kao pravi mineral, treba imati kristalnu strukturu, s jednakim fizičkim svojstvima. Sastav minerala varira od čistih elemenata i jednostavnih soli do vrlo složenih silikata, sa hiljadama poznatih oblika. Suprotno tome, uzorak stijena slučajni je agregat minerala i / ili mineraloida i nema specifičan hemijski sastav. Velika većina stijena Zemljine kore sastoji se od kvarca (kristalni SiO₂), glinenca, tinjca, hlorit, kaolin, kalcita , epidot, olivin, augit, škriljaca, magnetita, hematita, limonita i nekoliko drugih minerala. Neki minerali, poput kvarca liskuna ili glinenaca su uobičajeni, dok su drugi pronađeni na samo nekoliko lokacija širom svijeta. Daleko najveća grupa minerala su silikati (većina stijena su ≥95% silikatne), koji se uglavnom sastoje od silicija i kisika, uz dodatak iona aluminija, magnezija, gvožđa, kalcija i drugih metala.

Keramičke čvrste supstance sastoje se od anorganskih spojeva, obično oksida hemijskih elemenata.^[9] Hemijski su inertni i često su sposobni izdržati hemijsku eroziju koja se javlja u kiselom ili kaustičnom okruženju. Keramika uglavnom može podnijeti visoke temperature, u rasponu od 1000 do 1600 °C (1800 do 3000 °F). Izuzeci uključuju neoksidne anorganske materijale, kao što su nitridi, boridi i karbidi.

Tradicijske keramičke sirovine uključuju minerale gline kao što je kaolinit, novije materije uključuju aluminij-oksid (glinica). Moderni keramički materijali, koji su klasificirani kao napredna keramika, uključuju silicij-karbid i volfram-karbid. Oba su cijenjeni zbog otpornosti na habanje i stoga pronalaze upotrebu u takvoj primjeni kao što su habajuće ploče oprema za drobljenje u rudarskim operacijama.

Većina keramičkih materijala, poput glinice i njenih spojeva, su oblikovani od finih prahova, čime se dobiva fino zrnasta polikristalna mikrostruktura, ispunjena centrima rasipanja svjetlosti, uporedivim sa talasnom dužinom vidljive svjetlosti. Dakle, to su uglavnom neprozirni materijali, za razliku od prozirnih. Međutim, nedavna tehnologija nanorazmjera (npr. sol-gel) omogućila je proizvodnju polikristalnih prozirnih keramika, poput prozirne glinice i spojeva glinice za takvu primjenu kao što su laseri velike snage. Napredna keramika se također koristi i u medicini, električnoj i elektroničkoj industriji.

Keramičko inženjerstvo je nauka i tehnologija stvaranja čvrstih keramičkih materijala, dijelova i uređaja. To se postiže dejstvom toplote ili, pri nižim temperaturama, upotrebom reakcije taloženja iz hemijskih rastvora. Pojam uključuje pročišćavanje sirovina, proučavanje i proizvodnju dotičnih hemijskih spojeva, njihovo formiranje u komponente i proučavanje njihove strukture, sastava i svojstava.

Mehanički gledano, keramički materijali su lomljivi, tvrdi, jaki na kompresiju i slabi na smicanje i zatezanje. Krhki materijali mogu pokazivati značajnu vlačnu čvrstoću podržavajući statičko opterećenje. Žilavost pokazuje koliko energije materijal može apsorbirati prije mehaničkog otkaza, dok žilavost loma (označava se sa K_Ic) opisuje sposobnost materijala sa svojstvenim mikrostrukturnim nedostacima da se odupre pucanju rastom i širenjem pukotina. Ako materijal ima veliku vrijednost žilavosti loma, osnovni principi mehanike loma sugeriraju da će najvjerovatnije doživjeti duktilni lom. Krhki lom je vrlo karakterističan za većinu keramičkog i staklokeramičkog materijala, koji obično pokazuju niske (i nedosljedne) vrijednosti K_Ic.

Kao primjer primjene keramike, koristi se ekstremna tvrdoća cirkonij u proizvodnji noževih oštrica, kao i ostalih industrijskih alata za rezanje. Keramika poput glinice, bor-karbida i silicij-karbida korišćena je u pancirima za odbijanje vatre pušaka velikog kalibra. Dijelovi silicij-nitrida koriste se u keramičkim kugličnim ležajevima, gdje ih velika tvrdoća čini otpornim na habanje. Općenito, keramika je također kemijski otporna i može se koristiti u mokrim okruženjima gdje bi čelični ležajevi bili osjetljivi na oksidaciju (ili hrđu).

Kao još jedan primjer primjene keramike, ranih 1980-ih, Toyota je istraživala proizvodnju adijabatskog keramičkog motora sa radnom temperaturom od preko 6000 °F (3300 °C). Keramičkim motorima nije potreban sistem za hlađenje i stoga omogućavaju veliko smanjenje težine, a time i veću efikasnost goriva. U konvencijskom metalnom motoru, većina energije koja se oslobađa iz goriva mora se rasipati kao otpadna toplota, kako bi se spriječilo topljenje metalnih dijelova. Također se radi na razvoju keramičkih dijelova za plinsku turbinu motora. Turbinski motori izrađeni od keramike mogli bi raditi efikasnije, pružajući zrakoplovima veći domet i korisni teret za zadanu količinu goriva. Takvi motori se međutim ne proizvode, jer je izrada keramičkih dijelova s dovoljnom preciznošću i trajnošću teška i skupa. Metode obrade često rezultiraju širokom distribucijom mikroskopskih nedostataka koji često imaju štetnu ulogu u procesu sinterovanja, što rezultira širenjem pukotina i krajnjim mehaničkim otkazivanjem.

Staklokeramički materijali dijele mnoga svojstva i s nekristalnim čašama i sa kristalnim keramikom. Nastaju u obliku stakla, a zatim se delimično kristaliziraju toplotnom obradom, proizvodeći i amorfnu i kristalnu fazu, tako da kristalna zrna budu ugrađena u nekristalnu intergranularnu fazu.

Staklokeramika se koristi za izradu posuđa (izvorno poznato pod imenom brenda CorningWare) i štednjaka koji imaju visoku otpornost na termički udar i izuzetno nisku propusnost za tečnosti . Negativni koeficijent toplotnog širenja kristalne keramičke faze može se uravnotežiti pozitivnim koeficijentom staklaste faze. U određenom stanju (~ 70% kristalnosti) staklokeramika ima neto koeficijent toplotnog širenja blizu nule. Ova vrsta staklokeramike pokazuje izvrsna mehanička svojstva i može održavati ponovljene i brze promjene temperature do 1000 °C.

Staklokeramika se takođe može prirodno pojaviti kada munja udari u kristalna (npr. kvarcna) zrna koja se nalaze u pijesku na većini plaža. U ovom slučaju, ekstremna i neposredna vrućina groma (~2500 °C), putem fuzija, stvara šuplje, razgranate korijenske strukture nazvane fulguriti.

Organska hemija proučava strukturu, svojstva, sastav, reakcije i pripremu sintezom (ili drugim sredstvima) hemijskih spojeva ugljika i vodika, koji mogu sadržavati bilo koji broj drugih elemenata kao što su dušik, kisik i halogeni: fluor, hlor, brom i jod. Neki organski spojevi mogu također sadržavati elementarni fosfor ili sumpor. Primjeri organskih čvrstih tvari uključuju drvo, parafinski vosak, naftalen i širok spektar polimera i plastike.

Drvo je prirodni organski materijal, koji se sastoji uglavnom od celuloznih vlakana ugrađenih u matricu od lignina. Što se tiče mehaničkih svojstava, vlakna su jaka u napetosti, a ligninska matrica se odupire kompresiji. Stoga je drvo važan građevinski materijal otkad su ljudi počeli graditi skloništa i koristiti čamce. Drvo koje se koristi za građevinske radove poznato je kao drvna građa ili drvena građa . U građevinarstvu, drvo nije samo konstruktivni materijal, već se koristi i za oblikovanje kalupa za beton (poznato kao šalovanje).

Materijali na bazi drveta također se široko koriste za pakiranje npr. kartona i papira, koji su stvoreni od rafinirane pulpe. Procesi hemijske pulpe koriste kombinaciju visokotemperaturnih i alkalnih (jakih) ili kiselih (sulfitnih) hemikalija za razbijanje hemijskih veza lignina, prije nego što ga sagore.

Jedno važno svojstvo ugljika u organskoj hemiji je da može stvoriti određene spojeve, čije su pojedinačne molekula sposobne da se međusobno, stvarajući tako lanac ili mrežu. Proces se naziva polimerizacija, a lanci ili mreže polimeri, dok je izvorni spoj monomer. Postoje dvije glavne skupine polimera: vještački proizvedeni nazivaju se industrijskim polimerima ili sintetskim polimerima (plastika) i oni koji se prirodno pojavljuju kao biopolimeri.

Monomeri mogu imati različite hemijske supstituente ili funkcijske grupe, koji mogu uticati na hemijska svojstva organskih spojeva, kao što su topivost i hemijska reaktivnost, kao i na fizička svojstva, kao što su tvrdoća, gustoća, mehanička ili vlačna čvrstoća, otpornost na habanje, toplotna otpornost, prozirnost, boja itd. U proteinima, ove razlike daju polimeru sposobnost da poprimi biološki aktivnu konformaciju u odnosu na druge (vidi samosastavljanje).

Ljudi stoljećima koriste prirodne organske polimere u obliku voska i šelaka, koji je klasificiran kao termoplastični polimer. Biljni polimer nazvan celuloza pružao je vlačnu čvrstoću prirodnim vlaknima i užadima, a početkom 19. stoljeća prirodni kaučuk je bio u širokoj upotrebi. Polimeri su sirovine (smole) od kojih se izrađuje ono što se obično naziva plastikom. Plastika je konačni proizvod koji nastaje nakon dodavanja jednog ili više polimera ili aditiva u smolu tokom obrade koja se zatim oblikuje u konačni oblik. Polimeri koji su postojali i koji su trenutno široko rasprostranjeni uključuju polietilen, polipropilen, polivinil hlorid, polistiren, najloni, poliester na bazi ugljenika s, akril, poliuretan i polikarbonat s i silikon na bazi silicija. Plastika se obično klasificira kao "roba", "specijalnost" i "inženjerska" plastika.

Kompozitni materijali sadrže dvije ili više makroskopskih faza, od kojih je jedna često keramička. Naprimjer, kontinuirana matrica i dispergirana faza keramičkih čestica ili vlakana.

Primjena kompozitnih materijala kreće se od strukturnih elemenata, kao što je armirani beton, do toplinski izolacijskih pločica koje igraju ključnu i integralnu ulogu u NASA-inom sistem toplotne zaštite Space Shuttlea, koji se koristi za zaštitu površine šatla od vrućina ponovnog ulaska u Zemljinu atmosferu. Jedan od primjera je ojačani ugljik-ugljik (RCC), svijetlosivi materijal koji podnosi temperature ulaska do 1510 °C (2750 °F) i štiti kapicu nosa i prednje ivice krila Space Shuttle-a. RCC je laminirani kompozitni materijal izrađen od grafitnog rajona tkanine i impregniran fenolnom smolom. Nakon stvrdnjavanja na visokoj temperaturi u autoklavu, laminat se pirolizira da bi se smola pretvorila u ugljik, impregnira se furfuralnim alkoholom u vakuumskoj komori i stvrdne/pirolizira, da se furfuralni alkohol pretvori u ugljik. Kako bi se osigurala otpornost na oksidaciju radi ponovne upotrebe, vanjski slojevi RCC pretvaraju se u silicij-karbid.

Kućanski primjeri kompozita mogu se vidjeti u "plastičnim" kućištima televizora, mobitela i tako dalje. Ova plastična kućišta obično su kompoziti koji se sastoje od termoplastične matrice, kao što je akrilonitril-butadien stiren (ABS) u koju su dodani kalcij-karbonatna kreda, talk, staklena vlakna ili ugljična vlakna za čvrstoća, skupno ili kao elektro-statička disperzija. Ovi dodaci mogu se nazivati ojačavajućim vlaknima ili disperzivima, ovisno o njihovoj namjeni.

Dakle, matrični materijal okružuje i podupire armaturne materijale, zadržavajući njihov relativni položaj. Ojačanja daju svoja posebna mehanička i fizička svojstva, kako bi se poboljšala svojstva matrice. Sinergizam stvara svojstva materijala nedostupna pojedinačnim sastavnim materijalima, dok široka paleta matričnih i ojačavajućih materijala pruža izbor za dizajniranje optimalne kombinacije.

Poluprovodnici su materijali koji imaju električnu otpornost (i provodljivost) između metalnih provodnika i nemetalnih izolatora. Mogu se naći u periodnom sistemu koji se dijagonalno kreće prema dolje desno od bora. Oni odvajaju električne provodnike (ili metale, lijevo) od izolatora (desno).

Uređaji izrađeni od poluprovodničkih materijala temelj su moderne elektronike, uključujući radio, računare, telefone itd. Poluprovodnički uređaji uključuju tranzistore, solarnu ćeliju, diode i integrisane krugove. Solarni fotonaponski paneli veliki su poluvodički uređaji koji direktno pretvaraju svjetlost u električnu energiju.

U metalnom provodniku, struju prenosi protok elektrona ", ali u poluprovodnicima je mogu prenositi ili elektroni ili pozitivno nabijene "rupe" u elektronski opsežnoj strukturi. Uobičajeni poluprovodnički materijali uključuju silicij, germanij i galij-arsenid.

Mnoge uobičajene čvrste supstance pokazuju različita svojstva kada se smanje na nanometarske veličine. Naprimjer, nanočestice običnog žutog zlata i sivog silicija imaju crvenu boju; nanočestice zlata se tope na mnogo nižim temperaturama (~ 300 °C za veličinu 2,5 nm) od zlatnih ploča (1064 °C);^[10] and metallic nanowires are much stronger than the corresponding bulk metals.^[11][12] Velika površina nanočestica čini ih izuzetno atraktivnim za određene primjene u području energije. Naprimjer, platinasti metali mogu pružiti poboljšanja kao gorivo za automobilske katalizatore, kao i membrana protonske razmjene (PEM). Također, keramički oksidi (ili kermeti) lantana, cerija, mangana i nikla sada se razvijaju kao gorivne ćelije čvrstog oksida (SOFC). U litij-ionskim baterijama primenjuju se nanočestice litija, litij-titanata i tantala. Pokazano je da nanočestice silicija dramatično proširuju kapacitet skladištenja litij-ionskih baterija tokom ciklusa širenja / stezanja. Silicijske nanočestice kruže bez značajne razgradnje i predstavljaju potencijal za upotrebu u baterijama sa znatno produženim vremenima skladištenja. Nanočestice silicija se takođe koriste u novim oblicima ćelija solarne energije. Taloženje silicijske kvantne tačke u tankom sloju na polikristalnom silicijskom supstratu fotonaponske (solarne) ćelije povećava izlazni napon čak 60%, fluoresciranjem dolazne svjetlosti prije hvatanja. I ovdje, površina nanočestica (i tankih filmova) ima kritičnu ulogu u maksimiziranju količine apsorbirane radijacije.

tkani]] Mnogi prirodni (ili biološki) materijali složeni su kompoziti sa izvanrednim mehaničkim svojstvima. Ove složene strukture, koje su nastajale tokom stotina miliona godina evolucije, nadahnjuju naučnike za materijale u dizajnu novih materijala. Njihove karakteristike uključuju strukturnu hijerarhiju, multifunkcionalnost i sposobnost samoizlječenja. Samoorganizacija je također temeljna karakteristika mnogih bioloških materijala i načina na koji se strukture sastavljaju od molekulskog nivoa naviše. Dakle, samosastavljanje se pojavljuje kao nova strategija u hemijskoj sintezi biomaterijala visokih performansi.

Fizička svojstva elemenata i spojeva koji pružaju konačne dokaze o hemijskom sastavu uključuju miris, boju, zapreminu, gustinu (masa po jedinici zapremine), tačku topljenja, tačku ključanja, toplotni kapacitet, fizički oblik i oblik na sobnoj temperaturi (krutina, tečnost ili plin; kubni, trokutasti kristali, itd.), tvrdoća, poroznost, indeks loma i mnogi drugi. Ovaj odjeljak razmatra neka fizička svojstva materijala u čvrstom stanju.

Mehanička svojstva materijala opisuju karakteristike kao što su čvrstoća i otpornost na deformacije. Na primjer, čelične grede koriste se u građevinarstvu zbog svoje velike čvrstoće, što znači da se niti ne lome niti savijaju pod opterećenjem.

Mehanička svojstva uključuju elastičnost i plastičnost, vlačnu čvrstoću, tlačna čvrstoća, posmična čvrstoća, žilavost loma , duktilnost (s malo krhkih materijala) i tvrdoću uvlačenja. Mehanika krutine je oblast proučavanja ponašanja čvrste materije pod vanjskim djelovanjem, poput vanjskih sila i promjena temperature.

Čvrsta supstanca ne pokazuje makroskopski protok, kao što to imaju tečnosti. Bilo koji stepen odstupanja od prvobitnog oblika naziva se deformacija. Udio deformacije u odnosu na izvornu veličinu naziva se naprezanje. Ako je primijenjeno naprezanje dovoljno malo, gotovo svi čvrsti materijali ponašaju se tako da je naprezanje izravno proporcionalno naprezanju (Hookeov zakon). Koeficijent proporcije naziva se modul elastičnosti ili Youngov modul. Ovo područje deformacije poznato je kao linearno elastična regija. Tri modela mogu opisati kako čvrsta supstanca odgovara na primijenjeni stres:

• Elastičnost – Kada se ukloni primijenjeno naprezanje, materijal se vraća u nedeformirano stanje.
• Viskoelastičnost – Ovo su materijali koji se ponašaju elastično, ali imaju i prigušivanje. Kada se ukloni primijenjeno naprezanje, mora se raditi na efektima prigušenja i pretvoriti u toplotu unutar materijala. To rezultira petljom histereze u krivulji naprezanje-deformacija, što implicira da mehanički odziv ima vremensku ovisnost.
• Plastičnost – Materijali koji se ponašaju elastično, uglavnom to čine kada je primijenjeno naprezanje manje od vrijednosti prinosa. Kada je naprezanje veće od napona toka, materijal se ponaša plastično i ne vraća se u prethodno stanje. Odnosno, nepovratna plastična deformacija (ili viskozni tok) nastaje nakon trajnog popuštanja.

Mnogi materijali postaju slabiji na visokim temperaturama. Materijali koji zadržavaju svoju čvrstoću na visokim temperaturama, zvani vatrostalni materijali, korisni su u mnoge svrhe. Naprimjer, staklokeramika je postala izuzetno korisna za kuhanje na radnoj površini, jer pokazuju izvrsna mehanička svojstva i mogu održavati ponovljene i brze promjene temperature do 1000 °C. U vazduhoplovnoj industriji, materijali visokih performansi, koji se koriste u dizajnu eksterijera aviona i / ili svemirskih letelica, moraju imati visoku otpornost na toplotni udar. Prema tome, u tu svrhu, sada se dizajniraju sintetska vlakna izrađena od organskih polimera i polimernih/keramičkih/metalnih kompozitnih materijala i polimeri ojačani vlaknima.

Budući da čvrste supstance imaju toplotnu energiju, njihovi atomi vibriraju oko fiksnih srednjih položaja unutar uređene (ili neuređene) rešetke. Spektar vibracija rešetke u kristalnoj ili staklastoj mreži pruža osnovu za kinetičku teoriju čvrstih tijela. Ovo se kretanje događa na atomskom nivou, pa se stoga ne može primijetiti ili otkriti bez visoko specijalizirane opreme, poput one koja se koristi u spektroskopija.

Termička svojstva čvrstih supstanci uključuju toplotnu provodljivost, što je svojstvo materijala koje ukazuje na njegovu sposobnost da provodi toplotu. Čvrste materije takođe imaju specifični toplotni kapacitet, što je sposobnost materijala da skladišti energiju u obliku toplote (ili vibracija toplotne rešetke).

Električna svojstva uključuju provodljivost, otpor, impedanciju i kapacitet. Električni provodnici poput metala i legura suprotstavljeni su električnim izolatorima kao što su stakla i keramika. Poluprovodnici ponašaju se negdje između. Dok provodljivost u metalima uzrokuju elektroni, i elektroni i rupe doprinose struji u poluprovodnicima. Alternativno, u ionskim provodnicima, električnu struju podržavaju ioni.

Mnogi materijali također pokazuju supravodljivost na niskim temperaturama; uključuju metalne elemente poput kalaja i aluminija, razne metalne legure, neke jako dopirane poluprovodnike i određenoj keramici. Električni otpor većine električnih (metalnih) vodiča općenito se smanjuje, kako se temperatura spušta, ali ostaje konačan. Međutim, u superprovodniku, kada se materijal ohladi ispod kritične temperature, otpor naglo pada na nulu. Električna struja koja teče u petlji supravodljive žice može trajati neograničeno dugo bez izvora napajanja.

Dielektrični ili električni izolator je supstanca koja je vrlo otporna na protok električne struje. Dielektrik, poput plastike, teži koncentriranju svog primijenjenog električnog polja, što se koristi u kondenzatorima. Kondenzator je električni uređaj koji može pohraniti energiju u električnom polju između para usko razmaknutih vodiča (zvanih 'ploče'). Kada se na kondenzator primijeni napon, na svakoj ploči se nakupljaju električni naboji jednake veličine, ali suprotne polarnosti. Kondenzatori se koriste u električnim krugovima kao uređaji za skladištenje energije, kao i u elektroničkim filtrima za razlikovanje visokofrekventnih i niskofrekventnih signala.

Pijazoelektričnost je sposobnost kristala da generiraju napon, kao odgovor na primijenjeno mehaničko naprezanje. Pijazoelektrični efekt je reverzibilan u tome što njegovi kristali, kada su podvrgnuti naponu spolja, mogu promijeniti oblik za malu količinu. Polimerni materijali poput gume, vune, kose, drvenih vlakana i svile često se ponašaju kao elektreti. Naprimjer, polimer poliviniliden-fluorid (PVDF) pokazuje pijazoelektrični odziv nekoliko puta veći od uobičajenog kvarcnog pijazoelektričnog materijala (kristalni SiO₂). Deformacija (~ 0,1%) prikladna je za korisne tehničke primjene kao što su visokonaponski izvori, zvučnici, laseri, kao i hemijski, biološki i akustično-optički senzori i / ili pretvarači.

Materijali mogu propuštati (npr. staklo) ili reflektirati (npr. metali) vidljivu svjetlost.

Mnogi materijali će prenositi neke talasne dužine, dok će ih druge blokirati. Naprimjer, prozorsko staklo je prozirno za vidljivu svjetlost, ali mnogo manje za većinu frekvencija ultraljubičastog svjetla koje uzrokuju opekotine od sunca. Ovo se svojstvo koristi za optičke filtere, selektivne po frekvenciji, koji mogu promijeniti boju upadne svjetlosti.

U neke svrhe mogu biti od interesa i optička i mehanička svojstva materijala. Naprimjer, senzori na infracrvenom usmjerivaču („traženje toplote“) projektila, moraju biti zaštićeni poklopcem koji je proziran za infracrveno zračenje. Sadašnji odabrani materijal za kupole brzih infracrveno navođenih projektila je monokristalni safir. Optički prenos safira zapravo se ne proteže na čitav srednji infracrveni opseg (3-5 µm), već počinje da opada na talasnim dužinama većim od približno 4,5 µm na sobnoj temperaturi. Iako je snaga safira bolja od snage ostalih dostupnih materijala, infracrvene kupole srednjeg dometa na sobnoj temperaturi, ona slabi iznad 600 °C. Postoji dugogodišnja tazmjena između optičkog opsega i mehaničke trajnosti; novi materijali, kao što je prozirna keramika ili optički nanokompoziti mogu pružiti poboljšane performanse.

Vođeni prenos svjetlosnih talasa uključuje područje optičkih vlakana i sposobnost određenih naočala da istovremeno, uz mali gubitak intenziteta, prenose raspon frekvencija (višemodni optički talasovodi) sa malim smetnjama između njih. Optički valovodi se koriste kao komponenti u integriranim optičkim krugovima ili kao prijenosni medij u optičkim komunikacijskim sistemima.

Solarna ćelija je fotonaponski uređaj koji pretvara svjetlosnu energiju u električnu. U osnovi, uređaj mora ispunjavati samo dvije funkcije: (1) foto-generiranje nosača naboja (elektroni i rupe) u materijalu koji apsorbira svjetlost i (2) odvajanje nosača naboja do vodljivog kontakta koji će prenositi električnu energiju (jednostavno rečeno, noseći elektrone isključen kroz metalni kontakt u vanjski krug). Ova konverzija se naziva fotoelektrični efekt, a područje istraživanja vezano za solarne ćelije poznato je kao fotonaponski sistem.

Solarne ćelije imaju mnogo primjena. Dugo se koriste u situacijama kada električna energija iz mreže nije dostupna, kao što su elektroenergetski sistemi u udaljenim područjima, sateliti koji orbitiraju oko Zemlje i svemirske sonde, ručni kalkulatori, ručni satovi, daljinski radiotelefoni i aplikacije za pumpanje vode. U novije vrijeme počinju se koristiti u sklopovima solarnih modula (fotonaponskih nizova) povezanih na električnu mrežu preko pretvarača, koji ne bi trebao služiti kao jedini izvor napajanja, već kao dodatni izvor električne energije.

Svim solarnim ćelijama potreban je materijal koji apsorbira svetlost u ćelijskoj strukturi da bi apsorbirao fotone i stvarao elektrone pomoću fotonaponskog efekta. Materijali koji se koriste u solarnim ćelijama imaju svojstvo preferencijalnog upijanja talasnih dužina sunčeve svjetlosti koje dopiru do površine Zemlje. Neke solarne ćelije su također optimizovane za apsorpciju svetlosti i izvan Zemljine atmosfere.

	Portal Hemija
	Portal Voda
	Portal Fizika

Commons ima datoteke na temu: Čvrsto stanje

• Solid (state of matter) u Encyclopædia Britannica