Chất rắn – Wikipedia tiếng Việt

Đối với những định nghĩa khác, xem Rắn ( khuynh hướng ) Dạng tinh thể đơn của insulin rắn .

Chất rắn dạng vật chất khác chất lỏng (các trạng thái khác là chất lỏng, chất khí và plasma). So với các trạng thái vật chất kia, các phân tử trong chất rắn sắp xếp chặt chẽ với nhau và chứa ít động năng nhất. Vật rắn được đặc trưng bởi độ cứng và khả năng chống lại lực tác dụng lên bề mặt (theo phương vuông góc hoặc phương tiếp tuyến). Những đặc tính này phụ thuộc vào tính chất của các nguyên tử cấu tạo nên chất rắn, cấu trúc sắp xếp, và lực liên kết giữa các nguyên tử đó.[1] Chất rắn không chảy được như chất lỏng để có hình dạng như vật chứa của nó, cũng không nở ra để lấp đầy toàn bộ thể tích sẵn có như chất khí. Chất rắn không thể bị nén với áp suất nhỏ trong khi chất khí có thể nén được với áp suất nhỏ bởi vì các phân tử trong chất khí được chuyển động tự do.

Chất rắn thường được chia thành ba dạng cơ bản — tinh thể, vô định hình, và giả tinh thể. Tinh thể có cấu trúc nguyên tử được sắp xếp trật tự đều đặn và có tính lặp lại tuần hoàn. Hầu hết tết cả các kim loại và các khoáng chất như muối ăn (natri chloride) đều có cấu trúc tinh thể. Chất rắn vô định hình là vật chất mà các nguyên tử và phân tử đều không được sắp xếp theo một mạng không gian nhất định. Thủy tinh, nhựa, và gel là những loại chất rắn vô định hình. Chất rắn giả tinh thể (hay còn được gọi tựa tinh thể, quasi-crystal) có những cấu trúc đối xứng mới được khám phá, trong đó sự lặp lại của các nguyên tử không được tuần hoàn ở mỗi đoạn nhất định. Cấu trúc tựa tinh thể thường gặp ở các hợp kim của nhôm khi kết hợp với các kim loại khác như sắt, cobalt, hoặc nickel.[1]

Ngành vật lý tương quan đến chất rắn được gọi là vật lý chất rắn, và là nhánh chính của vật lý vật chất ngưng tụ ( gồm có cả chất lỏng ). Ngành khoa học vật tư hầu hết chăm sóc đến những đặc thù vật lý và hóa học của chất rắn. Ngành hóa học chất rắn đặc biệt quan trọng chăm sóc đến việc tổng hợp những vật tư mới, cũng như khoa học xác lập và thành phần hóa học .

Cấu trúc vi mô.

Mô hình của những nguyên tử được sắp xếp ngặt nghèo trong một tinh thể rắn .Các nguyên tử, phân tử hoặc ion tạo nên chất rắn hoàn toàn có thể được sắp xếp một cách tuần hoàn đều đặn hoặc không đều. Vật liệu có những thành phần được sắp xếp theo một quy mô đều đặn, tuần hoàn được gọi là tinh thể. Trong 1 số ít trường hợp, trật tự sắp xếp đều đặn hoàn toàn có thể lê dài liên tục, không bị gián đoạn trên quy mô lớn, ví dụ như kim cương, trong đó mỗi viên kim cương là một đơn tinh thể. Các vật thể rắn đủ lớn để hoàn toàn có thể nhìn thấy và cầm nắm được hiếm khi được cấu trúc từ một đơn tinh thể, mà thay vào đó được làm từ một số lượng lớn những đơn tinh thể, được gọi là đa tinh thể. [ 2 ] Hầu hết tổng thể những sắt kẽm kim loại thường thì và vật tư gốm là những đa tinh thể .Một số vật tư khác có cấu trúc nguyên tử không sắp xếp đều đặn trong một số lượng giới hạn dài của mạng khoảng trống. Những vật chất này được gọi là chất rắn vô định hình ; ví dụ gồm có polystyrene [ 3 ], polycacbonat [ 4 ], và thủy tinh. [ 5 ] [ 6 ]Cấu trúc của chất rắn ( tinh thể hay vô định hình ) phụ thuộc vào vào thực chất của link hóa học, quy trình cơ nhiệt, [ 7 ] và điều kiện kèm theo hình thành chúng. [ 8 ] [ 9 ] Quá trình làm lạnh nhanh nhằm mục đích giữ dung dịch rắn ở trạng thái vô định hình và ngăn cản việc tạo mầm tinh thể ; tác dụng tạo ra chất rắn vô định hình. Quá trình làm nguội chậm hay ủ nguội sẽ tạo ra cấu trúc tinh thể. [ 10 ] [ 11 ]Nhiều vật thể thường thì như nước đá hoặc một đồng xu có thành phần hóa học giống hệt trong hàng loạt cấu trúc vật thể. Trong khi đó, 1 số ít vật tư khác lại cấu thành từ nhiều chất khác nhau trong cấu trúc vật thể. Ví dụ, đá là một cấu trúc tổng hợp của nhiều loại chất khoáng và mineraloid khác nhau với thành phần hóa học khác nhau. [ 12 ] Các loại vật tư xơ sợi thực vật như gỗ, tre … là những chất hữu cơ tự nhiên đa phần gồm có những sợi xenlulo được nhúng trong một nền lignin hữu cơ. [ 13 ] [ 14 ] Trong ngành khoa học vật tư, vật tư composite được tạo ra từ nhiều vật tư khác nhau nhằm mục đích đạt được những đặc tính mong ước .
Sự khác nhau về link giữa những nguyên tử trong cấu trúc sẽ tạo ra những loại chất rắn khác nhau. [ 15 ] Bốn loại link nguyên tử thường gặp trong những tinh thể rắn : link sắt kẽm kim loại, link ion, link cộng hóa trị, và link phân tử ( lực van der Waals ). [ 1 ] Ví dụ, tinh thể natri chloride ( muối ăn thường thì ) được tạo thành từ hai ion, natri và clo, được giữ với nhau bằng link ion. [ 16 ] Trong link sắt kẽm kim loại, những electron hóa trị được vận động và di chuyển tự do giữa những nguyên tử sắt kẽm kim loại, [ 17 ] giúp sắt kẽm kim loại và kim loại tổng hợp của chúng có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. [ 1 ] Trong cấu trúc kim cương [ 18 ] hoặc silicon, những nguyên tử san sẻ electron và hình thành link cộng hóa trị. [ 19 ] Các tinh thể có link cộng hóa trị có đặc tính cứng, một số ít loại có tính giòn. [ 1 ] Lực Van der Waals, hình thành do sự giao động lưỡng cực của điện tích, [ 20 ] [ 21 ] là lực link yếu, trong khoanh vùng phạm vi gần ( dưới 1 nanomet ), giúp link những tinh thể dạng tấm trong cấu trúc graphit hoặc những tấm silicat trong cấu trúc khoáng pyrophyllite. [ 22 ] Do lực van der Waals là lực link yếu, nên tinh thể có lực van der Waals sẽ có độ cứng thấp, [ 22 ] nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy thấp. [ 23 ] Loại link khác nhau sẽ làm cho đặc thù của những loại chất rắn khác nhau .
Đỉnh tháp của Tòa nhà Chrysler ở New York – tòa nhà thiết kế xây dựng bằng gạch cấu trúc thép cao nhất quốc tế – được ốp bằng thép không gỉ .Các sắt kẽm kim loại thường là chất dẫn điện mạnh và dẫn nhiệt tốt. [ 24 ] [ 25 ] Phần lớn những nguyên tố trong bảng tuần hoàn, những nguyên tố nằm bên trái đường chéo vẽ từ bo đến poloni, là sắt kẽm kim loại. Hỗn hợp của hai hoặc nhiều nguyên tố trong đó thành phần chính là sắt kẽm kim loại được gọi là kim loại tổng hợp .Con người đã sử dụng sắt kẽm kim loại, như đồng [ 26 ], bạc [ 27 ], hoặc chì [ 28 ], cho nhiều mục tiêu khác nhau từ thời tiền sử. Độ bền và độ an toàn và đáng tin cậy của sắt kẽm kim loại đã dẫn đến việc chúng được sử dụng thoáng đãng trong kiến thiết xây dựng những tòa nhà và những cấu trúc khác, cũng như trong hầu hết những phương tiện đi lại giao thông vận tải, nhiều thiết bị và dụng cụ, đường ống, biển báo đường đi bộ và đường tàu. Sắt và nhôm là hai sắt kẽm kim loại cấu trúc được sử dụng thông dụng nhất. Đồng thời, chúng cũng là những sắt kẽm kim loại nhiều mẫu mã nhất trong vỏ Trái Đất. [ 29 ] Sắt được sử dụng phổ cập nhất ở dạng kim loại tổng hợp là thép. Do chứa tới 2,1 % cacbon, nên thép cứng hơn nhiều so với sắt nguyên chất .Vì sắt kẽm kim loại là chất dẫn điện tốt, nên chúng có giá trị ứng dụng cao trong những thiết bị điện và để truyền tải điện đi xa với nguồn năng lượng hao phí thấp. Do đó, mạng lưới hệ thống lưới điện sử dụng cáp sắt kẽm kim loại để phân phối điện. Ví dụ, mạng lưới hệ thống điện mái ấm gia đình sử dụng dây điện bằng đồng vì đặc tính dẫn điện tốt và dễ gia công. Nhờ có tính dẫn nhiệt cao, sắt kẽm kim loại được ứng dụng để sản xuất dụng cụ nấu nướng .Việc nghiên cứu và điều tra những nguyên tố sắt kẽm kim loại và kim loại tổng hợp của chúng chiếm một phần đáng kể trong những nghành nghề dịch vụ hóa học chất rắn, vật lý, khoa học vật tư và kỹ thuật .Các ion sắt kẽm kim loại, mang điện tích dương, được link với nhau bằng tập hợp tỷ lệ cao của những electron tự do ; lực link này được gọi là link sắt kẽm kim loại. [ 30 ] Trong cấu trúc sắt kẽm kim loại, những nguyên tử thuận tiện mất electron ngoài cùng ( electron hóa trị ), tạo thành ion dương. Các electron tự do chuyển dời trên hàng loạt mạng khoảng trống của chất rắn. Các ion sắt kẽm kim loại được link với nhau bằng tương tác tĩnh điện giữa những ion và đám mây electron. [ 31 ] [ 32 ] Nhờ vào số lượng lớn những electron tự do trong cấu trúc, nên sắt kẽm kim loại có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Các electron tự do cũng ngăn cản ánh sáng khả kiến, làm cho sắt kẽm kim loại sáng bóng loáng, phản chiếu ánh sáng, và bùng cháy rực rỡ. [ 33 ]Những quy mô tân tiến miêu tả đặc thù sắt kẽm kim loại ghi nhận tác động ảnh hưởng của ion dương ( ở TT nguyên tử ) lên electron tự do. Do hầu hết những sắt kẽm kim loại đều có cấu trúc tinh thể, nên những ion này thường được sắp xếp thành mạng khoảng trống lặp lại tuần hoàn. Về mặt toán học, điện thế của những ion dương TT này hoàn toàn có thể tính được bằng những quy mô toán học khác nhau, đơn thuần nhất là quy mô electron gần như tự do .
Một bộ sưu tập những khoáng chất khác nhau .Khoáng chất là chất rắn có trong tự nhiên được hình thành trải qua những quy trình địa chất khác nhau [ 34 ] dưới áp suất cao. Khoáng chất có thành phần cấu trúc phong phú, từ những nguyên tố và muối đơn thuần đến những hợp chất silicat rất phức tạp với hàng ngàn dạng hình thể. Ngược lại, một mẫu đá là một tập hợp ngẫu nhiên của những khoáng chất và / hoặc mineraloid, và không có thành phần hóa học cụ thể. Phần lớn những loại đá trong vỏ Trái Đất có chứa thạch anh ( tinh thể SiO2 ), felspat, mica, clorit, cao lanh, calcit, créatinine, olivin, augit, hornblend, magnetit, hematit, limonit và một số ít khoáng chất khác. Một số khoáng chất như thạch anh, mica hoặc fenspat phổ cập, trong khi những khoáng chất khác chỉ được tìm thấy ở 1 số ít khu vực trên toàn quốc tế. [ 35 ] Nhóm khoáng chất lớn nhất cho đến nay là silicat ( hầu hết những loại đá có thành phần chứa ≥ 95 % silicat ), được cấu trúc phần nhiều từ silic và oxy, với sự bổ trợ của những ion nhôm, magiê, sắt, calci và những sắt kẽm kim loại khác .
Xem thêm thông tin : Đồ gốm 3N4Bộ phận chịu lực bằng gốm SiGốm sứ là những vật tư vô cơ cấu tạo gồm những nguyên tố sắt kẽm kim loại và phi kim link hóa học với nhau. Chúng hoàn toàn có thể sống sót ở dạng tinh thể, phi tinh thể, hoặc hỗn hợp của cả hai dạng. [ 36 ] Gốm sứ có độ cứng cao, độ bền nhiệt tốt [ 36 ], độ dẫn nhiệt và thông số co và giãn vì nhiệt thấp. [ 37 ] Ngoài ra, gốm sứ là vật tư trơ về mặt hóa học, có năng lực chịu được sự ăn mòn hóa học xảy ra trong môi trường tự nhiên axit hoặc kiềm ( xút ăn da ). [ 38 ] [ 39 ] Gốm sứ thường hoàn toàn có thể chịu được nhiệt độ cao từ 1000 đến 1600 °C ( 1800 đến 3000 °F ). Các trường hợp ngoại lệ gồm có những vật tư vô cơ không phải oxit, ví dụ điển hình như nitrit, borid và cacbit .

Thành phần nguyên liệu thô để sản xuất gốm sứ truyền thống bao gồm khoáng sét như kaolinit, silica, và felspat.[40] Đất sét, chiếm phần lớn trong thành phần cấu tạo của gốm sứ, có công thức Al
2O
3·2SiO
2·2H2O với lượng nhỏ tạp chất. Silica (SiO
2) có nhiệt độ nóng chảy cao nên giúp gốm sứ có tính chịu nhiệt tốt. Felspat (K
2O·Al
2O
3·6H2O) có nhiệt độ nóng chảy thấp, giúp kết dính các cấu tử chịu nhiệt lại với nhau.[36] Các loại gốm sứ được phát triển gần đây hơn có chứa thêm nhôm oxit (alumin), carbide silic, và carbide wolfram trong thành phần cấu tạo.[38] Carbide silic và carbide wolfram được đánh giá cao về khả năng chống mài mòn và do đó được sử dụng trong các ứng dụng như tấm mài mòn của thiết bị nghiền trong hoạt động khai thác.[41][42]

Hầu hết những vật tư gốm, ví dụ điển hình như alumin và những hợp chất của nó, được hình thành từ bột mịn, tạo ra một vi cấu trúc đa tinh thể hạt mịn chứa đầy những TT tán xạ ánh sáng tương tự với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Do đó, chúng thường là những vật tư không trong suốt, trái ngược với những vật tư trong suốt. Tuy nhiên, công nghệ tiên tiến kích cỡ nano gần đây ( ví dụ như sol-gel ) đã hoàn toàn có thể sản xuất gốm sứ trong suốt đa tinh thể như alumin trong suốt và những hợp chất alumin cho những ứng dụng như laser hiệu suất cao. Gốm sứ hạng sang cũng được sử dụng trong những ngành công nghiệp y học, điện, và điện tử .Kỹ thuật gốm là khoa học và công nghệ tiên tiến tạo ra những vật tư, bộ phận và thiết bị bằng gốm ở trạng thái rắn. Điều này được triển khai bằng giải pháp phản ứng kết tủa từ những dung dịch hóa học dưới tính năng của nhiệt, hoặc ở nhiệt độ thấp. Thuật ngữ này gồm có quy trình tinh chế nguyên vật liệu thô, nghiên cứu và điều tra và sản xuất những hợp chất hóa học có tương quan, sự hình thành những cấu tử, và việc nghiên cứu và điều tra cấu trúc, thành phần cấu trúc, và đặc thù của chúng .

Về mặt cơ học, vật liệu gốm có tính giòn, cứng, chịu nén mạnh và chịu lực kéo và cắt yếu.[38] Vật liệu giòn có thể thể hiện độ bền kéo đáng kể bằng cách chịu tải trọng tĩnh. Độ bền cho biết vật liệu có thể hấp thụ bao nhiêu năng lượng trước khi hỏng hóc cơ học, trong khi độ bền đứt gãy (fracture toughness)[43] (ký hiệu là KIc) mô tả khả năng của vật liệu với các sai hỏng mạng tinh thể vốn có nhằm chống lại sự đứt gãy thông qua sự phát triển và lan truyền vết nứt. Nếu một vật liệu có giá trị độ bền đứt gãy lớn, các nguyên tắc cơ bản của lĩnh vực cơ học đứt gãy cho thấy rằng nó rất có thể sẽ trải qua quá trình đứt gãy dẻo. Gãy giòn là tính chất đặc trưng của hầu hết các vật liệu gốm và gốm thủy tinh thường biểu hiện các giá trị KIc thấp (và không nhất quán).

Ví dụ về các ứng dụng của gốm sứ, độ cứng cực cao của zirconia được sử dụng trong sản xuất lưỡi dao[44], cũng như các dụng cụ cắt công nghiệp khác.[45] Những loại vật liệu gốm sứ như nhôm oxit (Al
2O
3), bo carbide (B
4C), và silic carbide (SiC) đã được sử dụng trong áo chống đạn để có thể chịu được lực đạn của súng trường cỡ lớn. Silic nitride (Si
3N
4) được sử dụng trong các ổ bi sứ, nhờ vào đặc tính độ cứng cao giúp chúng chống mài mòn hiệu quả.[46][47] Gốm sứ cũng có khả năng chống hóa chất và có thể được sử dụng trong môi trường ẩm ướt, nơi các ổ trục thép sẽ dễ bị ăn mòn do oxy hóa.[48]

Một ví dụ khác về những ứng dụng gốm, vào đầu những năm 1980, Toyota đã nghiên cứu và điều tra sản xuất động cơ đốt trong gốm đoạn nhiệt với buồng đốt làm bằng gốm. [ 49 ] [ 50 ] Động cơ gốm không nhu yếu mạng lưới hệ thống làm mát do đó được cho phép giảm khối lượng đáng kể và đạt hiệu suất nguyên vật liệu cao hơn. Trong một động cơ sắt kẽm kim loại thường thì, phần đông nguồn năng lượng thải ra từ nguyên vật liệu phải được tiêu tán dưới dạng nhiệt thải để ngăn ngừa sự nóng chảy của những bộ phận sắt kẽm kim loại. Gốm sứ cũng đang được điều tra và nghiên cứu nhằm mục đích ứng dụng trong động cơ tuabin khí ( Ceramic gas turbine – CGT ). [ 51 ] Động cơ tuabin làm bằng gốm sứ sử dụng trong máy bay hoàn toàn có thể hoạt động giải trí hiệu suất cao hơn, giúp máy bay tầm hoạt động giải trí và năng lực chịu tải lớn hơn so với một lượng nguyên vật liệu nhất định. [ 52 ] Tuy nhiên, những động cơ như vậy không được sản xuất vì việc sản xuất những bộ phận bằng gốm với độ đúng chuẩn và độ bền cao là rất khó và tốn kém. Các giải pháp giải quyết và xử lý thường dẫn đến sự phân bổ thoáng đãng của những sai hỏng mạng tinh thể cực nhỏ, thường đóng vai trò bất lợi trong quy trình thiêu kết, dẫn đến sự ngày càng tăng những vết nứt và sau cuối là hỏng hóc cơ học. [ 53 ]

Gốm thủy tinh.

Mặt nhà bếp bằng gốm thủy tinh có độ bền cao, năng lực truyền nhiệt tốt, độ co và giãn nhiệt không đáng kể .Vật liệu gốm thủy tinh có nhiều đặc tính giống với cả thủy tinh ( vô định hình ) và gốm kết tinh ( tinh thể ). Chúng được tạo thành dưới dạng thủy tinh, và sau đó được kết tinh một phần bằng cách giải quyết và xử lý nhiệt, tạo ra cả pha vô định hình và pha tinh thể để những hạt tinh thể được phân bổ đều trên nền pha vô định hình .Gốm thủy tinh được sử dụng để làm dụng cụ nấu ăn ( khởi đầu được biết đến với tên tên thương hiệu Pyroceram và Vision của hãng CorningWare ) [ 54 ] và mặt nhà bếp do có thông số truyền nhiệt cao, tính chịu nhiệt tốt, không dẫn điện, và trong suốt. [ 55 ] Hệ số co và giãn nhiệt âm của pha gốm kết tinh hoàn toàn có thể cân đối với hệ số dương của pha thủy tinh. Tại một điểm kết tinh nhất định ( khoảng chừng 70 % thể tích cấu trúc là pha tinh thể ) gốm thủy tinh có hiệu thông số co và giãn nhiệt gần bằng không. [ 56 ]Gốm thủy tinh có những ưu điểm như tính bền trong điều kiện kèm theo nhiệt độ đổi khác nhanh, [ 57 ] không thay đổi về mặt hóa học, dễ gia công cơ khí, và chịu mài mòn tốt. [ 58 ] Gốm thủy tinh cũng hoàn toàn có thể Open ngoài tự nhiên khi sét đánh vào những hạt tinh thể ( ví dụ như thạch anh ) có trong cát biển. Trong trường hợp này, nhiệt độ cực cao và tức thời của tia sét ( khoảng chừng 2.500 °C ) làm nóng chảy tinh thể, tạo ra cấu trúc rỗng và phân nhánh được gọi là fulgurite. [ 59 ]

Chất rắn hữu cơ.

Các sợi bột gỗ riêng không liên quan gì đến nhau trong mẫu này có đường kính khoảng chừng 10 µmHóa học hữu cơ điều tra và nghiên cứu cấu trúc, đặc thù, thành phần, phản ứng và điều chế bằng cách tổng hợp ( hoặc những phương tiện đi lại khác ) những hợp chất hóa học của cacbon và hydro, hoàn toàn có thể chứa bất kể nguyên tố nào khác như nitơ, oxy và những halogen : flo, clo, brom và iod. Một số hợp chất hữu cơ cũng hoàn toàn có thể chứa những nguyên tố phosphor hoặc lưu huỳnh. Ví dụ về chất rắn hữu cơ gồm có gỗ, sáp parafin, naphthalene và nhiều loại polyme và chất dẻo .
Bài chi tiết cụ thể : Gỗ

Gỗ là một vật liệu hữu cơ tự nhiên chủ yếu bao gồm các sợi xenlulo được phân bố đều trong nền lignin. Về tính chất cơ học, sợi trong gỗ có độ bền đứt cao và nền ma trận lignin (vốn là những polymer hữu cơ phức tạp) giúp gỗ chịu nén tốt.[60] Vì vậy, gỗ là một vật liệu xây dựng quan trọng kể từ khi con người bắt đầu xây dựng nơi ở và đóng tàu thuyền. Gỗ được sử dụng cho công việc xây dựng thường được gọi là gỗ xẻ hoặc gỗ mộc. Trong xây dựng, gỗ không chỉ là vật liệu kết cấu mà còn được dùng để tạo khuôn để đổ bê tông.[61]

Vật liệu làm từ gỗ cũng được sử dụng thoáng rộng để đóng gói ( ví dụ như bìa cứng ) và giấy, cả hai đều được tạo ra từ bột giấy. Quá trình sản xuất bột giấy theo phương pháp hóa học sử dụng sự tích hợp của nhiệt độ cao và hóa chất kiềm ( kraft ) hoặc axit ( sulfit ) để phá vỡ những link hóa học của lignin trước khi đốt cháy. [ 62 ] [ 63 ]
Bài chi tiết cụ thể : Polyme

Polyme là nhóm những hợp chất cao phân tử được tạo thành từ những đơn vị cấu trúc được lặp đi lặp lại, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, hình thành một phân tử dạng mạch dài.[64][65] Nếu polyme chỉ gồm một loại đơn vị cấu trúc tạo nên, thì sẽ được gọi là polyme đồng thể (homopolymer); nếu có từ hai loại polyme khác nhau cùng tham gia cấu tạo nên phân tử polyme, thì sẽ được gọi là polyme đồng trùng hợp (copolymer).[64] Một trong những sản phẩm polyme đơn giản nhất là polyetylen được hình thành từ quá trình polyme hóa những phân tử etylen.[66] Hai nhóm polyme chính tồn tại: những polyme được sản xuất nhân tạo được gọi là polyme công nghiệp hoặc polyme tổng hợp (chất dẻo) và những loại có nguồn gốc tự nhiên là polyme sinh học.

Những đơn vị chức năng cấu trúc lặp lại này được gọi là monome. [ 64 ] Các monome hoàn toàn có thể có nhiều nhóm thế hoặc những nhóm chức khác nhau, hoàn toàn có thể tác động ảnh hưởng đến những đặc thù hóa học của những hợp chất hữu cơ, ví dụ điển hình như tính hòa tan và tính hoạt hóa, cũng như những đặc thù vật lý, như độ cứng, tỷ trọng, độ bền cơ học hoặc độ bền kéo, năng lực chống mài mòn, tính chịu nhiệt, độ trong suốt, sắc tố, v.v.. Trong protein, những độc lạ này được cho phép polyme có năng lực vận dụng cấu trúc hoạt động giải trí sinh học ưu tiên hơn những cấu trúc khác ( xem phần tự lắp ráp ) .
Đồ gia dụng bằng nhựa những loại .

Con người đã sử dụng polyme hữu cơ tự nhiên trong nhiều thế kỷ dưới dạng sáp và shellac, được xếp vào loại polyme nhiệt dẻo. Một loại polyme thực vật có tên là cellulose cung cấp độ bền kéo cho sợi tự nhiên và dây thừng. Vào đầu thế kỷ 19, cao su tự nhiên, một loại polyme hữu cơ tự nhiên, đã được sử dụng rộng rãi. Polyme là nguyên liệu thô (dưới dạng nhựa dẻo – resin) được sử dụng để tạo ra chất dẻo. Nhựa (plastics) là sản phẩm cuối cùng, được tạo ra sau khi một hoặc nhiều polyme hoặc chất phụ gia được thêm vào resin trong quá trình chế biến, sau đó được định hình thành dạng cuối cùng. Các loại polyme đã có từ lâu và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, bao gồm polyetylen gốc cacbon, polypropylen, polyvinyl chloride, polystyren, nylon, polyeste, acrylic, polyurethane và polycarbonat, và silicon gốc silicon. Nhựa thường được phân loại là nhựa “hàng hóa”, “đặc thù” và “kỹ thuật”.

Vật liệu composite.

Mô phỏng bên ngoài của Tàu con thoi khi nó nóng lên hơn 1500 ° C trong quy trình vào lại khí quyển

Composite là loại vật liệu đa pha, với các pha khác nhau về mặt hóa học và phân cách nhau bằng ranh giới pha, được tạo ra nhờ quá trình kết hợp nhân tạo từ những vật liệu khác nhau nhằm tạo ra những đặc tính mà từng vật liệu thành phần không có được.[67][68] Một chất chỉ được gọi là vật liệu composite khi thỏa mãn được ba điều kiện. Thứ nhất, vật liệu phải được sản xuất nhân tạo (do vậy, các loại vật liệu tự nhiên như gỗ không được xem là vật liệu composite). Thứ hai, vật liệu cấu tạo từ nhiều pha có tính chất vật lý và hóa học khác nhau, các pha phân bố đều đặn, phân cách nhau bằng ranh giới pha. Thứ ba, vật liệu composite phải có tính chất khác biệt với tính chất của từng loại cấu tử tạo thành riêng rẽ.[69] Hai loại vật liệu chính của composite là vật liệu nền (matrix) và vật liệu cốt (fiber). Ngoài ra, trong quá trình sản xuất, composite còn được thêm vào chất liên kết, chất bao phủ, và chất độn.[70] Vật liệu nền có nhiệm vụ gắn kết và phân bố cốt, đồng thời truyền lực tác động bên ngoài đến vật liệu cốt.[71] Dựa theo loại vật liệu nền, có thể phân loại composite thành ba nhóm: composite nền chất dẻo (polyme) – PMC, composite nền kim loại – MMC, và composite nền ceramic – CMC.[68][72]

Vật liệu composite được ứng dụng rất phong phú, từ những vật tư cấu trúc như bê tông cốt thép, đến gạch cách nhiệt vốn đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới hệ thống bảo vệ nhiệt tàu con thoi của NASA ; loại gạch này được sử dụng để bảo vệ mặt phẳng của tàu con thoi khỏi sức nóng gây ra do bầu khí quyển trong hành trình dài bay về Trái Đất. Một ví dụ của loại vật tư cách nhiệt này là Cacbon gia cường – Cacbon ( RCC ), hoàn toàn có thể chịu được nhiệt độ lên đến 1510 °C ( 2750 °F ), giúp bảo vệ nắp mũi và những cạnh đầu của cánh tàu con thoi. RCC là vật tư composite cấu trúc gồm nhiều lớp vải rayon than chì và được tẩm nhựa phenolic. Sau khi lưu hóa ở nhiệt độ cao trong lò sấy, những tấm RCC được nhiệt phân để chuyển nhựa thành carbon, được ngâm tẩm với cồn furfural trong buồng chân không, và sau đó được nhiệt phân để chuyển từ cồn furfural thành cacbon. Để cung ứng năng lực chống oxy hóa giúp RCC hoàn toàn có thể tái sử dụng, những lớp bên ngoài RCC được chuyển thành carbide silic .Những đồ vật gia dụng làm bằng vật tư composite gồm có vỏ nhựa của TV, điện thoại di động, v.v. Vỏ nhựa của những thiết bị này là loại vật tư composite nền nhựa nhiệt dẻo như Acrylonitrin butadien styren ( ABS ) trong đó đá phấn calci cacbonat, bột talc, sợi thủy tinh hoặc sợi cacbon đã được thêm vào để tăng cường mức độ bền, khối lượng, hoặc tính phân tán tĩnh điện. Những chất hỗ trợ này thường được gọi là sợi gia cường hoặc chất phân tán, tùy thuộc vào mục tiêu sử dụng của chúng .Do đó, vật tư nền bao quanh và tương hỗ những vật tư gia cường ( vật tư cốt ) bằng cách duy trì vị trí tương đối của chúng. Vật liệu gia cường bổ trợ những đặc thù cơ học và vật lý đặc biệt quan trọng của chúng nhằm mục đích giúp tăng cường những đặc tính của vật tư nền. Sự tích hợp tương hỗ này tạo ra những thuộc tính vật tư không có sẵn từ những vật tư cấu thành riêng không liên quan gì đến nhau, đồng thời, sự phong phú của vật tư nền và vật tư tăng cường giúp những nhà phong cách thiết kế mẫu sản phẩm hoàn toàn có thể chọn ra công thức phối trộn tối ưu .

Chất bán dẫn.

Chip bán dẫn trên nền silicon kết tinh .Chất bán dẫn là vật tư có giá trị điện trở suất ( và độ dẫn điện ) nằm giữa giá trị điện trở suất của chất dẫn điện sắt kẽm kim loại và chất cách điện phi sắt kẽm kim loại. Chúng hoàn toàn có thể được tìm thấy trong bảng tuần hoàn chuyển dời theo đường chéo xuống từ nguyên tố Bo. Những nguyên tố bên trái là vật tư dẫn điện ( sắt kẽm kim loại ) còn những nguyên tố bên phải là chất cách điện .Những thiết bị làm từ vật tư bán dẫn là nền tảng của ngành điện tử tân tiến, gồm có radio, máy tính, điện thoại cảm ứng, v.v. Những linh phụ kiện bán dẫn gồm có bóng bán dẫn, pin mặt trời, điod và mạch tích hợp. Tấm quang điện mặt trời là thiết bị bán dẫn lớn, trực tiếp đổi khác ánh sáng thành nguồn năng lượng điện .Trong một vật dẫn điện sắt kẽm kim loại, dòng điện được mang theo bởi dòng vận động và di chuyển electron, nhưng trong chất bán dẫn, dòng điện hoàn toàn có thể được chuyển dời bởi những electron hoặc bởi những ” lỗ trống ” tích điện dương trong cấu trúc dải điện tử của vật tư. Các vật tư bán dẫn phổ cập gồm có silic, germani và gali arsenua .

Vật liệu nano.

Silicon số lượng lớn ( trái ) và thuốc nano silicon ( phải )Nhiều chất rắn truyền thống lịch sử bộc lộ những đặc tính khác nhau khi chúng được co lại ở size nanomet. Ví dụ, những hạt nano của vàng và silicon ( trạng thái thông thường là màu xám ) có màu đỏ ; những hạt nano vàng nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn nhiều ( khoảng chừng 300 °C trong kích cỡ 2,5 nm ) so với vàng ở dạng tấm ( 1064 °C ) ; [ 73 ] và những sợi nano sắt kẽm kim loại bền hơn nhiều so với chính sắt kẽm kim loại đó ở dạng khối. [ 74 ] [ 75 ] Diện tích mặt phẳng của những hạt nano rất lớn, giúp chúng được chăm sóc điều tra và nghiên cứu để sản xuất một số ít ứng dụng nhất định trong nghành nghề dịch vụ nguồn năng lượng. Ví dụ, sắt kẽm kim loại bạch kim hoàn toàn có thể được dùng làm chất xúc tác nguyên vật liệu xe hơi hoặc pin nguyên vật liệu màng trao đổi proton ( PEM ). Ngoài ra, những oxit gốm ( hoặc gốm sắt kẽm kim loại ) của lanthan, xeri, mangan và niken hiện đang được tăng trưởng như pin nguyên vật liệu oxit rắn ( SOFC ). Các hạt nano lithi, lithi-titanat và tantali đang được ứng dụng trong pin Li-ion. Các hạt nano silicon đã được chứng tỏ là hoàn toàn có thể lan rộng ra đáng kể dung tích tàng trữ của pin Li-ion trong chu kỳ luân hồi co và giãn – co lại. [ 76 ] Các sợi nano silicon hoàn toàn có thể hoạt động giải trí tuần hoàn mà không bị suy giảm và có tiềm năng sử dụng trong pin với thời hạn tàng trữ được lan rộng ra đáng kể. Các hạt nano silic cũng đang được sử dụng trong những pin nguồn năng lượng mặt trời dạng mới. Sự kết bám màng mỏng mảnh của những chấm lượng tử silicon trên nền silicon đa tinh thể của tế bào quang điện ( nguồn năng lượng mặt trời ) làm tăng sản lượng điện áp lên tới 60 % bằng cách phát huỳnh quang của ánh sáng tới trước khi đảm nhiệm. [ 77 ] Ở đây một lần nữa, diện tích quy hoạnh mặt phẳng của những hạt nano ( và màng mỏng mảnh ) đóng một vai trò quan trọng trong việc tối đa hóa lượng bức xạ được hấp thụ .

Vật liệu sinh học.

Sợi collagen của xương được dệt thành

Nhiều vật liệu tự nhiên (hoặc sinh học) là vật liệu tổng hợp phức tạp với các đặc tính cơ học đáng chú ý. Những cấu trúc phức tạp này, đã hình thành từ hàng trăm triệu năm tiến hóa, là nguồn cảm hứng cho các nhà khoa học vật liệu trong việc thiết kế các vật liệu mới. Các đặc điểm xác định của chúng bao gồm cấu trúc phân cấp, tính đa chức năng và khả năng tự phục hồi. Tính tự tổ chức cũng là một đặc điểm cơ bản của nhiều vật liệu sinh học và cách thức mà các cấu trúc được lắp ráp từ cấp độ phân tử trở lên. Do đó, tự sắp xếp (self-assembly) đang nổi lên như một chiến lược mới trong tổng hợp hóa học của vật liệu sinh học hiệu suất cao.

Tính chất vật lý.

Tính chất vật lý của những nguyên tố và hợp chất phân phối thông tin về thành phần hóa học gồm có mùi, sắc tố, thể tích, tỷ trọng ( khối lượng trên một đơn vị chức năng thể tích ), điểm nóng chảy, điểm sôi, nhiệt dung, hình thể và hình dạng vật lý ở nhiệt độ phòng ( rắn, lỏng hoặc khí ; tinh thể lập phương, tam giác, v.v. ), độ cứng, độ xốp, chỉ số khúc xạ và nhiều đặc thù khác. Phần này bàn luận về 1 số ít đặc thù vật lý của vật tư ở trạng thái rắn .

Tính chất cơ học.

Tính chất cơ học của vật tư miêu tả những đặc thù như độ bền và năng lực chống biến dạng của chúng. Ví dụ, dầm thép được sử dụng trong thiết kế xây dựng vì độ bền cao của chúng, có nghĩa là chúng không bị gãy hoặc uốn cong đáng kể dưới tải trọng .Các đặc thù cơ học gồm có độ đàn hồi và độ dẻo, độ bền kéo, độ bền nén, độ bền cắt, độ bền đứt gãy, độ dẻo ( những vật tư giòn có độ dẻo thấp ) và độ cứng lõm. Cơ học chất rắn là môn kỹ thuật điều tra và nghiên cứu về hoạt động giải trí của vật chất rắn dưới những ảnh hưởng tác động bên ngoài như ngoại lực và sự đổi khác nhiệt độ .Chất rắn không bộc lộ tính chảy ở cấu trúc vĩ mô như chất lỏng. Bất kỳ mức độ nào khác với hình dạng khởi đầu của nó được gọi là sự biến dạng. Tỷ lệ của sự biến dạng so với size khởi đầu được gọi là biến dạng. Nếu ứng suất công dụng đủ thấp, phần nhiều toàn bộ những vật tư rắn đều hoạt động giải trí theo cách mà biến dạng tỷ suất thuận với ứng suất ( định luật Hooke ). Hệ số tỷ trọng được gọi là môđun đàn hồi hay môđun Young. Vùng biến dạng này được gọi là vùng đàn hồi tuyến tính. Ba quy mô hoàn toàn có thể diễn đạt cách một vật rắn phản ứng với một ứng suất :

• Tính đàn hồi – Khi một ứng suất tác dụng bị loại bỏ, vật liệu trở lại trạng thái bình thường (khi không biến dạng) của nó.
• Nhớt đàn hồi – Đây là những vật liệu hoạt động đàn hồi, nhưng cũng có giảm chấn. Khi không còn ứng suất tác dụng, công được thực hiện để chống lại các hiệu ứng giảm biến dạng (do ma sát) và được chuyển thành nhiệt năng trong vật liệu. Điều này dẫn đến một vòng lặp trễ trong đường cong ứng suất–biến dạng. Điều này ngụ ý rằng phản ứng cơ học có sự phụ thuộc vào thời gian.
• Tính dẻo – Khi ứng suất tác động lên vật liệu vốn có tính đàn hồi nhỏ hơn giá trị giới hạn chảy, vật liệu đó sẽ thể hiện tính đàn hồi. Khi ứng suất lớn hơn giới hạn chảy, vật liệu sẽ có tính dẻo và không trở lại trạng thái trước đó. Biến dạng dẻo xảy ra sau điểm giới hạn chảy có tính chất không thuận nghịch, trở nên bền vững cố định.

Nhiều vật tư trở nên yếu hơn ở nhiệt độ cao. Vật liệu giữ được độ bền ở nhiệt độ cao được gọi là vật tư chịu lửa ; những loại vật tư này được ứng dụng cho nhiều mục tiêu khác nhau. Ví dụ, gốm thủy tinh được sử dụng làm mặt nhà bếp, vì có những đặc tính cơ học tốt và bền nhiệt trong điều kiện kèm theo nhiệt độ biến hóa nhanh và liên tục lên đến 1000 °C. Trong ngành hàng không ngoài hành tinh, những vật tư hiệu suất cao được sử dụng trong phong cách thiết kế thiết kế bên ngoài của máy bay và tàu vũ trụ phải có năng lực chống sốc nhiệt cao. Do đó, sợi tổng hợp được làm từ những polyme hữu cơ và những vật tư composite – composite nền polyme, gốm, hoặc nền sắt kẽm kim loại – và những polyme sợi gia cường hiện đang được phong cách thiết kế với mục tiêu này .

Tính chất nhiệt.

Các nguyên tử hoặc phân tử chất rắn có vị trí nhất định trong mạng khoảng trống, được sắp xếp theo trật tự nhất định trong khoảng trống ba chiều, và hoàn toàn có thể giao động xung quanh vị trí của chúng. [ 78 ] Lý thuyết động học của chất rắn dựa trên kim chỉ nan quang phổ của giao động mạng tinh thể trong mạng lưới tinh thể hoặc thủy tinh. Chuyển động này xảy ra ở Lever nguyên tử, do đó không hề quan sát hoặc phát hiện được nếu không có thiết bị chuyên được dùng cao, ví dụ điển hình như thiết bị được sử dụng trong quang phổ .Tính chất nhiệt của chất rắn gồm có tính dẫn nhiệt, là đặc thù của vật tư bộc lộ năng lực dẫn nhiệt. Chất rắn cũng có nhiệt dung riêng, là năng lực tích trữ nguồn năng lượng của vật tư dưới dạng nhiệt ( hay giao động mạng tinh thể nhiệt ) .

Tính chất điện.

Những đặc thù điện của chất rắn gồm có độ dẫn điện, điện trở, trở kháng và điện dung. Chất dẫn điện như sắt kẽm kim loại và kim loại tổng hợp có đặc thù trái chiều với những vật tư cách điện như thủy tinh và gốm sứ. Chất bán dẫn có đặc thù trung gian giữa hai loại vật tư này. Đối với sắt kẽm kim loại, sự dẫn điện được tạo ra do những electron, còn trong chất bán dẫn, cả electron và lỗ trống đều góp thêm phần tạo ra dòng điện. Ngoài ra, trong vật dẫn ion, những ion cũng tương hỗ tạo ra dòng điện .Nhiều vật tư cũng bộc lộ tính siêu dẫn ở nhiệt độ thấp ; chúng gồm có những nguyên tố sắt kẽm kim loại như thiếc và nhôm, những kim loại tổng hợp sắt kẽm kim loại khác nhau, một số ít chất bán dẫn được pha tạp chất nhiều và 1 số ít vật tư gốm nhất định. Điện trở suất của hầu hết những vật dẫn điện sắt kẽm kim loại thường giảm dần khi nhiệt độ hạ xuống, nhưng điểm số lượng giới hạn vẫn không quá thấp. Tuy nhiên, trong chất siêu dẫn, điện trở bất thần giảm xuống bằng không khi vật tư được làm lạnh dưới nhiệt độ tới hạn của nó. Dòng điện chạy trong một vòng dây siêu dẫn hoàn toàn có thể sống sót vô thời hạn mà không cần nguồn điện .Chất điện môi, hay chất cách điện, là vật tư có năng lực chống lại dòng điện chạy qua. Một chất điện môi, ví dụ điển hình như chất dẻo, có xu thế tập trung chuyên sâu điện trường đặt vào trong chính nó, đặc tính này được sử dụng trong tụ điện. Tụ điện là một thiết bị điện hoàn toàn có thể tàng trữ nguồn năng lượng trong điện trường giữa một cặp vật dẫn đặt cách nhau gần nhau ( gọi là ” bản ” ). Khi đặt hiệu điện thế vào tụ điện, những điện tích có độ lớn bằng nhau, nhưng có điện cực trái dấu, tích tụ trên mỗi bản tụ. Tụ điện được sử dụng trong những mạch điện như thiết bị tàng trữ nguồn năng lượng, cũng như trong những bộ lọc điện tử để phân biệt giữa tín hiệu tần số cao và tần số thấp .

Tính chất cơ điện.

Áp điện là khả năng của một số vật liệu (ở dạng tinh thể hoặc ceramic) sinh ra dòng điện và điện áp khi chịu tác dụng lực cơ học.[79][80] Ngược lại, khi có hiệu điện thế đặt vào hai đầu tinh thể áp điện, chúng sẽ thay đổi hình dạng.[81][82] Các vật liệu polyme như cao su, len, tóc, xơ gỗ và lụa thường hoạt động như những electret (một loại vật liệu điện môi). Ví dụ, polyme polyvinylidene fluoride (nhựa PVDF) phản hồi áp điện lớn hơn nhiều lần so với vật liệu áp điện truyền thống như thạch anh (SiO2 tinh thể). Độ biến dạng (khoảng 0,1%) có lợi cho các ứng dụng kỹ thuật hữu ích như nguồn điện cao thế, loa phóng thanh, tia laser, cũng như các cảm biến hoặc đầu dò hóa học, sinh học và quang học.

Tính chất quang học.

Vật liệu hoàn toàn có thể truyền ánh sáng ( ví dụ như thủy tinh ) hoặc phản xạ ánh sáng ( ví dụ như sắt kẽm kim loại ). Ánh sáng hoàn toàn có thể truyền xuyên qua vật tư ở 1 số ít bước sóng trong khi bị chặn lại ở 1 số ít bước sóng khác. Ví dụ, kính hành lang cửa số trong suốt so với ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại ngăn sự truyền ánh sáng của tia cực tím. [ 83 ] Đặc tính này được sử dụng cho những bộ lọc quang học hấp thu tinh lọc dựa trên bước sóng của ánh sáng tới. [ 84 ]Tùy vào mục tiêu, vật tư rắn cần có cả đặc thù quang học và cơ lý. Ví dụ, những cảm ứng trên tên lửa vận động và di chuyển hồng ngoại ( ” tầm nhiệt ” ) được bảo vệ bằng một lớp vật tư bọc bên ngoài trong suốt so với bức xạ hồng ngoại. Vật liệu lúc bấy giờ được lựa chọn cho những mái vòm tên lửa dẫn đường hồng ngoại vận tốc cao là saphir đơn tinh thể. [ 85 ] Saphir có năng lực truyền ánh sáng trong khoanh vùng phạm vi hồng ngoại trung bình ( 300 nm – 5 µm ), [ 86 ] nhưng mở màn giảm ở bước sóng lớn hơn giao động 4,5 µm ở nhiệt độ phòng. Mặc dù độ bền của saphir tốt hơn so với những vật tư vòm hồng ngoại tầm trung khác ở nhiệt độ phòng, nhưng nó lại yếu đi ở nhiệt độ trên 600 °C. [ 87 ]Truyền sóng bước sóng ánh sáng dẫn hướng tương quan đến sợi quang học và năng lực truyền đồng thời và có mức thất thoát cường độ thấp của một số ít loại thủy tinh nhất định, một dải tần số ( ống dẫn sóng quang học dạng phức ) với ít xảy ra hiện tượng kỳ lạ nhiễu giữa chúng. Ống dẫn sóng quang được sử dụng làm thành phần trong mạch quang tích hợp hoặc làm phương tiện đi lại truyền dẫn trong mạng lưới hệ thống thông tin quang học .

Pin mặt trời hay tế bào quang điện (PV cell) là một thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.[88][89] Về cơ bản, thiết bị chỉ cần thực hiện hai chức năng: tạo ảnh của hạt mang điện (electron và lỗ trống) trong vật liệu hấp thụ ánh sáng, và tách các hạt mang điện tới một tiếp điểm dẫn điện sẽ truyền điện (nói một cách đơn giản là mang electron tắt qua một kim loại tiếp xúc với một mạch ngoài). Sự chuyển đổi này được gọi là hiệu ứng quang điện và lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến pin mặt trời được gọi là quang điện.

Pin mặt trời có nhiều ứng dụng. Từ lâu, chúng đã được sử dụng trong những trường hợp không có nguồn điện từ lưới điện, ví dụ điển hình như trong mạng lưới hệ thống điện ở vùng sâu vùng xa, vệ tinh quay quanh Trái Đất và tàu thăm dò khoảng trống, máy tính cầm tay, đồng hồ đeo tay đeo tay, điện thoại thông minh vô tuyến từ xa và những ứng dụng bơm nước. Gần đây hơn, chúng khởi đầu được sử dụng trong những cụm mô-đun nguồn năng lượng mặt trời ( bảng quang điện ) được liên kết với lưới điện trải qua một bộ biến tần, không hoạt động giải trí như một nguồn phân phối duy nhất mà là một nguồn điện bổ trợ .Tất cả những tế bào nguồn năng lượng mặt trời đều cần một vật tư hấp thụ ánh sáng có trong cấu trúc tế bào để hấp thụ những photon và tạo ra những điện tử trải qua hiệu ứng quang điện. Các vật tư được sử dụng trong pin mặt trời có khuynh hướng có đặc tính là hấp thụ ưu tiên những bước sóng của ánh sáng mặt trời truyền đến mặt phẳng Trái Đất. Một số pin mặt trời cũng được tối ưu hóa để hấp thụ ánh sáng bên ngoài bầu khí quyển của Trái Đất .

Liên kết ngoài.