MATERIAŁY POD LUPĄ

• co sprawia, że węgiel jest twardy
• dlaczego na igłę kompasu działa pole magnetyczne Ziemi
• w jaki sposób miedziany drut przewodzi prąd elektryczny

Człowiek zawsze interesował się materiałami, które spotykał wokół siebie i zadawał sobie podobne pytania. Najpierw dotyczyły one piaszczystych wydm i skał. Potem przez długie wieki, w centrum zainteresowania były metale. Miały własności, które ułatwiały życie, były twarde, ostre i miękły w ognisku. Już w starożytności znano żelazo, miedź, srebro, cynę, antymon, złoto, ołów i, jedyny płynny metal, rtęć. Równocześnie odkryto też dwa materiały o odmiennych własnościach, to jest węgiel i siarkę. W wiekach średnich poznano jeszcze cynk i bizmut oraz niemetaliczny arsen. Do końca XVIII wieku udało się odkryć kolejne metaliczne pierwiastki chemiczne i kilka niemetali, ale w stanie gazowym, czyli wodór, azot, tlen oraz chlor. Gazy szlachetne i fluor oraz brom, jedyny ciekły niemetal, odkryto w wieku XIX.

Dopiero odkrycie mechaniki kwantowej w początkach XX wieku pozwoliło wyjaśnić, różnice we własnościach elektrycznych metali i niemetali. Zrozumienie mikroskopowej budowy materiałów pokazało dlaczego różnią się one własnościami mechanicznymi. W dalszej kolejności wyjaśniono przyczynę występowania własności magnetycznych w niektórych metalach lub ich tlenkach. Zdobyta wiedza umożliwiła liczne zastosowania.

Równocześnie, począwszy od odkrycia promieni rentgena, oprócz własności makroskopowych zaczęto gromadzić dane eksperymentalne o atomowej budowie materii. Stwierdzono, że materiały wokół nas to nie tylko czyste pierwiastki chemiczne, ale przede wszystkim liczne minerały, które są złożonymi związkami chemicznymi zbudowanymi z molekuł. Badania rentgenowskie pomogły ustalić, że większość minerałów, a także metale, ma budowę krystaliczną, tzn. atomy rozłożone są regularnie w trójwymiarowej przestrzeni próbki. Równocześnie wykryto substancje stałe, które były pozbawione takiego daleko-zasięgowego uporządkowana, takie jak materiały amorficzne i szkła, również bardzo powszechne w przyrodzie.

Wydaje się, że początek wieku XX naznaczony był rozwojem chemii. Zaczęto tworzyć nowe związki chemiczne o nieznanych dotąd własnościach jak np. półprzewodniki, o odmiennym sposobie przewodzenia prądu. Po wykryciu naturalnego kauczuku rozpoczęto produkcję bardzo ciekawych materiałów, polimerów, o dużych rozgałęzionych molekułach, których nie można w pełni uporządkować w struktury krystaliczne. Weszły one powszechnie w nasze życie codzienne i produkcja tych lepko-sprężystych substancji znacznie przegoniła produkcję stali. Obecnie syntetyzuje się i inne substancje o własnościach pośrednich. Ciekłe kryształy łączą cechy typowe dla cieczy (płynność) i dla kryształów (anizotropia budowy i parametrów materiałowych). Wykorzystanie tych cech umożliwiło pojawienie się nowych zastosowań np. urządzeń elektrooptycznych o małym zużyciu energii i niewielkich rozmiarach.

Dzięki rozwojowi wyrafinowanych technik badawczych oraz metod obliczeniowych, a także dzięki szerokiej współpracy naukowej fizyków, chemików i przedstawicieli nauk technicznych, nasza wiedza o materiałach wciąż się rozwija. Lista nowych materiałów wydłuża się, tworzone są materiały o nowej architekturze i dedykowanych własnościach fizycznych. Powszechna w ostatnich latach miniaturyzacja wkracza w skalę nano. Wśród materiałów nanostrukturalnych ogromne zainteresowanie wywołują ostatnio nowe odmiany alotropowe węgla, to jest fullereny, nanorurki i grafen.

Kolejnym wyzwaniem nauki o materiałach są układy złożone zwane powszechnie materią miękką, takie jak koloidy czy układy amfifilowe. Złożonością własności i budowy zaczynają przypominać materiały aktywne biologicznie. W ostatnim stuleciu wiele prac z dziedziny fizyki fazy skondensowanej uhonorowano nagrodą Nobla, np. za badania zjawiska nadprzewodnictwa aż trzykrotnie.

"Propozycje doświadczeń z materią sypką" - Foton 54, 1997 - Maria Massalska-Arodź

Kontakt: Maria Massalska-Arodź; Maria Bałanda