Katı

Katı insülinin tek kristal formu. ⓘ

Katı, maddenin dört temel halinden biridir (diğerleri sıvı, gaz ve plazma). Bir katıdaki moleküller birbirine sıkıca paketlenmiştir ve en az miktarda kinetik enerji içerir. Bir katı, yapısal sertlik ve yüzeye uygulanan bir kuvvete karşı direnç ile karakterize edilir. Bir sıvının aksine, katı bir nesne kabının şeklini almak için akmaz veya bir gaz gibi mevcut hacmin tamamını doldurmak için genişlemez. Bir katıdaki atomlar ya düzenli bir geometrik kafes içinde (metaller ve normal buzu içeren kristal katılar) ya da düzensiz bir şekilde (yaygın pencere camı gibi amorf bir katı) birbirlerine bağlıdır. Katılar az bir basınçla sıkıştırılamazken, gazlar az bir basınçla sıkıştırılabilir çünkü bir gazdaki moleküller gevşek bir şekilde paketlenmiştir. ⓘ

Katılarla ilgilenen fizik dalına katı hal fiziği denir ve yoğun madde fiziğinin (sıvıları da içerir) ana dalıdır. Malzeme bilimi öncelikle katıların fiziksel ve kimyasal özellikleriyle ilgilenir. Katı hal kimyası özellikle yeni malzemelerin sentezinin yanı sıra tanımlama ve kimyasal bileşim bilimi ile ilgilidir. ⓘ

Katı, maddenin, atomları arasındaki boşluğun en az olduğu halidir. "Katı" olarak adlandırılan bu haldeki maddelerin kütlesi, hacmi ve şekli belirlidir. Bir dış etkiye maruz kalmadıkça değişmez. Sıvıların aksine katılar akışkan değildir. Fiziksel yollarla, diğer üç hal olan sıvı, gaz ve plazmaya dönüştürülebilirler. Altın demir gibi madenler katı maddelere örnektir. Ayrıca katı maddeler atomlarının en yavaş hareket edebildiği haldir. Doğa'da amorf veya kristal yapıda bulunurlar. Amorf katılar maddenin taneciklerinin düzensiz olma durumudur. Kristal katılar ise de maddenin taneciklerinin düzenli olma durumudur. Kristal katılar da aralarında 4'e ayrılır. ⓘ

Mikroskobik tanımlama

Kristal bir katı içindeki yakın paketlenmiş atomların modeli. ⓘ

Katıları oluşturan atomlar, moleküller veya iyonlar düzenli bir şekilde tekrar eden bir düzende veya düzensiz olarak düzenlenebilir. Bileşenleri düzenli bir şekilde düzenlenmiş olan malzemeler kristal olarak bilinir. Bazı durumlarda, düzenli sıralama büyük ölçekte bozulmadan devam edebilir, örneğin her bir elmasın tek bir kristal olduğu elmaslar gibi. Görülebilecek ve elle tutulabilecek kadar büyük katı nesneler nadiren tek bir kristalden oluşur, bunun yerine kristalit olarak bilinen ve boyutları birkaç nanometreden birkaç metreye kadar değişebilen çok sayıda tek kristalden oluşur. Bu tür malzemeler polikristal olarak adlandırılır. Neredeyse tüm yaygın metaller ve birçok seramik polikristalindir. ⓘ

Aynı kimyasal bileşime sahip rastgele ağ yapılı camsı formun (solda) ve düzenli kristal kafesin (sağda) şematik gösterimi.

Diğer malzemelerde, atomların konumunda uzun menzilli bir düzen yoktur. Bu katılar amorf katılar olarak bilinir; bunlara örnek olarak polistiren ve cam verilebilir. ⓘ

Bir katının kristal veya amorf olması, ilgili malzemeye ve oluştuğu koşullara bağlıdır. Yavaş soğutma ile oluşan katılar kristal olma eğilimindeyken, hızla dondurulan katıların amorf olma olasılığı daha yüksektir. Benzer şekilde, kristal bir katı tarafından benimsenen spesifik kristal yapı, ilgili malzemeye ve nasıl oluştuğuna bağlıdır. ⓘ

Bir buz küpü ya da madeni para gibi pek çok yaygın nesne baştan sona kimyasal olarak özdeş olsa da, diğer pek çok yaygın malzeme bir araya getirilmiş bir dizi farklı maddeden oluşur. Örneğin, tipik bir kaya, belirli bir kimyasal bileşimi olmayan birkaç farklı mineral ve mineraloidin bir araya gelmesinden oluşur. Ahşap, esas olarak organik lignin matrisi içine gömülü selüloz liflerinden oluşan doğal bir organik malzemedir. Malzeme biliminde, birden fazla bileşen malzemeden oluşan kompozitler istenen özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilir. ⓘ

Düzensiz tanecik dizilimine sahip katılardır. Kristal katıların aksine erime sıcaklıkları yoktur. Amorf katının erimeye başladığı sıcaklık değişkenlik gösterebilir. ⓘ

Amorf katılar genellikle sıvı haldeki bir maddenin ani olarak soğutulması ile oluşturulur. Günlük hayatımızda bulunan cam, plastik, lastik, mum amorf katılara örnektir. Şekilleri de belirsizlik gösterir. Uzun süre beklemede akışkan olduğu gözlenmektedir. Amorf katıların belirli şekilleri yoktur. ⓘ

Katılar kendi arasında ikiye ayrılır. Bunlar; amorf ve kristal katılardır. ⓘ

Katı madde sınıfları

Bir katıdaki atomlar arasındaki kuvvetler çeşitli şekillerde olabilir. Örneğin, bir sodyum klorür kristali (tuz) iyonik bağlarla bir arada tutulan iyonik sodyum ve klordan oluşur. Elmas veya silikonda atomlar elektronları paylaşır ve kovalent bağlar oluşturur. Metallerde, elektronlar metalik bağlarda paylaşılır. Bazı katılar, özellikle de çoğu organik bileşik, her bir molekül üzerindeki elektronik yük bulutunun kutuplaşmasından kaynaklanan van der Waals kuvvetleri ile bir arada tutulur. Katı türleri arasındaki farklılıklar, bağlanma biçimleri arasındaki farklılıklardan kaynaklanır. ⓘ

Metaller

Dünyanın en yüksek çelik destekli tuğla binası olan New York Chrysler Binası'nın zirvesi paslanmaz çelikle kaplanmıştır. ⓘ

Metaller tipik olarak güçlü, yoğun ve hem elektrik hem de ısı için iyi iletkenlerdir. Periyodik tablodaki elementlerin büyük bir kısmı, bordan polonyuma çizilen diyagonal çizginin solunda kalanlar metallerdir. Ana bileşeni metal olan iki veya daha fazla elementten oluşan karışımlar alaşım olarak bilinir. ⓘ

İnsanlar tarih öncesi çağlardan beri metalleri çeşitli amaçlar için kullanmaktadır. Metallerin sağlamlığı ve güvenilirliği, binaların ve diğer yapıların inşasının yanı sıra çoğu araçta, birçok cihaz ve alette, borularda, yol işaretlerinde ve demiryolu raylarında yaygın olarak kullanılmalarına yol açmıştır. Demir ve alüminyum en yaygın kullanılan iki yapısal metaldir. Aynı zamanda yerkabuğunda en bol bulunan metallerdir. Demir en yaygın olarak %2,1'e kadar karbon içeren ve saf demirden çok daha sert olan bir alaşım olan çelik şeklinde kullanılır. ⓘ

Metaller iyi elektrik iletkenleri olduklarından, elektrikli aletlerde ve elektrik akımını uzun mesafelere az enerji kaybı veya dağılmasıyla taşımak için değerlidirler. Bu nedenle, elektrik güç şebekeleri elektriği dağıtmak için metal kablolara güvenir. Örneğin evlerdeki elektrik sistemleri, iyi iletkenlik özellikleri ve kolay işlenebilirliği nedeniyle bakırla bağlanır. Çoğu metalin yüksek ısı iletkenliği de onları ocak üstü pişirme kapları için kullanışlı hale getirir. ⓘ

Metalik elementlerin ve alaşımlarının incelenmesi, katı hal kimyası, fizik, malzeme bilimi ve mühendislik alanlarının önemli bir bölümünü oluşturur. ⓘ

Metalik katılar, "metalik bağ" olarak bilinen yüksek yoğunlukta paylaşılan, delokalize elektronlar tarafından bir arada tutulur. Bir metalde atomlar en dıştaki ("valans") elektronlarını kolayca kaybederek pozitif iyonlar oluşturur. Serbest elektronlar, iyonlar ve elektron bulutu arasındaki elektrostatik etkileşimlerle sıkıca bir arada tutulan tüm katıya yayılır. Çok sayıda serbest elektron, metallere yüksek elektriksel ve termal iletkenlik değerlerini verir. Serbest elektronlar ayrıca görünür ışığın geçişini engelleyerek metalleri opak, parlak ve ışıltılı hale getirir. ⓘ

Metal özelliklerinin daha gelişmiş modelleri, pozitif iyon çekirdeklerinin delokalize elektronlar üzerindeki etkisini dikkate alır. Çoğu metal kristal yapıya sahip olduğundan, bu iyonlar genellikle periyodik bir kafes şeklinde düzenlenir. Matematiksel olarak, iyon çekirdeklerinin potansiyeli, en basiti neredeyse serbest elektron modeli olmak üzere çeşitli modellerle ele alınabilir. ⓘ

Mineraller

Çeşitli minerallerden oluşan bir koleksiyon. ⓘ

Mineraller, yüksek basınç altında çeşitli jeolojik süreçlerle oluşan doğal olarak meydana gelen katı maddelerdir. Bir maddenin gerçek bir mineral olarak sınıflandırılabilmesi için her yerinde aynı fiziksel özelliklere sahip bir kristal yapıya sahip olması gerekir. Minerallerin bileşimi saf elementler ve basit tuzlardan bilinen binlerce formu olan çok karmaşık silikatlara kadar çeşitlilik gösterir. Buna karşılık, bir kaya örneği minerallerin ve/veya mineraloidlerin rastgele bir toplamıdır ve belirli bir kimyasal bileşime sahip değildir. Yerkabuğundaki kayaçların büyük çoğunluğu kuvars (kristal SiO₂), feldispat, mika, klorit, kaolin, kalsit, epidot, olivin, augit, hornblend, manyetit, hematit, limonit ve birkaç diğer mineralden oluşur. Kuvars, mika veya feldispat gibi bazı mineraller yaygınken, diğerleri dünya çapında sadece birkaç yerde bulunmuştur. Açık ara en büyük mineral grubu, alüminyum, magnezyum, demir, kalsiyum ve diğer metallerin iyonlarının eklenmesiyle büyük ölçüde silikon ve oksijenden oluşan silikatlardır (çoğu kayaç ≥% 95 silikattır). ⓘ

Seramikler

Si₃N₄ seramik rulman parçaları ⓘ

Seramik katılar, genellikle kimyasal elementlerin oksitleri olan inorganik bileşiklerden oluşur. Kimyasal olarak inerttirler ve genellikle asidik veya kostik bir ortamda meydana gelen kimyasal erozyona dayanabilirler. Seramikler genellikle 1000 ila 1600 °C (1800 ila 3000 °F) arasında değişen yüksek sıcaklıklara dayanabilir. İstisnalar arasında nitrürler, borürler ve karbürler gibi oksit olmayan inorganik malzemeler yer alır. ⓘ

Geleneksel seramik hammaddeleri arasında kaolinit gibi kil mineralleri, daha yeni malzemeler arasında ise alüminyum oksit (alümina) bulunmaktadır. Gelişmiş seramikler olarak sınıflandırılan modern seramik malzemeler arasında silisyum karbür ve tungsten karbür bulunmaktadır. Her ikisi de aşınma dirençleri nedeniyle değerlidir ve bu nedenle madencilik operasyonlarında kırma ekipmanlarının aşınma plakaları gibi uygulamalarda kullanım alanı bulmaktadır. ⓘ

Alümina ve bileşikleri gibi çoğu seramik malzeme ince tozlardan oluşur ve görünür ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilir ışık saçan merkezlerle dolu ince taneli polikristalin bir mikro yapı verir. Bu nedenle, şeffaf malzemelerin aksine genellikle opak malzemelerdir. Bununla birlikte, son nano ölçekli (örneğin sol-jel) teknoloji, yüksek güçlü lazerler gibi uygulamalar için şeffaf alümina ve alümina bileşikleri gibi polikristalin şeffaf seramiklerin üretimini mümkün kılmıştır. İleri seramikler tıp, elektrik ve elektronik endüstrilerinde de kullanılmaktadır. ⓘ

Seramik mühendisliği, katı hal seramik malzemeler, parçalar ve cihazlar yaratma bilimi ve teknolojisidir. Bu ya ısı etkisiyle ya da daha düşük sıcaklıklarda kimyasal çözeltilerden çökelme reaksiyonları kullanılarak yapılır. Bu terim, hammaddelerin saflaştırılmasını, ilgili kimyasal bileşiklerin incelenmesini ve üretilmesini, bunların bileşenlere dönüştürülmesini ve yapılarının, bileşimlerinin ve özelliklerinin incelenmesini içerir. ⓘ

Mekanik olarak, seramik malzemeler kırılgan, sert, sıkıştırmada güçlü ve kesme ve gerilimde zayıftır. Gevrek malzemeler statik bir yükü destekleyerek önemli bir gerilme mukavemeti sergileyebilir. Tokluk, bir malzemenin mekanik arızadan önce ne kadar enerji absorbe edebileceğini gösterirken, kırılma tokluğu (K_Ic olarak gösterilir), doğal mikroyapısal kusurlara sahip bir malzemenin çatlak büyümesi ve yayılması yoluyla kırılmaya direnme yeteneğini tanımlar. Bir malzeme büyük bir kırılma tokluğu değerine sahipse, kırılma mekaniğinin temel ilkeleri büyük olasılıkla sünek kırılmaya uğrayacağını göstermektedir. Gevrek kırılma, tipik olarak düşük (ve tutarsız) K_Ic değerleri sergileyen çoğu seramik ve cam-seramik malzemenin karakteristik özelliğidir. ⓘ

Seramik uygulamalarına bir örnek olarak, zirkonyanın aşırı sertliği bıçak bıçaklarının yanı sıra diğer endüstriyel kesme aletlerinin üretiminde kullanılmaktadır. Alümina, bor karbür ve silisyum karbür gibi seramikler, büyük kalibreli tüfek ateşini püskürtmek için kurşun geçirmez yeleklerde kullanılmıştır. Silisyum nitrür parçalar, yüksek sertliklerinin onları aşınmaya karşı dirençli hale getirdiği seramik bilyalı rulmanlarda kullanılır. Genel olarak, seramikler kimyasal olarak da dirençlidir ve çelik rulmanların oksidasyona (veya paslanmaya) duyarlı olabileceği ıslak ortamlarda kullanılabilir. ⓘ

Seramik uygulamalarına bir başka örnek olarak, 1980'lerin başında Toyota 6000 °F (3300 °C) üzerinde çalışma sıcaklığına sahip adyabatik seramik bir motorun üretimini araştırmıştır. Seramik motorlar soğutma sistemi gerektirmez ve dolayısıyla ağırlıkta büyük bir azalma ve dolayısıyla daha fazla yakıt verimliliği sağlar. Geleneksel bir metalik motorda, metalik parçaların erimesini önlemek için yakıttan açığa çıkan enerjinin çoğunun atık ısı olarak dağıtılması gerekir. Gaz türbinli motorlar için seramik parçaların geliştirilmesi konusunda da çalışmalar yapılmaktadır. Seramikle yapılan türbin motorları daha verimli çalışarak uçaklara belirli bir yakıt miktarı için daha fazla menzil ve taşıma yükü sağlayabilir. Ancak bu tür motorlar henüz üretilmemektedir çünkü seramik parçaların yeterli hassasiyet ve dayanıklılıkta üretilmesi zor ve maliyetlidir. İşleme yöntemleri genellikle sinterleme sürecinde sıklıkla zararlı bir rol oynayan mikroskobik kusurların geniş bir dağılımına neden olarak çatlakların çoğalmasına ve nihai mekanik arızaya yol açar. ⓘ

Cam seramikler

İhmal edilebilir termal genleşmeye sahip yüksek mukavemetli bir cam-seramik ocak. ⓘ

Cam-seramik malzemeler hem kristal olmayan camlar hem de kristal seramikler ile birçok özelliği paylaşır. Cam olarak oluşturulurlar ve daha sonra ısıl işlemle kısmen kristalleştirilerek hem amorf hem de kristal fazlar üretilir, böylece kristal taneler kristal olmayan taneler arası bir faz içine gömülür. ⓘ

Cam-seramikler, hem termal şoka karşı yüksek dirence hem de sıvılara karşı son derece düşük geçirgenliğe sahip pişirme kapları (orijinal olarak CorningWare markasıyla bilinir) ve set üstü ocaklar yapmak için kullanılır. Kristalin seramik fazın negatif termal genleşme katsayısı, camsı fazın pozitif katsayısı ile dengelenebilir. Belirli bir noktada (~%70 kristal) cam-seramik sıfıra yakın bir net termal genleşme katsayısına sahiptir. Bu tür cam-seramikler mükemmel mekanik özellikler sergiler ve 1000 °C'ye kadar tekrarlanan ve hızlı sıcaklık değişimlerine dayanabilir. ⓘ

Cam seramikler, çoğu plaj kumunda bulunan kristalin (örneğin kuvars) tanelere yıldırım düştüğünde doğal olarak da oluşabilir. Bu durumda, yıldırımın aşırı ve ani ısısı (~2500 °C) füzyon yoluyla fulgurit adı verilen içi boş, dallanan kök benzeri yapılar oluşturur. ⓘ

Organik katılar

Bu örnekteki odun hamuru liflerinin çapı yaklaşık 10 µm'dir. ⓘ

Organik kimya, azot, oksijen ve halojenler: flor, klor, brom ve iyot gibi herhangi bir sayıda başka element içerebilen karbon ve hidrojenin kimyasal bileşiklerinin yapısını, özelliklerini, bileşimini, reaksiyonlarını ve sentez yoluyla (veya başka yollarla) hazırlanmasını inceler. Bazı organik bileşikler fosfor veya sülfür elementlerini de içerebilir. Organik katılara örnek olarak ahşap, parafin mumu, naftalin ve çok çeşitli polimer ve plastikler verilebilir. ⓘ

Ahşap

Ahşap, esas olarak lignin matrisi içine gömülü selüloz liflerinden oluşan doğal bir organik malzemedir. Mekanik özellikleri bakımından lifler gerilimde güçlüdür ve lignin matrisi sıkıştırmaya karşı direnç gösterir. Bu nedenle ahşap, insanlar barınaklar inşa etmeye ve tekneler kullanmaya başladığından beri önemli bir inşaat malzemesi olmuştur. İnşaat işlerinde kullanılacak ahşap genellikle kereste veya tomruk olarak bilinir. İnşaatta ahşap sadece yapısal bir malzeme değil, aynı zamanda betonun kalıbını oluşturmak için de kullanılır. ⓘ

Ahşap bazlı malzemeler, her ikisi de rafine hamurdan üretilen ambalaj (örneğin karton) ve kağıt için de yaygın olarak kullanılmaktadır. Kimyasal hamurlaştırma işlemlerinde, lignini yakmadan önce kimyasal bağlarını kırmak için yüksek sıcaklık ve alkali (kraft) veya asidik (sülfit) kimyasalların bir kombinasyonu kullanılır. ⓘ

Polimerler

Organik yarı iletken kinakridonun grafit üzerinde kendi kendine bir araya gelen supramoleküler zincirlerinin STM görüntüsü. ⓘ

Karbonun organik kimyadaki önemli bir özelliği, tek tek molekülleri birbirlerine bağlanabilen ve böylece bir zincir veya ağ oluşturabilen belirli bileşikler oluşturabilmesidir. Süreç polimerizasyon olarak adlandırılır ve kaynak bileşik bir monomer iken zincirler veya ağlar polimerlerdir. İki ana polimer grubu mevcuttur: yapay olarak üretilenler endüstriyel polimerler veya sentetik polimerler (plastikler) ve doğal olarak oluşanlar biyopolimerler olarak adlandırılır. ⓘ

Monomerler, organik bileşiklerin çözünürlük ve kimyasal reaktivite gibi kimyasal özelliklerinin yanı sıra sertlik, yoğunluk, mekanik veya gerilme mukavemeti, aşınma direnci, ısı direnci, şeffaflık, renk vb. gibi fiziksel özelliklerini etkileyebilen çeşitli kimyasal ikame maddelerine veya fonksiyonel gruplara sahip olabilir. Proteinlerde bu farklılıklar polimere biyolojik olarak aktif bir konformasyonu diğerlerine tercih etme yeteneği kazandırır (bkz. kendi kendine montaj). ⓘ

Çeşitli plastik türlerinden yapılmış ev eşyaları. ⓘ

İnsanlar yüzyıllardır doğal organik polimerleri mum ve termoplastik polimer olarak sınıflandırılan gomalak şeklinde kullanmaktadır. Selüloz adlı bir bitki polimeri, doğal lifler ve halatlar için gerilme mukavemeti sağlamıştır ve 19. yüzyılın başlarında doğal kauçuk yaygın olarak kullanılmaktaydı. Polimerler, yaygın olarak plastik olarak adlandırılan maddeleri yapmak için kullanılan hammaddelerdir (reçineler). Plastikler, işleme sırasında bir reçineye bir veya daha fazla polimer veya katkı maddesi eklendikten sonra oluşturulan ve daha sonra nihai bir forma dönüştürülen nihai üründür. Eskiden beri var olan ve günümüzde yaygın olarak kullanılan polimerler arasında karbon bazlı polietilen, polipropilen, polivinil klorür, polistiren, naylonlar, polyesterler, akrilikler, poliüretan ve polikarbonatlar ve silikon bazlı silikonlar yer almaktadır. Plastikler genellikle "emtia", "özel" ve "mühendislik" plastikleri olarak sınıflandırılır. ⓘ

Kompozit malzemeler

Yeniden giriş sırasında 1500 °C'nin üzerinde ısınan Uzay Mekiğinin dış kısmının simülasyonu ⓘ

Kompozit malzemelerde ortak bir unsur olan dokunmuş karbon fiber filamentlerden oluşan bir kumaş ⓘ

Kompozit malzemeler, biri genellikle seramik olan iki veya daha fazla makroskopik faz içerir. Örneğin, sürekli bir matris ve seramik parçacıklardan veya liflerden oluşan dağınık bir faz. ⓘ

Kompozit malzemelerin uygulamaları, çelik takviyeli beton gibi yapısal elemanlardan, NASA'nın Uzay Mekiği termal koruma sisteminde önemli ve ayrılmaz bir rol oynayan ve mekiğin yüzeyini Dünya atmosferine yeniden giriş ısısından korumak için kullanılan termal olarak yalıtıcı karolara kadar uzanmaktadır. Örneklerden biri, 1510 °C'ye (2750 °F) kadar yeniden giriş sıcaklıklarına dayanabilen ve Uzay Mekiği'nin burun kapağını ve kanatlarının ön kenarlarını koruyan açık gri malzeme olan Güçlendirilmiş Karbon-Karbon'dur (RCC). RCC, grafit rayon kumaştan yapılmış ve fenolik reçine ile emprenye edilmiş lamine kompozit bir malzemedir. Bir otoklavda yüksek sıcaklıkta kürlendikten sonra, laminat reçineyi karbona dönüştürmek için pirolize edilir, bir vakum odasında furfural alkol ile emprenye edilir ve furfural alkolü karbona dönüştürmek için kürlenir/pirolize edilir. Yeniden kullanım kabiliyeti için oksidasyon direnci sağlamak amacıyla, RCC'nin dış katmanları silisyum karbüre dönüştürülür. ⓘ

Kompozitlerin yerel örnekleri televizyon setleri, cep telefonları ve benzerlerinin "plastik" muhafazalarında görülebilir. Bu plastik muhafazalar genellikle akrilonitril bütadien stiren (ABS) gibi termoplastik bir matristen oluşan ve mukavemet, hacim veya elektrostatik dağılım için kalsiyum karbonat tebeşir, talk, cam elyaflar veya karbon elyafların eklendiği bir kompozittir. Bu ilaveler, amaçlarına bağlı olarak takviye edici elyaflar veya dağıtıcılar olarak adlandırılabilir. ⓘ

Böylece matris malzemesi, takviye malzemelerinin göreceli konumlarını koruyarak onları çevreler ve destekler. Takviyeler, matris özelliklerini geliştirmek için kendi özel mekanik ve fiziksel özelliklerini kazandırır. Bir sinerjizm, tek tek bileşen malzemelerden elde edilemeyen malzeme özellikleri üretirken, çok çeşitli matris ve güçlendirme malzemeleri tasarımcıya optimum bir kombinasyon seçimi sağlar. ⓘ

Yarı İletkenler

Kristal silikon alt tabaka üzerinde yarı iletken çip. ⓘ

Yarı iletkenler, metalik iletkenler ile metalik olmayan yalıtkanlar arasında bir elektrik direncine (ve iletkenliğe) sahip malzemelerdir. Periyodik tabloda bordan sağa doğru çapraz olarak aşağı doğru hareket ederek bulunabilirler. Elektrik iletkenlerini (veya metalleri, solda) yalıtkanlardan (sağda) ayırırlar. ⓘ

Yarı iletken malzemelerden yapılan cihazlar, radyo, bilgisayar, telefon vb. dahil olmak üzere modern elektroniğin temelini oluşturur. Yarı iletken cihazlar transistör, güneş pilleri, diyotlar ve entegre devreleri içerir. Güneş fotovoltaik panelleri, ışığı doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren büyük yarı iletken cihazlardır. ⓘ

Metalik bir iletkende akım elektronların akışıyla taşınır, ancak yarı iletkenlerde akım ya elektronlar ya da malzemenin elektronik bant yapısındaki pozitif yüklü "delikler" tarafından taşınabilir. Yaygın yarı iletken malzemeler arasında silikon, germanyum ve galyum arsenit bulunur. ⓘ

Nanomalzemeler

Dökme silikon (solda) ve silikon nanopowder (sağda) ⓘ

Birçok geleneksel katı madde nanometre boyutlarına küçüldüğünde farklı özellikler sergiler. Örneğin, genellikle sarı altın ve gri silikon nanoparçacıkları kırmızı renktedir; altın nanoparçacıkları altın levhalardan (1064 °C) çok daha düşük sıcaklıklarda (2,5 nm boyut için ~300 °C) erir; ve metalik nanoteller karşılık gelen dökme metallerden çok daha güçlüdür. Nanoparçacıkların yüksek yüzey alanı, onları enerji alanındaki belirli uygulamalar için son derece cazip hale getirmektedir. Örneğin, platin metaller otomotiv yakıt katalizörleri ve proton değişim membranı (PEM) yakıt hücreleri olarak iyileştirmeler sağlayabilir. Ayrıca lantan, seryum, manganez ve nikelden oluşan seramik oksitler (veya sermetler) katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) olarak geliştirilmektedir. Lityum, lityum-titanat ve tantal nanoparçacıkları lityum iyon pillerde uygulanmaktadır. Silikon nanoparçacıkların, genişleme/büzülme döngüsü sırasında lityum iyon pillerin depolama kapasitesini önemli ölçüde artırdığı gösterilmiştir. Silikon nanoteller önemli bir bozulma olmadan çevrim yapar ve büyük ölçüde genişletilmiş depolama sürelerine sahip pillerde kullanım potansiyeli sunar. Silikon nanoparçacıklar da yeni güneş enerjisi hücrelerinde kullanılmaktadır. Bir fotovoltaik (güneş) hücrenin polikristal silikon alt tabakası üzerinde silikon kuantum noktalarının ince film birikimi, gelen ışığı yakalamadan önce floresanlaştırarak voltaj çıkışını %60'a kadar artırmaktadır. Burada da nanoparçacıkların (ve ince filmlerin) yüzey alanı, emilen radyasyon miktarını en üst düzeye çıkarmada kritik bir rol oynamaktadır. ⓘ

Biyomalzemeler

Dokuma kemiğin kolajen lifleri ⓘ

Birçok doğal (veya biyolojik) malzeme, dikkate değer mekanik özelliklere sahip karmaşık kompozitlerdir. Yüzlerce milyon yıllık evrim sonucu ortaya çıkan bu karmaşık yapılar, yeni malzemelerin tasarımında malzeme bilimcilere ilham vermektedir. Belirleyici özellikleri arasında yapısal hiyerarşi, çok işlevlilik ve kendi kendini iyileştirme kabiliyeti yer almaktadır. Öz-örgütlenme aynı zamanda birçok biyolojik malzemenin temel bir özelliğidir ve yapıların moleküler seviyeden yukarıya doğru bir araya getirilme şeklidir. Bu nedenle, kendi kendine birleşme, yüksek performanslı biyomalzemelerin kimyasal sentezinde yeni bir strateji olarak ortaya çıkmaktadır. ⓘ

Fiziksel özellikler

Kimyasal bileşimin kesin kanıtını sağlayan element ve bileşiklerin fiziksel özellikleri arasında koku, renk, hacim, yoğunluk (birim hacim başına kütle), erime noktası, kaynama noktası, ısı kapasitesi, oda sıcaklığında fiziksel biçim ve şekil (katı, sıvı veya gaz; kübik, trigonal kristaller vb.), sertlik, gözeneklilik, kırılma indisi ve diğerleri yer alır. Bu bölümde katı haldeki malzemelerin bazı fiziksel özellikleri ele alınmaktadır. ⓘ

Mekanik

Şili Patagonya'sında granit kaya oluşumu. Dünya atmosferinde oksidasyon yoluyla oluşan çoğu inorganik mineral gibi granit de temel olarak kristal silika SiO₂ ve alümina Al₂O₃'ten oluşur. ⓘ

Malzemelerin mekanik özellikleri, mukavemetleri ve deformasyona karşı dirençleri gibi özellikleri tanımlar. Örneğin, çelik kirişler yüksek mukavemetleri nedeniyle inşaatta kullanılır, yani uygulanan yük altında önemli ölçüde kırılmaz veya bükülmezler. ⓘ

Mekanik özellikler arasında elastikiyet ve plastiklik, çekme mukavemeti, basınç mukavemeti, kesme mukavemeti, kırılma tokluğu, süneklik (kırılgan malzemelerde düşük) ve çentik sertliği bulunur. Katı madde mekaniği, katı maddenin dış kuvvetler ve sıcaklık değişimleri gibi harici eylemler altındaki davranışının incelenmesidir. ⓘ

Bir katı, akışkanların yaptığı gibi makroskopik akış göstermez. Orijinal şeklinden herhangi bir derecede ayrılmaya deformasyon denir. Deformasyonun orijinal boyuta oranına gerinim denir. Uygulanan gerilim yeterince düşükse, neredeyse tüm katı malzemeler, gerinim gerilimle doğru orantılı olacak şekilde davranır (Hooke yasası). Bu orantının katsayısına elastisite modülü veya Young modülü denir. Bu deformasyon bölgesi doğrusal elastik bölge olarak bilinir. Üç model, bir katının uygulanan bir gerilime nasıl tepki verdiğini açıklayabilir:

• Elastikiyet - Uygulanan stres kaldırıldığında, malzeme deforme olmamış durumuna geri döner.
• Viskoelastisite - Bunlar elastik olarak davranan, ancak aynı zamanda sönümlemeye sahip malzemelerdir. Uygulanan gerilim kaldırıldığında, sönümleme etkilerine karşı iş yapılması gerekir ve malzeme içinde ısıya dönüştürülür. Bu da gerilme-gerinim eğrisinde bir histerezis döngüsüne neden olur. Bu, mekanik tepkinin zamana bağlı olduğu anlamına gelir.
• Plastisite - Elastik olarak davranan malzemeler genellikle uygulanan gerilme bir akma değerinden daha az olduğunda bunu yapar. Gerilme akma gerilmesinden büyük olduğunda, malzeme plastik olarak davranır ve önceki durumuna geri dönmez. Yani, akmadan sonra kalıcı olan geri dönüşümsüz plastik deformasyon (veya viskoz akış) meydana gelir. ⓘ

Birçok malzeme yüksek sıcaklıklarda zayıflar. Refrakter malzemeler olarak adlandırılan yüksek sıcaklıklarda mukavemetlerini koruyan malzemeler birçok amaç için kullanışlıdır. Örneğin, cam seramikler mükemmel mekanik özellikler sergiledikleri ve 1000 °C'ye kadar tekrarlanan ve hızlı sıcaklık değişimlerine dayanabildikleri için tezgah üstü pişirme için son derece kullanışlı hale gelmiştir. Havacılık ve uzay endüstrisinde, uçak ve/veya uzay aracı dış yüzeylerinin tasarımında kullanılan yüksek performanslı malzemelerin termal şoka karşı yüksek dirence sahip olması gerekir. Bu nedenle, organik polimerlerden eğrilmiş sentetik elyaflar ve polimer/seramik/metal kompozit malzemeler ve elyaf takviyeli polimerler artık bu amaç göz önünde bulundurularak tasarlanmaktadır. ⓘ

Termal

Kristal bir katıdaki atomik titreşimin normal modları. ⓘ

Katıların termal enerjisi olduğundan, atomları düzenli (veya düzensiz) kafes içinde sabit ortalama konumlar etrafında titreşir. Kristal veya camsı bir ağdaki kafes titreşimlerinin spektrumu, katıların kinetik teorisinin temelini oluşturur. Bu hareket atomik düzeyde gerçekleşir ve bu nedenle spektroskopide kullanılanlar gibi son derece özel ekipmanlar olmadan gözlemlenemez veya tespit edilemez. ⓘ

Katıların termal özellikleri, bir malzemenin ısıyı iletme kabiliyetini gösteren özelliği olan termal iletkenliği içerir. Katıların ayrıca, bir malzemenin enerjiyi ısı (veya termal kafes titreşimleri) şeklinde depolama kapasitesi olan özgül bir ısı kapasitesi vardır. ⓘ

Elektriksel

YBCO'nun süper iletken havalanma videosu ⓘ

Elektriksel özellikler iletkenlik, direnç, empedans ve kapasitansı içerir. Metaller ve alaşımlar gibi elektrik iletkenleri, camlar ve seramikler gibi elektrik yalıtkanları ile karşılaştırılır. Yarı iletkenler ikisinin arasında bir yerde davranır. Metallerde iletkenlik elektronlardan kaynaklanırken, yarı iletkenlerde hem elektronlar hem de delikler akıma katkıda bulunur. Alternatif olarak, iyonik iletkenlerde iyonlar elektrik akımını destekler. ⓘ

Birçok malzeme düşük sıcaklıklarda süper iletkenlik sergiler; bunlar arasında kalay ve alüminyum gibi metalik elementler, çeşitli metalik alaşımlar, bazı yoğun katkılı yarı iletkenler ve bazı seramikler bulunur. Çoğu elektriksel (metalik) iletkenin elektriksel direnci genellikle sıcaklık düştükçe kademeli olarak azalır, ancak sonlu kalır. Ancak bir süper iletkende, malzeme kritik sıcaklığının altına soğutulduğunda direnç aniden sıfıra düşer. Bir süper iletken tel döngüsünde akan bir elektrik akımı, hiçbir güç kaynağı olmadan süresiz olarak devam edebilir. ⓘ

Bir dielektrik veya elektrik yalıtkanı, elektrik akımının akışına karşı oldukça dirençli bir maddedir. Plastik gibi bir dielektrik, uygulanan bir elektrik alanını kendi içinde yoğunlaştırma eğilimindedir ve bu özellik kapasitörlerde kullanılır. Bir kondansatör, bir çift yakın aralıklı iletken ("plakalar" olarak adlandırılır) arasındaki elektrik alanında enerji depolayabilen elektrikli bir cihazdır. Kondansatöre voltaj uygulandığında, her bir plakada eşit büyüklükte, ancak zıt kutuplu elektrik yükleri oluşur. Kondansatörler elektrik devrelerinde enerji depolama cihazları olarak ve elektronik filtrelerde yüksek frekanslı ve düşük frekanslı sinyalleri birbirinden ayırmak için kullanılır. ⓘ

Elektro-mekanik

Piezoelektrik, kristallerin uygulanan bir mekanik gerilime yanıt olarak bir voltaj üretme yeteneğidir. Piezoelektrik etki, piezoelektrik kristallerin harici olarak uygulanan bir gerilime maruz kaldıklarında küçük bir miktar şekil değiştirebilmeleri bakımından tersine çevrilebilir. Kauçuk, yün, saç, ahşap lifi ve ipek gibi polimer malzemeler genellikle elektret gibi davranır. Örneğin, polimer poliviniliden florür (PVDF), geleneksel piezoelektrik malzeme kuvars'tan (kristal SiO₂) birkaç kat daha büyük bir piezoelektrik tepki sergiler. Deformasyon (~%0,1), yüksek voltaj kaynakları, hoparlörler, lazerlerin yanı sıra kimyasal, biyolojik ve akusto-optik sensörler ve/veya transdüserler gibi faydalı teknik uygulamalara olanak sağlamaktadır. ⓘ

Optik

Malzemeler görünür ışığı iletebilir (örneğin cam) veya yansıtabilir (örneğin metaller). ⓘ

Birçok malzeme bazı dalga boylarını geçirirken diğerlerini engeller. Örneğin, pencere camı görünür ışığa karşı şeffaftır, ancak güneş yanığına neden olan ultraviyole ışık frekanslarının çoğuna karşı çok daha az şeffaftır. Bu özellik, gelen ışığın rengini değiştirebilen frekans seçici optik filtreler için kullanılır. ⓘ

Bazı amaçlar için, bir malzemenin hem optik hem de mekanik özellikleri ilgi çekici olabilir. Örneğin, bir kızılötesi güdümlü ("ısı arayan") füze üzerindeki sensörlerin kızılötesi radyasyona karşı şeffaf bir örtü ile korunması gerekir. Yüksek hızlı kızılötesi güdümlü füze kubbeleri için tercih edilen mevcut malzeme tek kristalli safirdir. Safirin optik iletimi aslında tüm orta kızılötesi aralığı (3-5 µm) kapsayacak şekilde genişlemez, ancak oda sıcaklığında yaklaşık 4,5 µm'den daha büyük dalga boylarında düşmeye başlar. Safirin mukavemeti oda sıcaklığında mevcut diğer orta menzilli kızılötesi kubbe malzemelerinden daha iyi olsa da, 600 °C'nin üzerinde zayıflar. Optik bant geçişi ve mekanik dayanıklılık arasında uzun süredir devam eden bir denge vardır; şeffaf seramikler veya optik nanokompozitler gibi yeni malzemeler daha iyi performans sağlayabilir. ⓘ

Kılavuzlu ışık dalgası iletimi, fiber optik alanını ve bazı camların aynı anda ve düşük yoğunluk kaybıyla, aralarında çok az parazit olan bir dizi frekansı (çok modlu optik dalga kılavuzları) iletme yeteneğini içerir. Optik dalga kılavuzları, entegre optik devrelerde bileşen olarak veya optik iletişim sistemlerinde iletim ortamı olarak kullanılır. ⓘ

Opto-elektronik

Bir güneş pili veya fotovoltaik hücre, ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Temel olarak, cihazın yalnızca iki işlevi yerine getirmesi gerekir: ışık emici bir malzemede yük taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) foto-üretimi ve yük taşıyıcılarının elektriği iletecek iletken bir kontağa ayrılması (basitçe söylemek gerekirse, elektronları metal bir kontaktan harici bir devreye taşımak). Bu dönüşüm fotoelektrik etki olarak adlandırılır ve güneş pilleriyle ilgili araştırma alanı fotovoltaik olarak bilinir. ⓘ

Güneş pillerinin birçok uygulaması vardır. Uzak alan güç sistemleri, Dünya yörüngesindeki uydular ve uzay sondaları, el hesap makineleri, kol saatleri, uzaktan telsiz telefonlar ve su pompalama uygulamaları gibi şebekeden elektrik gücünün kullanılamadığı durumlarda uzun süredir kullanılmaktadırlar. Daha yakın zamanlarda, bir invertör aracılığıyla elektrik şebekesine bağlanan güneş modülleri (fotovoltaik diziler) montajlarında kullanılmaya başlanmıştır, yani tek bir kaynak olarak değil, ek bir elektrik kaynağı olarak hareket etmek için. ⓘ

Tüm güneş pilleri, fotonları emmek ve fotovoltaik etki yoluyla elektron üretmek için hücre yapısı içinde bulunan ışık emici bir malzemeye ihtiyaç duyar. Güneş pillerinde kullanılan malzemeler, dünya yüzeyine ulaşan güneş ışığının dalga boylarını tercihen emme özelliğine sahip olma eğilimindedir. Bazı güneş pilleri, Dünya atmosferinin ötesinde de ışık emilimi için optimize edilmiştir. ⓘ

Katıların Genel Özellikleri

Erime noktası

Her katının bir erime noktası bulunur. Bir katıya ısı verildiğinde katının yapısındaki atomlar, iyonlar ya da moleküller daha şiddetli titreşirler. Sonunda bu titreşimlerin kristal yapısını bozacağı bir sıcaklığa ulaşılır; atomlar, iyonlar ya da moleküller birbirinin üzerinden kayar; katı belli biçimini kaybeder ve sıvıya dönüşür. Bu olaya erime ve bu olayın gerçekleştiği noktadaki sıcaklığa erime noktası denir. Erime noktası ile madde miktarının bir ilgisi yoktur. ⓘ

"X" katısının erimesi ve donması için gereken sıcaklık aynıdır. Su 0 °C'de donup, 0 °C'de erir. ⓘ

Erime ve donma noktası üzerine basıncın etkisi vardır. Normal erime noktasından söz edilirken, basınç Atmosfer olarak kabul edilir. Erime noktası, saf maddeler için karakteristik fiziksel bir sabittir. ⓘ

Bazı hallerde erimiş madde, donma noktasına kadar soğuduğu halde donmaz. İşte bu duruma aşırı soğuma ve donmada gecikme denir. Bu haldeki sıvıya kendi cinsinden küçük bir katı billur atılırsa sıvı maddenin birdenbire donduğu görülür. Buna aşı billuru (kristali) denir. Erime noktası en düşük olan metal -38,83 °C ile Cıva (Hg)'dır. En yüksek erime noktasına sahip metal ise de Tungsten veya diğer adıyla Volfram (W)'dır. Erime noktası 3412 °C'dir. Ampullerde kullanılır. ⓘ

Katı halden gaz hale geçiş

Katı halden gaz hale geçiş veya süblimleşme katı maddenin sıvı hale geçmeden direkt olarak maddenin gaz hale geçmesidir. Bu olayın tersine kırağılaşma denir. Gereken buharlaşma basıncına belli bir sıcaklıkta sahip olan bütün katılar genellikle süblimleşebilir. Karbon, arsenik gibi bazı maddelerin üçlü noktalarının yüksek olması dolayısıyla süblimleşmesi, eriyip buharlaşmasından daha kolaydır. ⓘ

Kristal katılar

Gördüğünüz tüm katıların en az %90'ı kristal katılar grubuna girer. Atomların, iyonların veya moleküllerin belli bir geometrik kalıba göre istiflenmesiyle oluşan katılara kristal katı denir. Kristal katıların yapı, erime noktası, yoğunluk, sertlik gibi fiziksel özellikleri bu katıları meydana getiren atom, iyon ve molekülleri bir arada tutan çekim kuvvetlerine bağlıdır. ⓘ

Kristal katılar, tanecikler arası çekim kuvvetlerine göre iyonik, moleküler, kovalent, metalik olarak sınıflandırılır. ⓘ