تعريف علم المواد هو دراسة خواص المواد وكيف يتم تحديد تلك الخصائص من خلال تكوين وهيكل المواد، لقد نشأ عن مزيج من الفيزياء والكيمياء نظرًا لأن التنوع الغني في خصائص المواد لا يمكن فهمه في سياق أي تخصص كلاسيكي واحد.
تعريف علم المواد
علم المواد هو جزء من الهندسة التي تتضمن اكتشاف وتصميم مواد جديدة وتحليل خصائصها وهيكلها، يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعلومات لعمل اختيارات التصميم.
يمكننا أيضًا استخدام معرفتنا لتفكيك المواد وإعادة تجميعها بطرق إبداعية على سبيل المثال النايلون مصنوع من النفط.
علوم وتكنولوجيا المواد
علم المواد مهم لتطوير التكنولوجيا وكان أو آلاف السنين، المواد المختلفة لها نقاط القوة والضعف المختلفة وهي أفضل لأغراض مختلفة.
نظرًا لأن التكنولوجيا هي عملية استخدام معرفتنا العلمية لإنشاء أجهزة وكائنات تفيد البشر فإن فهم المواد يعد خطوة مهمة في هذه العملية.
كلما فهمت المواد التي تختارها أكثر كلما كانت اختياراتك أفضل، يمكن أن تكون المواد المدروسة في علم المواد أي شيء من مواد بسيطة مثل الخشب إلى مواد حديثة من صنع الإنسان مثل البلاستيك إلى أحدث المواد التي تنطوي على تقنية النانو والتكنولوجيا الحيوية.
علم المواد والطاقة
يستخدم المجتمع المتقدم صناعيا الطاقة والمواد بكميات كبيرة، يعتمد النقل والتدفئة والتبريد والعمليات الصناعية والاتصالات في الواقع كل الخصائص الفيزيائية للحياة الحديثة على تدفق وتحويل الطاقة والمواد من خلال النظام التقني والاقتصادي.
هذان التدفقان متشابكان بشكل لا ينفصل ويشكلان شريان الحياة للمجتمع الصناعي، العلاقة بين علم المواد واستخدام الطاقة منتشرة ومعقدة.
في كل مرحلة من مراحل إنتاج الطاقة وتوزيعها وتحويلها واستخدامها تلعب المواد دورًا أساسيًا وغالبًا ما تكون هناك حاجة لخصائص المواد الخاصة.
يتيح النمو الملحوظ في فهم خواص وهياكل المواد إمكانية تطوير مواد جديدة وكذلك تحسينات قديمة على أساس علمي مما يساهم في زيادة الكفاءة وخفض التكاليف.
امثلة على تطبيقات الطاقة في علم المواد
وحدات الطاقة الشمسية
أنظمة الطاقة الضوئية هي بديل جذاب للوقود الأحفوري أو النووي لتوليدالكهرباء، ضوء الشمس مجاني ولا يستخدم مصدرًا لا يمكن الاستغناء عنه وتحويله إلى الكهرباء أمر غير ملوث.
يتم الآن استخدام الألواح الكهروضوئية حيث تكون خطوط الطاقة من شبكات المرافق إما غير ممكنة أو غير موجودة كما هو الحال في الفضاء الخارجي أو المواقع البعيدة الغير الحضرية.
المواد ذات درجة الحرارة العالية
من أجل الاستفادة من الوقود يجب أولاً حرقه حتى يتم رفع بعض السوائل (عادةً البخار) درجات الحرارة
تشير الديناميكا الحرارية إلى أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة زادت كفاءة تحويل الحرارة إلى عمل لذلك فإن تطوير مواد غرف الاحتراق والمكابس والصمامات والدوارات وشفرات التوربينات التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى من أي وقت مضى أمر بالغ الأهمية.
الأولكان للمحركات البخارية كفاءة أقل من 1 في المائة بينما كانت المحركات البخارية حديثة تحقق التوربينات البخارية كفاءة بنسبة 35٪ أو أكثر.
يأتي جزء من هذا التحسين من التصميم المحسّن ودقة تشغيل المعادن ولكن جزءًا كبيرًا هو نتيجة استخدام مواد محسّنة بدرجة حرارة عالية وهذا ما يربط بين علم المواد والطاقة.
تحسين مواد النقل البري
يوفر الجهد العالمي لتحسين كفاءة مركبات النقل البري مثل السيارات والحافلات والشاحنات والقطارات وبالتالي تقليل الكميات الهائلة من الملوثات التي تنبعث منها وهذا يعتبر سياقًا ممتازًا لتوضيح كيفية عمل علوم المواد لتطوير جديدة أو مواد أفضل استجابة للاحتياجات الإنسانية الحرجة.
المراجع
