محاضرات وكورسات يعتبر علم وهندسة المواد ذو تأثير هام علي التحديات الكبيرة التي تواجهنا في المجتمع، لذا فهو يتطرق إلى مجالات عديدة مثل: البيئة والتغير المناخي، الطاقة المتجددة والمستدامة، الفضاء والنقل الجوي، تكنولوجيا الاتصالات والمعلومات، الصناعات المتطورة، التكنولوجيا الحيوية، الرعاية الصحية.
ما هو علم وهندسة المواد؟
يُعتبر علم وهندسة المواد تخصص متداخل من العلوم حيث يهتم بدراسة كل أنواع المواد بدءاً من التي نراها ونستخدمها كل يوم في حياتنا اليومية مثل الأدوات الموجودة بالمنزل أو المعدات الرياضية، إلى تلك التي تُستخدم في الأغراض الطبية أو الصناعية وغيرها.
دور علماء ومهندسي المواد
يكمن دور علماء ومهندسي المواد في فهم آلية عمل المواد، ويؤهلهم هذا تدريجياً إلى صنع أنواع جديدة من المواد بغرض استخدامها في التطبيقات المختلفة، كما يمكنهم من تطوير الأنواع الموجودة حالياً بهدف تحسين أدائها.
وباتوا قادرين على التحكم في البنية الداخلية للمواد على المستوى الذري والمستويات الأعلى منه، وبذلك استطاعوا التحكم في خواص المواد (مثل: الصلابة) حتى تصبح مناسبة لاستخدامها في التطبيقات المختلفة مما يساهم بشكل جذري في تطور ونمو علم هندسة المواد.
تصنيف المواد
(1) المعادن
هي تلك المواد التي تتميز بتوصيلية عالية للحرارة والكهرباء، ورغم صلابتها إلا أنها قابلة للتشكيل إذا تعرضت لضغط ميكانيكي كافٍ، تتميز أيضاً بأنها مواد معتمة غير شفافة، ترتبط ذرات المعادن ببعضها عن طريق الروابط الفلزية القوية، وروابط فان دار فال الضعيفة.
وبالرغم من أن المعادن تتميز بالصلابة، لكن استخدام المعدن في صورته النقية لن يفيدنا في الكثير من التطبيقات المختلفة؛ من هنا، يأتي دور السبائك، وهي عبارة عن خليط من معدنين أو أكثر بغرض تحسين الجودة والصفات مثل سبائك الألومنيوم، والصلب والذهب.
المجال التطبيقي: تستخدم سبائك التيتانيوم بكثرة في المجال الطبي، وذلك بسبب أن معامل مرونتها قريب لذاك الخاص بالعظام. كما تهتم كثير من الأبحاث حاليا بالمعادن القابلة للامتصاص الحيوي، والتي يمكن امتصاصها أو إخراجها من الجسم بعد أداء وظيفتها.
اقرأ أيضاً: أكبر تجميعة كورسات فيزياء مجانية اون لاين
Image by Petermaerki from Wikimedia(2) السيراميك
وهي مركبات غير عضوية وغالباً ما يكون تركيبها الكيميائي عبارة عن : اتحاد المعدن مع الأكسجين (لتكوين أكاسيد)، أو مع الكربون (لتكوين كربيدات)، أو مع النيتروجين (لتكوين نيتريدات)، أو مع السيليكون (لتكوين سيليكات).
عادةً ما تكون هذه المواد متبلورة في بعض الأجزاء، وغير متبلورة في أجزاء أخرى، ذرات هذه المواد تكون عبارة عن أيونات موجبة وأخرى سالبة، ترتبط هذه الأيونات ببعضها بارتباط كهربي قوي. تتميز بأنها عالية الصلادة والمتانة تحت الضغط، وقابليتها منخفضة للسحب والتشكيل. ويمكن القول بأنها مواد عازلة للحرارة والكهرباء مثل: الزجاج والبورسلين.
المجال التطبيقي: نتيجة لعدم تحلل المواد السيراميكية داخل الجسم البشري، فإن هذا يجعلها مثالية في عمليات زراعة مواد طبية معينة داخل جسم الانسان، أشهر هذه المواد هي: تيتانات زركونات الرصاص.
(3) البوليمرات
هناك نوعان من البوليمرات (اللدائن)، النوع الأول هو اللدائن الحرارية التي تنصهر بالحرارة وتتجمد بالبرودة، مثل: (نايلون، بولي ايثيلين، بولي فينيل كلوريد، المطاط وغيره ). وهذا النوع يتكون من جزيئات كثيرة،ترتبط ببعضها عن طريق روابط فان دار فال الضعيفة، ولكن بداخل كل جزئ بمفرده ترتبط ذراته بالروابط التساهمية.
أما النوع الثاني من البوليمرات فهو اللدائن الصلبة بالحرارة، وهي التي تتحول لحالة أشد صلابة من حالتها الأولى عن طريق تعريضها للطاقة (سواء الحرارية أو غيرها)، وروابطها من النوع التساهمي، وتتكون من عنصري الكربون والهيدروجين وعناصر غير فلزية أخرى.
تعتبر البوليمرات بصورة عامة بكونها غير بلورية الشكل (فيما عدا القليل من النوع الأول فلها شكل بلوري). ويمكنها اعتبارها أيضاً بأنها غير موصلة للحرارة والكهرباء، ولكن يمكن الحصول على بعض البوليمرات الموصلة في حال أضفنا اليها كميات قليلة من عناصر معينة وهو ما يعرف بتطعيم المواد البوليمرية.
المجال التطبيقي: توجد استخدامات حديثة للبوليمرات في المجال الطبي من خلال تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. حيث يتم استخدام بوليمرات مثل (Acrylonitrile Butadiene Styrene) وحمض بولي لاكتيك في هذه الطباعة.
Image by D1_TheOne from Pixabay(4) المواد المركبة
يمكن القول عنها بأنها مواد متعددة الأطوار، يتم الحصول عليها عن طريق المزج الصناعي بين عدة مواد مختلفة بغرض الحصول على خصائص مميزة لا تمتلكها المواد الداخلة في تركيبها. من أمثلة هذه المواد: أقراص الفرامل الخفيفة الوزن، والتي يمكن الحصول عليها عن طريق دمج جزيئات كربيد السيليكون (SiC) داخل سبائك الألومنيوم، كما يوجد أيضا أمثلة طبيعية على المواد المركبة، موجودة في الطبيعة مثل الخشب.
بشكل عام، فإن تصنيف المواد المركبة هذه يعتمد على طبيعة المواد المتداخلة بها. ويمكن تقسيم المواد المركبة إلى أقسام رئيسية وهي : مواد مركبة ذات نسيج فلزي، وأخرى ذات أنسجة من البوليمر، وأخرى ذات طابع سيراميكي.
المجال التطبيقي: حيث أن معظم الأنسجة داخل الجسم البشري مثل : الجلد، والعظام، والعضلات، والأسنان تعتبر بطبيعتها مواد مركبة. لذا فيمكن استبدالها في حالة التلف، بمواد مركبة صناعية مثل تلك التي تتكون من كلا من البوليمرات والمعدن معاً، حيث تكون خفيفة الوزن وذات مرونة تسمح لها بأداء وظائف الأنسجة الطبيعية في جسم الانسان التي أصابها التلف.
(5) أشباه الموصلات
هي مواد ذات روابط تساهمية، تتميز بصغر المسافة بين مستوى التكافؤ (وهو أعلى مستوى طاقة ممتلئ بالالكترونات) ومستوى التوصيل (وهو مستوى الطاقة الذي يليه والفارغ من الالكترونات).
نتيجة لصغر المسافة بين هذين المستويين، فهذا يسمح لبعض إلكترونات التكافؤ من أن تنتقل من مستوى التكافؤ إلى مستوى التوصيل عند تعرض الذرة لأي قدر معين من الطاقة، سواء كانت هذه الطاقة حرارية أو ضوئية أو أي شكل آخر.
تتميز أشباه الموصلات بأن خصائصها الكهربية تعتمد بشدة على النسب الضئيلة من المواد الخارجية التي تُطعم بها، لذا غالباً ما يتم تطعيمها بجزيئات من مواد أخرى لزيادة توصيليتها الكهربية. عادةً ما تكون على شكل بلورات منفردة بدون فراغات أو تشوهات، لأن هذه الفراغات قد تؤدي إلى نقص توصيليتها الكهربية.
تعتبر هذه المواد معتمة في حالة الضوء المرئي، وشفافة بالنسبة للأشعة تحت الحمراء. من أمثلة أشباه الموصلات: السيليكون (Si)، الجرمانيوم (Ge)، أرسينيد الجاليوم (GaAs).
المجال التطبيقي: تدخل في صناعة الترانزستور وكثير من الأجهزة الالكترونية مثل الحواسيب ، وفي مجال تكنولوجيا المعلومات مثل تخزين المعلومات الثنائية.
Image by brookhaven from Pixabay(6) المواد الحيوية
تشمل هذه المواد أي مادة يمكن إستخدامها، بغرض استبدال أجزاء تالفة من الجسم البشري ، لتحل محله هذه المواد. المتطلبات الأولية لهذه المواد تتلخص في قدرتها على كونها متوافقة ومتلائمة حيوياً مع أنسجة الجسم، ويجب ألا ينتج عنها أي مواد سامة.
هناك عوامل هامة أيضاً يجب الانتباه لها عند اختيار هذه المواد، وهي: أن تكون مواد قوية وداعمة للجسم، قليلة الاحتكاك، ذات كثافة منخفضة، ومنخفضة التكاليف أيضاً. ويجب أن تكون مواد صالحة وقابلة للاستبدال. من أمثلة هذه المواد: الصلب الغير قابل للصدأ، البولي ايثيلين ذو الوزن الجزيئي العالي، وأكسيد الألومنيوم الذي يتميز بدرجة نقاء عالية.
المجال التطبيقي: من التطبيقات النموذجية لهذه المواد: صمامات القلب، مفاصل الفخذ، تركيبات خاصة بزراعة الأسنان، وزراعة العدسات داخل العين.
- المصادر : 1 – 2 – 3 – 4 –
- كتابة وترجمة: Azza Saeed
- مراجعة وتدقيق: Sukaina M Fayad
- مراجعة وتدقيق نهائي: Osama Mustafa