Materiálový výzkum

Základní členění, vlastnosti a použití v běžném životě…

Vesmír je tvořen rozličnými formami hmoty, z nichž nejlépe prozkoumána je forma látek.
Látky mohou nabývat rovněž různých forem, resp. skupenství anebo fází. Každá látka je popisována svými vlastnostmi, kromě skupenství také tvarem, hmotností, energií, elektrickým nábojem atd.

Látky rozlišujeme obecně na:
Homogenní (surové, stejnorodé) u kterých se vlastnosti (např. barva, hustota, teplota) v celém tělese nemění.
Heterogenní (různorodé, nestejnorodé), které jsou složené z fyzikálních tělísek různých vlastností.
Izotropní, které mají v každém směru stejné určité vlastnosti.
Látky, které nejsou izotropní, se označují jako.

Z hlediska poznatků moderní fyziky je látka, tvořená atomy (molekulami, ionty), jen jednou z forem hmoty.

Molekula je částice složená z atomů nebo iontů. Je to vícejaderná částice (obsahuje více než jedno jádro atomu), která je buď elektricky neutrální, nebo má kladný (molekulové kationty) či záporný náboj (molekulové anionty).

Surovina je pojem, který označuje surovou hmotu. Jedná se obvykle o dosud nijak nezpracovanou matrici materiálu, která se nachází v původním přírodním stavu i tvaru a jež slouží jako hmotná látka vstupující do výrobního technologického procesu. Ze suroviny se obvykle vyrábí polotovar a z polotovaru výrobek.

Strukturální dělení materiálů:
Amorfní (sklo, plasty)
Polykrystalické (keramika, kovy)
Částečně krystalické (plasty)

Kovové materiály lze charakterizovat jako vysoké moduly pružnosti, možnost zpevnění legováním a tepelným zpracováním. Houževnaté a dobře tvářitelné, mají dobrou tepelnou a elektrickou vodivost. Mají menší odolnost proti korozi.

 

Keramika je anorganický nekovový materiál, složený z nesměrové iontové nebo kovalentní vazby, který se obvykle tvoří při vyšších teplotách. Třída biokompatibilní keramiky se skládá převážně z krystalických materiálů, jako je oxid hlinitý, fosforečnan vápenatý a bioaktivní skla a sklokeramika. Keramika je velmi tvrdá a odolnější vůči odbourávání v mnoha prostředích než kovy. Nicméně, je poměrně křehká vzhledem k povaze iontových vazeb. Podobnost keramiky a kostí dělá keramiku, často využívanou jako součást ortopedických implantátů nebo dentálních materiálů. Biokompatibilní keramika je používána v souladu s lidskou kostrou, kostmi, klouby a zuby. V zubním lékařství slouží keramické materiály jako náhrada zubů. Vzhledem k vysoké pevnosti se keramiky používají jako nosné koule v umělém kloubu nebo jako kostní vodivé povlaky na bázi kovových implantátů.

Nejčastěji používané keramické materiály v biomedicínských aplikacích:
Oxid hlinitý se využívá pro ortopedické kloubní náhrady, ortopedické nosné implantáty, povrchovou úpravu implantátů a zubních implantátů.
Oxid zirkoničitý se používá k výrobě ortopedických kloubních náhrad a zubních implantátů.
Fosforečnan vápenatý je hojně využíván pro povrchovou úpravu ortopedických a zubních implantátů, zubních materiálů a kostních štěpů.
Bioaktivní sklo slouží pro povrchovou úpravu ortopedických a zubních implantátů, lícních rekonstrukčních materiálů, kostních štěpů atd.

Keramické a skleněné materiály mají vysoké moduly pružnosti, jsou však velmi křehké.  Vyznačují se vysokou tuhostí, tvrdostí, odolností proti opotřebení a lze je využít i při vysokých teplotách. Mají výbornou korozní odolnost.

Plasty mají nízké moduly pružnosti. Jsou poměrně pevné a lehké. Jejich vlastnosti však silně závisí na teplotě. Velmi dobře se tvarují, jsou odolné proti korozi a mají nízký koeficient tření.

Pod pojmem kompozitní materiály rozumíme heterogenní materiály složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Pro kompozitní materiály je dále charakteristické, že se vyrábějí mechanickým mísením jednotlivých složek. Tím se liší např. od slitin, které jsou rovněž heterogenní. Kompozitní materiály spojují vlastnosti materiálů, které je tvoří. Získáme tak sice drahé, ale vynikající materiály s užitnými vlastnostmi.

Dělní kompozitních materiálů

Polovodičové materiály jsou specifickou skupinou látek, které se chovají za nízkých teplot jako izolanty, v oblasti vyšších teplot se chovají jako vodivé materiály. Rozmach polovodičů byl zahájen ve 40. letech 20. století a převrat v používání polovodičů nastal v roce 1948, kdy byl objeven první hrotový tranzistor. Polovodičové materiály mají širokou oblast využití, neboť elektrickou vodivost lze reprodukovatelně ovlivňovat ve velkém rozsahu malým množstvím příměsí.

Dělení polovodičových materiálů z hlediska technických aplikací:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K nejpoužívanějším polovodičům při výrobě elektronických součástek patří arsenid galia germanium a křemík. Právě posledně jmenovaný křemík se stal základním prvkem při výrobě integrovaných obvodů pro své optimální vlastnosti, jednoduchou strukturu a dostupnost.

Polovodičové materiály :
Křemík Si
Germanium Ge
Slitiny Si a Ge
Arsenid galia GaAs
Heterosloučeniny (soustavy sloučenin InAs, GaSb, AlSb…

Nanomateriály mají jeden rozměr menší než 100 nm, zatímco nano-objekty mají dva rozměry menší než 100 nm (například uhlíkaté nanotrubičky) a nanočástice jsou definovány jako částice se třemi rozměry menší než 100 nm.

U počátku nanotechnologie stál Richard Feynman. Ve své přednášce „There’s Plenty of Room at the Bottom (Tam dole je spousta místa)“ se v roce 1959 zeptal „Proč ještě neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazků Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavičku?“ V přednášce zmínil možnost manipulace s molekulami a atomy. Na jeho počest je každoročně udělovaná Feynmanova cena za přínos v oboru nanotechnologie.
Eric Drexler v roce 1986, založil Drexler Foresight Institute, první středisko zaměřující se na teoretický výzkum možnosti nanotechnologie. Téhož roku rovněž vyšla jeho slavná kniha Stroje stvoření, první velká práce o nanotechnologii, která s tímto oborem budoucnosti seznámila široké publikum zájemců o vědu a technologie budoucnosti.

Nanokompozit se skládá ze dvou chemicky různých složek, z nichž alespoň jedna se v materiálu vyskytuje ve formě částic o velikostech jednotek až desítek nanometrů. Většinou se jedná o nanočástice aktivní látky (tj. látky se zajímavými magnetickými, elektrickými a jinými vlastnostmi) rovnoměrně rozptýlené v interní matrici. Příklad polymerní matrice je polypropylen, polyethylen, polystyren. Příklady nanoplniv jsou jílové minerály, především montmorillonit. Vermikulit a sepiolit jsou další typy jílových minerálů používaných jako nanoplniva.

Nanokeramické materiály
Tenké nebo tlusté vrstvy s kontrolou pórovitosti nebo velikost zrn vykazující zajímavé tepelné nebo elektrické chování s mnoha využitelnými optickými a mechanickými vlastnostmi. Znalosti v technologii keramiky umožňují použití anorganických prášků v high-tech oblastech jako je podávání léků, datové skladování a senzory.