Ero sivun ”Materiaalitiede” versioiden välillä

 

Katso myös [[Materiaalitekniikka]]

 

Alan laajuuden vuoksi tutkimus ja opetus on kuitenkin jakautunut moniksi suppeammiksi suuntauksiksi. Elektroniikan materiaalit käsitteen alla tutkitaan esimerkiksi piikiteiden ja galliumnitridikalvojen kasvatusta, komponenttien toimintaperiaatteita, valmistusta ja luotettavuutta. Biomateriaalitiede tutkii sekä elävää materiaa (kuten solukalvojen tai DNA:n mekaanisia ominaisuuksia), biologista alkuperää olevia materiaaleja (puukuituja ja muita biopolymeerjä), biomimeettisiä materiaaleja (synteettisiä materiaaleja jotka on valmistettu matkien joko biologisia prosesseja tai rakenteita), ja lääketieteellisiä implantteja (tekoniveliä, keinotekoisia sydänläppiä, hammaspaikkoja). [[Metallurgia]] tutkii metallien jalostamiseen liittyviä prosesseja ja metallien ja metalliseosten ominaisuuksia. Metallurgian alalajeja ovat esimerkiksi pyrometallurgia, hydrometallurgia ja jauhemetallurgia.

 

Materiaalitiede tutkii aineen fysikaalista rakennetta mm. röntgendiffraktiolla (kiteisyys ja amorfisuus), elektronimikrokopioilla (kidevirheet, kiteisyys, raerajat, erkaumat) ja atomivoimamikroskoopeilla (pinnan rakenne). Kemiallista koostumusta tutkitaan erilaisilla optisilla ja spektroskooppisilla menetelmillä (kuten atomiabsorptio, röntgenfluoresenssi ja massaspektrometria). Sähköisistä ominaisuuksista tärkeimpiä ovat johtavuus (resistiivisyys), dielektrisyysvakio, energiavyöt, tai suprajohtavuus. Optisista ominaisuuksista mielenkiintoisia ovat mm. transmissio, absorptio, heijastavuus, tai kahtaistaittavuus. Materiaalitiede kattaa myös aineen termiset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti, faasimuutoslämpötilat), magneettiset ominaisuudet (paramagneettisuus, ferromagneettisuus, diamagneettisuus), ja mekaaniset ominaisuudet (puristuslujuus, kimmokerroin, kovuus). Mekaanisia ominaisuuksia tutkitaan erilaisilla veto-, puristus- ja taivutuskokeilla.

 

Nanomittakaavassa monet aineen ominaisuudet muuttuvat merkittävästi. Jos metallin kiteet ovat nanometrin kokoluokkaa, aineen mekaaniset ominaisuudet usein paranevat, mm. lujuuus kasvaa, mutta sähkönjohtavuus heikkenee. Jos metalli muodostuu muutamien satojen tai tuhansien atomien klustereista, näillä on vain joitakin makroskooppisen materiaalin ominaisuuksia, ja esimerkiksi kultaklustereiden sulamispiste on vain muutamia satoja asteita, kun kullan normaali sulamispiste on yli 1000 astetta. Hiilellä on useita allotroppisia muotoja, kuten fullereenit, nanoputket ja grafeeni, ja niiden poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten erittäin suurta sähkön ja lämmönjohtavuutta ja mekaanista lujuutta, tutkitaan lukuisiin sovelluksiin.

 

Ohutkalvot ovat muutamasta atomikerroksesta muutamaan mikrometriin paksuisia kalvoja. Niiden ominaisuudet ovat vahvasti kalvon paksuudesta riippuvaisia: mm. resistiivisyys, dielektrisyysvakio ja taitekerroin ovat voimakkaasti paksuuden funktiota. Koska tarvittavat ainemäärät mikrometrin tai nanometrin paksuisissa kalvoissa ovat erittäin pienet, ei kalliiden tai harvinaisten materiaalien (kuten kulta, iridium tai timantti) käyttö ole hintakysymys. [[Ohutkalvon kasvatus]] tapahtuu joko fysikaalisilla tai kemiallisilla menetelmillä joko tyhjössä tai nestefaasissa. Höyrystyksessä kuumasta metallista irtoaa atomeja jotka kulkeutuvat tyhjössä pinnoitettavan aineen päälle. Plasmamenetelmissä energeettisten atomien törmäykset irrottavat kohtiosta atomeja jotka kulkeutuvat tyhjössä pinnalle kondensoituen siellä kalvoksi. Höyrystys ja plasmamenetelmät tunnetaan yhteisesti fysikaalisina kasvatusmenetelminä (PVD, Physical Vapor Deposition). Kemiallisessa kaasufaasikasvatuksessa (CVD, Chemical Vapor Deposition) kuumat kaasut reagoivat aineen pinnalla muodostaen kalvoa. Atomikerroskasvatuksessa (ALD, Atomic Layer Deposition) käytetään myös kemiallisia pintareaktiota, mutta pulssitettuna, jolloin kalvon paksuus saadaan helposti atomikerroksen paksuudesta ja pulssien lukumäärästä. Ohutkalvoja käytetään mikroelektroniikassa sähköjohtoina ja eristeinä; optiikassa heijastuksenestokerroksina, kemiassa katalyytteinä, ja konepajatekniikassa kulutusta kestävinä pinnoitteina.

 

[[Komposiitti]]materiaalit ovat kahden erilaisen aineen yhdistelmiä. Komposiitissa molemmat ainesosat säilyvät erillisinä myös lopputuotteessa, toisin kuin seoksissa, joissa aineet sekoittuvat atomitasolla (kuten hiili rautaan teräksessä). Kansanomainen ”lasikuitu” on komposiittimateriaali, jossa epoksihartsia on vahvistettu lasikuiduilla. Uusien lentokoneiden kevyt mutta luja rakennusmateriaali on samantapaista komposiittia, mutta epoksia on vahvistettu hiilikuiduilla. Staattiselta sähköltä suojautumisessa käytettävä sähköäjohtava kumi on komposiitti jossa kumiin on sekoitettu hiilipölyä, joka tekee materiaalista johtavaa.

 

 

Materiaalitiedettä voi opiskella Aalto-yliopiston Kemiantekniikan korkeakoulussa (http://chem.aalto.fi/fi/for/prospective/). Materiaalitekniikan laitoksella tutkitaan mm. ohutkalvoja ja mikro- ja nanomateriaaleja, magneettisia materiaaleja, materiaalien kierrätystä, metallurgiaa, korroosiota ja komposiittimateriaaleja. Kemian laitoksella tutkitaan materiaaleja mm. energiatekniikan sovelluksiin (polttokennoihin, akkuihin, superkondensaattoreihin). Polymeeriteknologian laboratoriossa tutkitaan mm. polymeerejä lääke- ja solukasvatussovellutuksiin. Puunjalostustekniikan laitoksella tutkitaan mm. nanoselluloosaa ja puun soluseinän rakennetta.

 

Helsingin yliopiston kemian laitoksella on laaja materiaalikemian tutkimus, mm. atomikerroskasvatus (ALD). HY:n fysiikan laitoksella tutkitaan materiaalifysiikkaa laajasti sekä laskennallisesti että kokeellisesti, mm. säteilyn vuorovaikutusta aineen kanssa, nanomateriaaleja, biomateriaaleja, sekä kehitetään röntgentutkimus- ja ionisuihkumenetelmiä aineen rakenteen tutkimiseksi.