مهندسی و علم مواد
دکتر مهران صولتی هشجین
عضو هیأت علمی پژوهشگاه مواد و انرژی
در دو دهه گذشته، جهان شاهد پیدایش تقریباً همزمان سه فنآوری عمده بوده است. این سه فنآوری از جهت تقسیم بین‌المللی کار، سرمایه‌گذاری خارجی، امکانات تحقیق و توسعه، اتحاد راهبردی بین‌شرکتها، الگوهای داد و ستد منطقه‌ای و فرامنطقه‌ای و اشغال پیامدهای گسترده‌ای دارند. در حال حاضر درباره فنآوری اطلاعات و فنآوری زیستی بسیار گفت و گو می‌شود، اما انقلابی که به طور همزمان در رشته مواد صورت گرفته، کمتر شناخته شده است. با ورود به قرن بیست‌و یکم، مواد جدید و پیشرفته خواه ناخواه به عناصر قطعی و تعیین کننده‌ای در رقابت بین‌شرکتها و صنایع کشورها در بازار جهانی تبدیل شده‌اند. از این مواد، اکنون برای حل مسائل حاد در زمینه‌های انرژی، حمل و نقل، محیط زیست و پزشکی کمک گرفته می‌شود. اکنون تقریباً همگان پذیرفته اند که ادامه توسعه صنایع پیشرو، نظیر کامپیوتر و ارتباطات، هوا- فضا، حمل و نقل زمینی، تحقیقات در ژرفای اقانوسها، بسته‌بندی و ساختمان تقریباً به طور کامل در گرو راه‌حلهایی است که ضمن ارائه عملکردهای فنی مورد نظر، از نظر محیط زیست نیز مطلوب باشد. به نظر می‌رسد که این راه حلها فقط از طریق پیشرفتهای مهندسی و علم مواد امکان‌پذیر باشد. در این مقاله، به طور خلاصه به مهم ترین تحولات مهندسی وعلم مواد و تأثیر حضور مواد پیشرفته بر فنآوری‌های جدید اشاره شده است.
واژگان کلیدی: علم مواد، مهندسی، فنآوری، مواد پیشرفته
مقدمه:
در حال حاضر، دانشمندان، پژوهشگران و مهندسان علم مواد به آن پایه از شناخت مبانی مواد پیشرفته دست یافته اند که قادرند زیر ساختارهای اتمی و مولکولی ماده، روشهای فرآوری و ساخت مواد جدید و خواص و کاربردهای نهایی آنها را به دلخواه خود کنترل کنند. این بدان معنی است که به جز اصلاح ویژگیهای مواد سنتی موجود و بهبود عملکردهای آنها، می‌توان مواد جدیدی خلق کرد که با ارائه خواص متفاوت و نوظهور بتوانند پاسخگوی شرایط کاری جدید و دشوار باشند.برای نیل به این هدف، پژوهشگران می‌توانند کار را از مجموعه ویژگیهای مورد نظر شروع کنند و مسیر معکوسی را تا طراحی و ساخت ماده مناسب دنبال کنند. در عین‌حال این امکان نیز وجود دارد که براساس شناخت بنیادین ویژگیهای ماده در مقیاس اتمی و بلوری، مواد کاملاً جدید باخصوصیات و کاربردهای بالفوه نامحدود ساخته شود.این شناخت روز افزون، حوزه‌های جدیدی از تحقیق و نوآوری را ایجاد کرده است که به نوبه خود موجب پیشرفتهای حیرت‌آور در زمینه‌های پزشکی، داروسازی، کشاورزی، معدن، مهندسی ژنتیک، انرژی و محیط زیست شده است.
منشأ تاریخی انقلاب علم مواد
آگاهی و دانشی که در نتیجه فیزیک کوانتوم در سالهای اولیه قرن بیستم به دست آ‚د، تا حد زیادی شناخت دانشمندان را از ارتباط بین ساختار وخواص مواد افزایش داد. در دهه های بعد، از تلفیق آگاهیهای علمی و تکنیکهای جدید، روشهای مؤثرتری برای تجزیه، سنتز و فرآوری مواد فراهم آمد و بدین‌ترتیب مواد، پیشرفته وارد رشته های مختلف علم و فنآوری از جمله انرژی هسته‌ای، الکترونیک و هوا- فضا شد.
در حال حاضر، دانشمندان، پژوهشگران و مهندسان علم مواد به آن پایه از شناخت مبانی مواد پیشرفته دست یافته اند که قادرند زیر ساختارهای اتمی و مولکووووولی ماده، روشهای فرآوری و ساخت مواد جدید و خواص و کاربردهای نهایی آنها را به دلخواه خود کنترل کنند.
در دهه‌های پایانی قرن بیستم، امکان بهره‌گیری کامل‌تر ازدانش‌کوانتوم حاصل شد. از آغاز دهه 1980 ساخت ابزارهای قدرتمند جدید مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی تونلری ( Scanning Tunneling Electron Microscope ) به پژوهشگران این امکان را داده است که دید عمیق‌تری نسبت به ساختار الکترونی و اتمی و مولکولی ماده پیدا کنند. بعلاوه، افزایش ظرفیت و قدرت رایانه‌ها و استفاده از ابر رایانه‌های ( Super Computers ) دارای سرعتهای پردازش فوق‌العاده زیاد، این امکان را فراهم آورده است که برای رفتارهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مواد ساده و کامپیوزیت، الگوها و مدلهای ریاضی طراحی کنند. پژوهشگران رشته مواد با تلفیق ابزارهای رایانه‌ای پیشرفته، الگوهای ریاضی و روشهای تجربی توانسته‌اند ویژگیهای کمی ریز‌ساختار مواد را تعیین، ساختار آن را پس از فرآوری تعریف و رابطه آن را با خواص نهایی به دست آمده بیان کنند. برای بسط توصیف رفتار مواد در سطح الکترونها و اتمها، از ادغام قوانین کوانتوم و روشهای آماری استفاده می‌شود و از نتایج حاصل، برای طراحی و ساخت مواد بهره‌برداری می گردد. اما همه اینها هنوز در مراحل ابتدایی هستند و به نظر می‌رسد که تا بلوغ کامل این علم راهی طولانی در پیش باشد.
علم مواد و مهندسی نوین
علم مواد، رشته‌ای است که سعی دارد به کمک تحقیقات آزمایشگاهی، مهندسی عملی و تجربه تولید صنعتی، نگرشی جامع از ماده به دست دهد. ریشه‌های این علم در فیزیک ماده گال، شیمی حالت جامد و شیمی ترکیبات است. مسئله اصلی، درک برهم کنشها و روابط بین ساختار، خواص و کاربرد مواد مودر نظر و نیز تعیین مناسب ترین روشهای سنتز و فرآوری آنهاست. این نگرش، درمورد همه یابخشی از مواد، هم مفید است و هم اجتناب ناپذیر، بنابراین، نگرش جدید، روشهای تجربی، صنعتی قدیمی را روز به روز بیشتر منسوخ می‌سازد و جایگزین آنها می‌شود.
اصلاح مواد موجود و ایجاد مواد جدید باتکیه بر روشها و ابزارهای مهندسی و علم مواد انجام می شود که خود بر علوم محض و شالوده جامعی از روابط تجربی و نیمه‌تجربی تکیه دارد. باتوجه به تأثیر و نفوذ مهندسی و علم مواد، می توان گفت که مواد موجود روز به روز بیشتر به ً مواد جدید ً تبدیل می‌شوند. در چند دهه گذشته تتحقیقات بنیادی و کاربردی در علم مواد، تواناییهای بسیاری برای شناسایی و ساخت مواد ایجاد کرد که تا قبل ازآن غیر قابل تصور بود. این توانایی رشد یابنده و روز افزون برای شناخت و کنترل ساختار و خواص ماده، درکانون انقلاب مواد جا دارد. بهبودهای چشمگیری که در خواص و فنآوری ساخت سرامیکهای پیشرفته، پلیمرهای سنتزی، فلزات بهبود یافته و کامپیوزیت این مواد حاصل آمده از نتایج این انقلاب است. گرچه دهه‌های 1960 و 1970 شاهد معرفی مواد جدید و مهمی بود که به نوعی می شد آنها را ً پیشرفته ً تلقی کرد، اما از دهه 1980 به بعد بودکه در شیوه توسعه مواد و بهره گیری از آنها تغییرات گسترده و تعیین کننده رخ داد.