ठोस

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ठोस पदार्थ की अवस्था है जिसमें परमाणु सघन रूप से संकुलित (closely packed) होते हैं और एक-दूसरे के आगे से गुजरना उनके लिए कठिन होता है। ठोस संपीड़न, विस्तार, या बाहरी बलों का विरोध करते हैं जो इसके आकार को बदल सकते हैं, और प्रतिरोध की मात्रा विचाराधीन विशिष्ट पदार्थ पर निर्भर करती है।[1] अन्य अवस्थाओं की तुलना में ठोसों में प्रति परमाणु/अणु न्यूनतम गतिज ऊर्जा होती है[2] या, समान रूप से कहा जाए तो, ठोस तब बनते हैं जब तरल अवस्था (द्रव या गैस) में पदार्थ को एक निश्चित तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है।[3] इस तापमान को पदार्थ का गलनांक (melting point) कहा जाता है[4] और यह एक आंतरिक (intrinsic) गुण है;[5] यानी यह इस बात पर निर्भर नहीं करता कि पदार्थ की मात्रा कितनी है। ठोस अवस्था में होने पर, अधिकांश पदार्थों को कुछ सर्वव्यापी संरचनाओं में से एक में व्यवस्थित किया जा सकता है।[6]

ठोसों की विशेषता संरचनात्मक कठोरता और प्रयुक्त बाहरी बलों तथा दबाव के प्रति प्रतिरोध है।[2] द्रवों के विपरीत, ठोस अपने पात्र का आकार लेने के लिए प्रवाहित नहीं होते हैं, और न ही वे गैस की तरह पूरे उपलब्ध आयतन को भरने के लिए फैलते हैं।[7] अन्य तीन मूलभूत अवस्थाओं की तरह, ठोस भी गर्म करने पर फैलते हैं,[8] जिसमें तापीय ऊर्जा परमाणुओं के बीच की दूरी को बढ़ाती है और स्थितिज ऊर्जा को कम करती है। हालाँकि, ठोस ऐसा बहुत कम सीमा तक करते हैं।[9][10] जब उन्हें उनके गलनांक या ऊर्ध्वपातन बिंदु तक गर्म किया जाता है, तो ठोस क्रमशः पिघलकर द्रव बन जाते हैं या सीधे गैस में ऊर्ध्वपातित हो जाते हैं। उन ठोसों के लिए जो सीधे गैस में ऊर्ध्वपातित होते हैं, गलनांक का स्थान ऊर्ध्वपातन बिंदु ले लेता है।[11] सामान्य नियम के रूप में, यदि प्रयुक्त दबाव पदार्थ के त्रिक बिंदु (triple point) दबाव से अधिक है तो पिघलना होगा,[12] अन्यथा ऊर्ध्वपातन होगा।[13] पिघलना और गलनांक विशेष रूप से ठोस और द्रव के बीच के संक्रमण को संदर्भित करते हैं।[14] पिघलना तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में होता है, जो 30 बार (3 MPa) दबाव के तहत हीलियम-3 के लिए 0.10 K से लेकर,[15] 1 atm पर मिश्रित अपवर्तक (refractory) सामग्री हाफनियम कार्बोनिट्राइड के लिए लगभग 4,100 K तक होता है।[16][17]

ठोस में परमाणु दो तरीकों में से एक में कसकर बंधे होते हैं: नियमित ज्यामितीय जालक जिन्हें क्रिस्टलीय ठोस (जैसे धातु, जल बर्फ) कहा जाता है, या अनियमित व्यवस्थाएं जिन्हें अक्रिस्टलीय ठोस (amorphous solids) (जैसे कांच, प्लास्टिक) कहा जाता है।[18] क्रिस्टलीय जालक बनाने वाले अणु और परमाणु आमतौर पर कुछ सु-विशेष संकुलन (packing) संरचनाओं में खुद को व्यवस्थित करते हैं,[18] जैसे काय-केंद्रित घनीय (body-centered cubic)। अपनाई गई संरचना विभिन्न दबावों और तापमानों के बीच भिन्न हो सकती है और होती है, जैसा कि सामग्री के फेज आरेख (phase diagrams) में देखा जा सकता है (उदाहरण के लिए जल का आरेख, बाएं और ऊपर देखें)। जब पदार्थ परमाणु/अणु की एक ही प्रजाति से बना होता है, तो अवस्थाओं को परमाणुओं के लिए अपररूप (allotropes) (जैसे कार्बन के लिए हीरा और ग्रेफाइट), और अणुओं के लिए बहुरूप (polymorphs) (जैसे कैल्शियम कार्बोनेट के लिए कैल्साइट और एरागोनाइट) के रूप में नामित किया जाता है।[19]

गैर-छिद्रपूर्ण ठोस अनिवार्य रूप से संपीड़न की किसी भी मात्रा का दृढ़ता से विरोध करते हैं, जो अन्यथा तापमान की परवाह किए बिना कुल आयतन में कमी का परिणाम होता,[20] यह इसके घटक परमाणुओं के बीच पड़ोसी इलेक्ट्रॉन बादलों के आपसी प्रतिकर्षण के कारण होता है।[20][21] ठोसों के विपरीत, गैसें बहुत आसानी से संपीड़ित हो जाती हैं क्योंकि गैस में अणु एक-दूसरे से दूर होते हैं और उनके बीच बहुत कम अंतर-आणविक संपर्क होते हैं।[22] कुछ ठोस, विशेष रूप से धात्विक मिश्र धातु, पर्याप्त बल के साथ विरूपित (deformed) या खींचे जा सकते हैं। जिस सीमा तक यह ठोस विभिन्न दिशाओं और अक्षों में विरूपण का विरोध करता है, उसे प्रत्यास्थ मापांक (elastic modulus), तन्य शक्ति (tensile strength), विशिष्ट शक्ति, और अन्य मापने योग्य मात्राओं द्वारा निर्धारित किया जाता है,[23] और कुल मिलाकर संपीड़्यता (compressibility) द्वारा।

अधिकांश पदार्थों के लिए, ठोस अवस्थाओं का घनत्व उच्चतम होता है,[12] जो द्रव अवस्था (यदि कोई हो) की तुलना में थोड़ा अधिक होता है, और इन सामग्रियों के ठोस ब्लॉक अपने तरल पदार्थों के नीचे डूब जाएंगे।[24] अपवादों में जल (उदाहरण के लिए हिमशैल देखें), गैलियम, और प्लूटोनियम शामिल हैं।[25][26] आवर्त सारणी पर सभी प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले तत्वों का मानक वायुमंडलीय दबाव पर एक गलनांक होता है, जिसके तीन अपवाद हैं: उत्कृष्ट गैस हीलियम, जो शून्य-बिंदु ऊर्जा के कारण परम शून्य पर भी तरल बनी रहती है;[27] उपधातु आर्सेनिक, जो लगभग 900 K पर ऊर्ध्वपातित होती है;[28] और जीवन-निर्माण तत्व कार्बन, जो लगभग 3,950 K पर ऊर्ध्वपातित होता है।[29]

जब प्रयुक्त दबाव हटा दिया जाता है, तो ठोस (बहुत) तेजी से पुनः फैलते हैं और इस प्रक्रिया में प्रत्यास्थ ऊर्जा को मुक्त करते हैं,[21] जो गैसों के समान ही है। इसका एक उदाहरण पात्र में जमते हुए पानी को सीमित करना है जो अनम्य (जैसे स्टील से बना) है।[30] क्रमिक जमने से आयतन में वृद्धि होती है,[31] क्योंकि बर्फ पानी की तुलना में कम घनी होती है।[32] विस्तार के लिए कोई अतिरिक्त आयतन न होने पर, जल बर्फ आंतरिक भाग पर तीव्र दबाव डालती है, जिससे पात्र बहुत बल के साथ विस्फोट कर जाता है।[30][33]

स्थूल पैमाने पर ठोसों के गुण इस बात पर भी निर्भर कर सकते हैं कि वे सन्निहित (contiguous) हैं या नहीं। सन्निहित (गैर-समग्र) ठोसों की विशेषता संरचनात्मक कठोरता (जैसे दृढ़ पिंडों में) और प्रयुक्त बलों के प्रति मजबूत प्रतिरोध है।[2] ठोस समग्रों (जैसे बजरी, रेत, चंद्र सतह पर धूल[34]) के लिए, ठोस कण आसानी से एक-दूसरे के ऊपर से फिसल सकते हैं,[35] हालाँकि व्यक्तिगत कणों (रेत के लिए क्वार्ट्ज कण) के परिवर्तन अभी भी बहुत बाधित होंगे।[36] यह ऑपरेटरों द्वारा महसूस की जाने वाली कोमलता और संपीड़न में आसानी की ओर ले जाता है।[37] एक उदाहरण तटीय रेत[35] और चंद्र रेगोलिथ की गैर-दृढ़ता है।[34]

भौतिकी की शाखा जो ठोसों से संबंधित है, उसे ठोस अवस्था भौतिकी (solid-state physics) कहा जाता है, और यह संघनित पदार्थ भौतिकी (condensed matter physics) (जिसमें तरल पदार्थ शामिल हैं) की एक प्रमुख शाखा है। पदार्थ विज्ञान (Materials science), जो इसकी अनेक शाखाओं में से एक है, मुख्य रूप से इस बात से संबंधित है कि किसी ठोस की रासायनिक संरचना और उसके गुण कैसे आपस में जुड़े हुए हैं।[38]

सूक्ष्म विवरण

ठोस बनाने वाले परमाणु, अणु या आयन एक व्यवस्थित दोहराव वाले पैटर्न में, या अनियमित रूप से व्यवस्थित हो सकते हैं। जिन सामग्रियों के घटक एक नियमित पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, उन्हें क्रिस्टल के रूप में जाना जाता है। कुछ मामलों में, नियमित क्रम बड़े पैमाने पर बिना टूटे जारी रह सकता है, उदाहरण के लिए हीरे, जहाँ प्रत्येक हीरा एक एकल क्रिस्टल होता है। ठोस वस्तुएं जो देखने और संभालने के लिए पर्याप्त बड़ी होती हैं, वे शायद ही कभी एक एकल क्रिस्टल से बनी होती हैं, बल्कि इसके बजाय क्रिस्टलाइट (crystallites) नामक बड़ी संख्या में एकल क्रिस्टल से बनी होती हैं, जिनका आकार कुछ नैनोमीटर से लेकर कई मीटर तक हो सकता है। ऐसी सामग्रियों को पॉलीक्रिस्टलाइन कहा जाता है। लगभग सभी सामान्य धातुएं, और कई सिरेमिक, पॉलीक्रिस्टलाइन होते हैं।

अन्य सामग्रियों में, परमाणुओं की स्थिति में कोई दीर्घ-परास क्रम (long-range order) नहीं होता है। इन ठोसों को अक्रिस्टलीय ठोस के रूप में जाना जाता है; उदाहरणों में पॉलीस्टाइनिन और कांच शामिल हैं।

क्या कोई ठोस क्रिस्टलीय है या अक्रिस्टलीय, यह शामिल सामग्री और उन स्थितियों पर निर्भर करता है जिनमें यह बना था। धीमी गति से ठंडा होने से बनने वाले ठोस क्रिस्टलीय होते हैं, जबकि तेजी से जमने वाले ठोसों के अक्रिस्टलीय होने की संभावना अधिक होती है। इसी तरह, एक क्रिस्टलीय ठोस द्वारा अपनाई गई विशिष्ट क्रिस्टल संरचना शामिल सामग्री और उसके बनने के तरीके पर निर्भर करती है।

जबकि कई सामान्य वस्तुएं, जैसे कि बर्फ का टुकड़ा या सिक्का, रासायनिक रूप से पूरी तरह समान होते हैं, कई अन्य सामान्य सामग्रियों में एक साथ पैक किए गए कई अलग-अलग पदार्थ शामिल होते हैं। उदाहरण के लिए, एक विशिष्ट चट्टान कई अलग-अलग खनिजों और खनिजॉइड का एक समग्र (aggregate) है, जिसकी कोई विशिष्ट रासायनिक संरचना नहीं है। लकड़ी एक प्राकृतिक कार्बनिक पदार्थ है जिसमें मुख्य रूप से कार्बनिक लिग्निन के मैट्रिक्स में एम्बेडेड सेलूलोज़ फाइबर होते हैं। पदार्थ विज्ञान में, वांछित गुण प्राप्त करने के लिए एक से अधिक घटक सामग्री के मिश्रित पदार्थ (composites) को डिज़ाइन किया जा सकता है।

ठोसों के वर्ग

यह भी देखें: Bonding in solids

ठोस में परमाणुओं के बीच के बल विभिन्न रूप ले सकते हैं। उदाहरण के लिए, सोडियम क्लोराइड (सामान्य नमक) का एक क्रिस्टल आयनिक सोडियम और क्लोरीन से बना होता है, जो आयनिक बंध द्वारा एक साथ जुड़े होते हैं।[39] हीरे[40] या सिलिकॉन में, परमाणु इलेक्ट्रॉन साझा करते हैं और सहसंयोजक बंध बनाते हैं।[41] धातुओं में, इलेक्ट्रॉन धात्विक बंध में साझा किए जाते हैं।[42] कुछ ठोस, विशेष रूप से अधिकांश कार्बनिक यौगिक, प्रत्येक अणु पर इलेक्ट्रॉनिक आवेश बादल के ध्रुवीकरण के परिणामस्वरूप वैन डेर वाल्स बल के साथ एक साथ जुड़े होते हैं। ठोस के प्रकारों के बीच असमानताएं उनके बंधन के बीच के अंतर के परिणामस्वरूप होती हैं।

धातुएं

मुख्य लेख: Metal

धातुएं आमतौर पर मजबूत, घनी और विद्युत तथा ऊष्मा दोनों की अच्छी सुचालक होती हैं।[43][44] आवर्त सारणी में अधिकांश तत्व, जो बोरॉन से पोलोनियम तक खींची गई एक विकर्ण रेखा के बाईं ओर हैं, धातुएं हैं। दो या दो से अधिक तत्वों के मिश्रण जिनमें मुख्य घटक एक धातु है, मिश्र धातु के रूप में जाने जाते हैं।

लोग प्रागैतिहासिक काल से ही विभिन्न उद्देश्यों के लिए धातुओं का उपयोग कर रहे हैं। धातुओं की शक्ति और विश्वसनीयता ने इमारतों और अन्य संरचनाओं के निर्माण के साथ-साथ अधिकांश वाहनों, कई उपकरणों और औजारों, पाइपों, सड़क के संकेतों और रेलमार्ग पटरियों में उनके व्यापक उपयोग को जन्म दिया है। लोहा और एल्यूमीनियम दो सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली संरचनात्मक धातुएं हैं। वे पृथ्वी की पपड़ी में भी सबसे प्रचुर मात्रा में धातुएं हैं। लोहे का उपयोग सबसे अधिक मिश्र धातु, स्टील के रूप में किया जाता है, जिसमें 2.1% तक कार्बन होता है, जो इसे शुद्ध लोहे की तुलना में बहुत कठोर बनाता है।

चूंकि धातुएं बिजली की अच्छी सुचालक होती हैं, इसलिए वे विद्युत उपकरणों में और कम ऊर्जा हानि या अपव्यय के साथ लंबी दूरी तक विद्युत धारा ले जाने के लिए मूल्यवान हैं। इस प्रकार, विद्युत पावर ग्रिड बिजली वितरित करने के लिए धातु के केबलों पर निर्भर करते हैं। उदाहरण के लिए, घरेलू विद्युत प्रणालियों में तांबे का उपयोग इसके अच्छे सुचालक गुणों और आसान मशीनीकरण के लिए किया जाता है। अधिकांश धातुओं की उच्च तापीय चालकता उन्हें स्टोवटॉप खाना पकाने के बर्तनों के लिए भी उपयोगी बनाती है।

धात्विक तत्वों और उनके मिश्र धातुओं का अध्ययन ठोस-अवस्था रसायन विज्ञान, भौतिकी, पदार्थ विज्ञान और इंजीनियरिंग के क्षेत्रों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।

धात्विक ठोस साझा, विस्थानीकृत (delocalized) इलेक्ट्रॉनों के उच्च घनत्व द्वारा एक साथ बंधे होते हैं, जिसे "धात्विक बंध" के रूप में जाना जाता है। एक धातु में, परमाणु आसानी से अपने सबसे बाहरी ("संयोजकता") इलेक्ट्रॉन खो देते हैं, जिससे धनात्मक आयन बनते हैं। मुक्त इलेक्ट्रॉन पूरे ठोस में फैल जाते हैं, जो आयनों और इलेक्ट्रॉन बादल के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन द्वारा मजबूती से एक साथ बंधे होते हैं।[45] मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल की बड़ी संख्या धातुओं को उनकी विद्युत और तापीय चालकता के उच्च मान देती है। मुक्त इलेक्ट्रॉन दृश्य प्रकाश के संचरण को भी रोकते हैं, जिससे धातुएं अपारदर्शी, चमकदार और धात्विक चमक वाली हो जाती हैं।

धातु गुणों के अधिक उन्नत मॉडल विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉनों पर धनात्मक आयन कोर के प्रभाव पर विचार करते हैं। चूंकि अधिकांश धातुओं की क्रिस्टलीय संरचना होती है, इसलिए वे आयन आमतौर पर एक आवधिक जालक में व्यवस्थित होते हैं। गणितीय रूप से, आयन कोर की क्षमता को विभिन्न मॉडलों द्वारा माना जा सकता है, सबसे सरल लगभग मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल है।

खनिज

मुख्य लेख: Minerals

खनिज उच्च दबाव के तहत विभिन्न भूवैज्ञानिक प्रक्रियाओं के माध्यम से बनने वाले प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले ठोस हैं।[46] एक सच्चे खनिज के रूप में वर्गीकृत होने के लिए, एक पदार्थ में समान भौतिक गुणों वाली क्रिस्टल संरचना होनी चाहिए। खनिजों की संरचना शुद्ध तत्वों और सरल लवण से लेकर हजारों ज्ञात रूपों वाले बहुत जटिल सिलिकेट तक होती है। इसके विपरीत, एक चट्टान का नमूना खनिजों और/या खनिजॉइड का एक यादृच्छिक समग्र है, और इसकी कोई विशिष्ट रासायनिक संरचना नहीं है। पृथ्वी की पपड़ी की अधिकांश चट्टानें क्वार्ट्ज (क्रिस्टलीय SiO2), फेल्डस्पार, अभ्रक, क्लोराइट, काओलिन, कैल्साइट, एपीडोट, ओलिविन, ऑगाइट, हॉर्नब्लेंड, मैग्नेटाइट, हेमेटाइट, लिमोनाइट और कुछ अन्य खनिजों से बनी हैं। कुछ खनिज, जैसे क्वार्ट्ज, अभ्रक या फेल्डस्पार सामान्य हैं, जबकि अन्य दुनिया भर में केवल कुछ ही स्थानों पर पाए गए हैं। अब तक खनिजों का सबसे बड़ा समूह सिलिकेट है (अधिकांश चट्टानें ≥95% सिलिकेट हैं), जो मुख्य रूप से सिलिकॉन और ऑक्सीजन से बने होते हैं, जिसमें एल्यूमीनियम, मैग्नीशियम, लोहा, कैल्शियम और अन्य धातुओं के आयन शामिल होते हैं।

सिरेमिक

मुख्य लेख: Ceramic engineering

सिरेमिक ठोस अकार्बनिक यौगिकों से बने होते हैं, आमतौर पर रासायनिक तत्वों के ऑक्साइड।[47] वे रासायनिक रूप से निष्क्रिय होते हैं, और अक्सर अम्लीय या कास्टिक वातावरण में होने वाले रासायनिक क्षरण का सामना करने में सक्षम होते हैं। सिरेमिक आमतौर पर 1000 to तक के उच्च तापमान का सामना कर सकते हैं। अपवादों में गैर-ऑक्साइड अकार्बनिक सामग्री शामिल हैं, जैसे नाइट्राइड, बोराइड और कार्बाइड।

पारंपरिक सिरेमिक कच्चे माल में मिट्टी के खनिज जैसे काओलिनाइट शामिल हैं, अधिक हालिया सामग्रियों में एल्यूमीनियम ऑक्साइड (एल्यूमिना) शामिल हैं। आधुनिक सिरेमिक सामग्री, जिन्हें उन्नत सिरेमिक के रूप में वर्गीकृत किया गया है, में सिलिकॉन कार्बाइड और टंगस्टन कार्बाइड शामिल हैं। दोनों को उनके घर्षण प्रतिरोध के लिए महत्व दिया जाता है, और इसलिए खनन कार्यों में कुचलने वाले उपकरणों की पहनने वाली प्लेटों जैसे अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

अधिकांश सिरेमिक सामग्रियां, जैसे कि एल्यूमिना और इसके यौगिक, महीन पाउडर से निर्मित होते हैं, जिससे एक महीन दानेदार polycrystalline microstructure प्राप्त होता है जो visible light की wavelength के बराबर प्रकाश-प्रकीर्णन केंद्रों से भरा होता है। इस प्रकार, transparent materials के विपरीत, वे सामान्यतः अपारदर्शी सामग्रियां होती हैं। हालाँकि, हालिया नैनोस्केल (जैसे sol-gel) तकनीक ने उच्च-शक्ति वाले लेजर जैसे अनुप्रयोगों के लिए पारदर्शी एल्यूमिना और एल्यूमिना यौगिकों जैसे पॉलीक्रिस्टलाइन transparent ceramics का उत्पादन संभव बना दिया है। उन्नत सिरेमिक का उपयोग चिकित्सा, विद्युत और इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगों में भी किया जाता है।

Ceramic engineering ठोस-अवस्था वाली सिरेमिक सामग्रियों, पुर्जों और उपकरणों को बनाने का विज्ञान और प्रौद्योगिकी है। यह या तो गर्मी की क्रिया द्वारा, या कम तापमान पर, रासायनिक समाधानों से अवक्षेपण प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके किया जाता है। इस शब्द में कच्चे माल का शुद्धिकरण, संबंधित रासायनिक यौगिकों का अध्ययन और उत्पादन, उन्हें घटकों में ढालना, और उनकी संरचना, संयोजन और गुणों का अध्ययन शामिल है।

यांत्रिक रूप से कहें तो, सिरेमिक सामग्रियां भंगुर (brittle), कठोर, संपीड़न (compression) में मजबूत और कतरनी (shearing) तथा तनाव (tension) में कमजोर होती हैं। Brittle सामग्रियां स्थिर भार का समर्थन करके महत्वपूर्ण tensile strength प्रदर्शित कर सकती हैं। Toughness यह दर्शाती है कि यांत्रिक विफलता से पहले कोई सामग्री कितनी ऊर्जा अवशोषित कर सकती है, जबकि fracture toughness (जिसे KIc द्वारा दर्शाया जाता है) अंतर्निहित सूक्ष्म संरचनात्मक दोषों वाली सामग्री की दरार वृद्धि और प्रसार के माध्यम से फ्रैक्चर का विरोध करने की क्षमता का वर्णन करती है। यदि किसी सामग्री का fracture toughness मान अधिक है, तो fracture mechanics के मूल सिद्धांत बताते हैं कि इसमें सबसे अधिक संभावना तन्य फ्रैक्चर (ductile fracture) होने की है। भंगुर फ्रैक्चर अधिकांश सिरेमिक और glass-ceramic सामग्रियों की बहुत विशिष्ट विशेषता है जो आमतौर पर KIc के निम्न (और असंगत) मान प्रदर्शित करते हैं।

सिरेमिक के अनुप्रयोगों के उदाहरण के लिए, ज़िरकोनिया की अत्यधिक कठोरता का उपयोग चाकू के ब्लेड के निर्माण के साथ-साथ अन्य औद्योगिक काटने वाले उपकरणों में किया जाता है। alumina, boron carbide और silicon carbide जैसे सिरेमिक का उपयोग bulletproof vests में बड़ी-कैलिबर राइफल की गोली को रोकने के लिए किया गया है। Silicon nitride के पुर्जों का उपयोग सिरेमिक बॉल बेयरिंग में किया जाता है, जहाँ उनकी उच्च कठोरता उन्हें घिसाव-प्रतिरोधी बनाती है। सामान्य तौर पर, सिरेमिक रासायनिक रूप से भी प्रतिरोधी होते हैं और इनका उपयोग गीले वातावरण में किया जा सकता है जहाँ स्टील बेयरिंग ऑक्सीकरण (या जंग) के प्रति संवेदनशील होते हैं।

सिरेमिक अनुप्रयोगों के एक अन्य उदाहरण के रूप में, 1980 के दशक की शुरुआत में, Toyota ने 6000 °F (3315 °C) से अधिक के operating temperature वाले एक adiabatic सिरेमिक इंजन के उत्पादन पर शोध किया। सिरेमिक इंजनों को शीतलन प्रणाली की आवश्यकता नहीं होती है और इसलिए ये वजन में बड़ी कमी लाते हैं और परिणामस्वरूप अधिक ईंधन दक्षता प्रदान करते हैं। एक पारंपरिक धात्विक इंजन में, धात्विक पुर्जों को पिघलने से बचाने के लिए ईंधन से निकलने वाली अधिकांश ऊर्जा को waste heat के रूप में नष्ट करना पड़ता है। gas turbine इंजनों के लिए सिरेमिक पुर्जों को विकसित करने पर भी काम किया जा रहा है। सिरेमिक से बने टरबाइन इंजन अधिक कुशलता से काम कर सकते हैं, जिससे विमान को ईंधन की एक निश्चित मात्रा के लिए अधिक रेंज और पेलोड मिल सकता है। हालाँकि, ऐसे इंजन उत्पादन में नहीं हैं, क्योंकि पर्याप्त सटीकता और स्थायित्व के साथ सिरेमिक पुर्जों का निर्माण कठिन और महंगा है। प्रसंस्करण विधियों के परिणामस्वरूप अक्सर सूक्ष्म दोषों का एक विस्तृत वितरण होता है जो अक्सर सिंटरिंग प्रक्रिया में हानिकारक भूमिका निभाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप दरारें फैलती हैं और अंततः यांत्रिक विफलता होती है।

ग्लास सिरेमिक

मुख्य लेख: Glass-ceramic

ग्लास-सिरेमिक सामग्रियां गैर-क्रिस्टलीय ग्लास और crystalline सिरेमिक दोनों के साथ कई गुण साझा करती हैं। वे ग्लास के रूप में बनते हैं, और फिर गर्मी के उपचार द्वारा आंशिक रूप से क्रिस्टलीकृत होते हैं, जिससे amorphous और crystalline दोनों चरण उत्पन्न होते हैं ताकि क्रिस्टलीय अनाज एक गैर-क्रिस्टलीय इंटरग्रेनुलर चरण के भीतर एम्बेडेड हों।

ग्लास-सिरेमिक का उपयोग कुकवेयर (मूल रूप से CorningWare ब्रांड नाम से जाना जाता है) और स्टोवटॉप बनाने के लिए किया जाता है जिनमें thermal shock के प्रति उच्च प्रतिरोध और तरल पदार्थों के लिए अत्यंत कम पारगम्यता होती है। क्रिस्टलीय सिरेमिक चरण के नकारात्मक coefficient of thermal expansion को ग्लास चरण के सकारात्मक गुणांक के साथ संतुलित किया जा सकता है। एक निश्चित बिंदु (~70% क्रिस्टलीय) पर ग्लास-सिरेमिक का शुद्ध थर्मल विस्तार गुणांक शून्य के करीब होता है। इस प्रकार का ग्लास-सिरेमिक उत्कृष्ट यांत्रिक गुण प्रदर्शित करता है और 1000 °C तक बार-बार और त्वरित तापमान परिवर्तनों को सहन कर सकता है।

ग्लास सिरेमिक तब भी प्राकृतिक रूप से हो सकते हैं जब lightning अधिकांश समुद्र तट की sand में पाए जाने वाले क्रिस्टलीय (जैसे क्वार्ट्ज) अनाज से टकराती है। इस मामले में, बिजली की अत्यधिक और तत्काल गर्मी (~2500 °C) फ्यूजन के माध्यम से fulgurite नामक खोखली, शाखाओं वाली जड़ जैसी संरचनाएं बनाती है।

कार्बनिक ठोस

मुख्य लेख: Organic chemistry

कार्बनिक रसायन विज्ञान carbon और hydrogen के रासायनिक यौगिकों की संरचना, गुणों, संयोजन, प्रतिक्रियाओं और संश्लेषण (या अन्य साधनों) द्वारा तैयारी का अध्ययन करता है, जिसमें nitrogen, oxygen और हैलोजन जैसे fluorine, chlorine, bromine और iodine जैसे किसी भी संख्या में अन्य तत्व हो सकते हैं। कुछ कार्बनिक यौगिकों में phosphorus या sulfur तत्व भी हो सकते हैं। कार्बनिक ठोस पदार्थों के उदाहरणों में लकड़ी, paraffin wax, naphthalene और polymers तथा plastics की एक विस्तृत विविधता शामिल है।

लकड़ी

मुख्य लेख: Wood

लकड़ी एक प्राकृतिक कार्बनिक सामग्री है जो मुख्य रूप से lignin के मैट्रिक्स में एम्बेडेड cellulose फाइबर से बनी होती है। यांत्रिक गुणों के संबंध में, फाइबर तनाव में मजबूत होते हैं, और लिग्निन मैट्रिक्स संपीड़न का विरोध करता है। इस प्रकार, जब से मनुष्यों ने आश्रय बनाना और नावों का उपयोग करना शुरू किया है, तब से लकड़ी एक महत्वपूर्ण निर्माण सामग्री रही है। निर्माण कार्य के लिए उपयोग की जाने वाली लकड़ी को आमतौर पर lumber या इमारती लकड़ी (timber) के रूप में जाना जाता है। निर्माण में, लकड़ी न केवल एक संरचनात्मक सामग्री है, बल्कि इसका उपयोग कंक्रीट के लिए सांचा बनाने के लिए भी किया जाता है।

लकड़ी-आधारित सामग्रियों का उपयोग पैकेजिंग (जैसे कार्डबोर्ड) और कागज के लिए भी बड़े पैमाने पर किया जाता है, जो दोनों ही परिष्कृत लुगदी से बनाए जाते हैं। रासायनिक पल्पिंग प्रक्रियाएं लिग्निन के रासायनिक बंधनों को तोड़ने और उसे जलाने से पहले उच्च तापमान और क्षारीय (kraft) या अम्लीय (sulfite) रसायनों के संयोजन का उपयोग करती हैं।

पॉलिमर

मुख्य लेख: Polymer

कार्बनिक रसायन विज्ञान में कार्बन का एक महत्वपूर्ण गुण यह है कि यह कुछ ऐसे यौगिक बना सकता है, जिनके व्यक्तिगत अणु एक-दूसरे से जुड़ने में सक्षम होते हैं, जिससे एक श्रृंखला या नेटवर्क बनता है। इस प्रक्रिया को पॉलिमराइजेशन कहा जाता है और श्रृंखलाओं या नेटवर्क को पॉलिमर कहा जाता है, जबकि स्रोत यौगिक एक मोनोमर होता है। पॉलिमर के दो मुख्य समूह मौजूद हैं: कृत्रिम रूप से निर्मित लोगों को औद्योगिक पॉलिमर या सिंथेटिक पॉलिमर (प्लास्टिक) कहा जाता है और प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले लोगों को बायो-पॉलिमर कहा जाता है।

मोनोमर्स में विभिन्न रासायनिक प्रतिस्थापी, या कार्यात्मक समूह हो सकते हैं, जो कार्बनिक यौगिकों के रासायनिक गुणों, जैसे घुलनशीलता और रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता, के साथ-साथ भौतिक गुणों, जैसे कठोरता, घनत्व, यांत्रिक या तन्य शक्ति, घर्षण प्रतिरोध, गर्मी प्रतिरोध, पारदर्शिता, रंग, आदि को प्रभावित कर सकते हैं। प्रोटीन में, ये अंतर पॉलिमर को दूसरों की तुलना में जैविक रूप से सक्रिय संरचना अपनाने की क्षमता देते हैं (देखें self-assembly)।

लोग सदियों से मोम और shellac के रूप में प्राकृतिक कार्बनिक पॉलिमर का उपयोग कर रहे हैं, जिसे थर्मोप्लास्टिक पॉलिमर के रूप में वर्गीकृत किया गया है। cellulose नामक एक पौधे के पॉलिमर ने प्राकृतिक फाइबर और रस्सियों के लिए तन्य शक्ति प्रदान की, और 19वीं सदी की शुरुआत तक प्राकृतिक रबर का व्यापक उपयोग हो रहा था। पॉलिमर वे कच्चे माल (रेजिन) हैं जिनका उपयोग आमतौर पर प्लास्टिक कहे जाने वाले उत्पादों को बनाने के लिए किया जाता है। प्लास्टिक अंतिम उत्पाद हैं, जो प्रसंस्करण के दौरान एक या अधिक पॉलिमर या एडिटिव्स को रेजिन में जोड़ने के बाद बनाए जाते हैं, जिसे फिर अंतिम रूप दिया जाता है। पॉलिमर जो लंबे समय से मौजूद हैं, और जो वर्तमान में व्यापक उपयोग में हैं, उनमें कार्बन-आधारित polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, नायलॉन, polyesters, acrylics, polyurethane, और polycarbonates, तथा सिलिकॉन-आधारित silicones शामिल हैं। प्लास्टिक को आमतौर पर "कमोडिटी", "स्पेशलिटी" और "इंजीनियरिंग" प्लास्टिक के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।

मिश्रित सामग्रियां (Composite materials)

मुख्य लेख: Composite material

Composite materials में दो या दो से अधिक मैक्रोस्कोपिक चरण होते हैं, जिनमें से एक अक्सर सिरेमिक होता है। उदाहरण के लिए, एक निरंतर मैट्रिक्स, और सिरेमिक कणों या फाइबर का एक छितरा हुआ चरण।

मिश्रित सामग्रियों के अनुप्रयोग स्टील-प्रबलित कंक्रीट जैसी संरचनात्मक तत्वों से लेकर उन थर्मल रूप से इन्सुलेटिव टाइलों तक होते हैं जो नासा के Space Shuttle thermal protection system में एक प्रमुख और अभिन्न भूमिका निभाती हैं, जिसका उपयोग शटल की सतह को पृथ्वी के वायुमंडल में पुनः प्रवेश की गर्मी से बचाने के लिए किया जाता है। एक उदाहरण Reinforced Carbon-Carbon (RCC) है, जो हल्का ग्रे पदार्थ है जो 1510 °C तक के पुनः प्रवेश तापमान का सामना करता है और स्पेस शटल के पंखों के नोज़ कैप और अग्रणी किनारों की रक्षा करता है। RCC एक laminated मिश्रित सामग्री है जो graphite rayon कपड़े से बनी है और phenolic resin से संसेचित (impregnated) है। एक आटोक्लेव में उच्च तापमान पर क्योरिंग के बाद, लैमिनेट को रेजिन को कार्बन में बदलने के लिए पायरोलाइज़ किया जाता है, वैक्यूम चैंबर में furfural अल्कोहल के साथ संसेचित किया जाता है, और फुरफुरल अल्कोहल को कार्बन में बदलने के लिए क्योर/पायरोलाइज़ किया जाता है। पुन: उपयोग क्षमता के लिए ऑक्सीकरण प्रतिरोध प्रदान करने के लिए, RCC की बाहरी परतों को सिलिकॉन कार्बाइड में बदल दिया जाता है।

कंपोजिट के घरेलू उदाहरण टेलीविजन सेट, सेल-फोन आदि के "प्लास्टिक" केसिंग में देखे जा सकते हैं। ये प्लास्टिक केसिंग आमतौर पर acrylonitrile butadiene styrene (ABS) जैसे थर्मोप्लास्टिक मैट्रिक्स से बना एक कंपोजिट होते हैं जिसमें मजबूती, थोक या इलेक्ट्रो-स्टेटिक फैलाव के लिए calcium carbonate चाक, talc, ग्लास फाइबर या कार्बन फाइबर जोड़े गए हैं। इन परिवर्धन को उनके उद्देश्य के आधार पर सुदृढ़ीकरण फाइबर, या डिस्पर्सेंट कहा जा सकता है।

इस प्रकार, मैट्रिक्स सामग्री सुदृढ़ीकरण सामग्री को उनकी सापेक्ष स्थिति बनाए रखकर घेरती है और समर्थन करती है। सुदृढीकरण मैट्रिक्स गुणों को बढ़ाने के लिए अपने विशेष यांत्रिक और भौतिक गुणों को प्रदान करते हैं। एक तालमेल (synergism) ऐसी सामग्री गुण उत्पन्न करता है जो व्यक्तिगत घटक सामग्रियों से उपलब्ध नहीं होते हैं, जबकि मैट्रिक्स और सुदृढ़ीकरण सामग्री की विस्तृत विविधता डिजाइनर को इष्टतम संयोजन का विकल्प प्रदान करती है।

अर्धचालक (Semiconductors)

मुख्य लेख: Semiconductors

Semiconductors ऐसी सामग्रियां हैं जिनकी विद्युत प्रतिरोधकता (और चालकता) धात्विक कंडक्टरों और गैर-धात्विक इंसुलेटरों के बीच होती है। उन्हें periodic table में boron से तिरछे नीचे दाईं ओर बढ़ते हुए पाया जा सकता है। वे विद्युत कंडक्टरों (या धातुओं, बाईं ओर) को इंसुलेटरों (दाईं ओर) से अलग करते हैं।

सेमीकंडक्टर सामग्रियों से बने उपकरण आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की नींव हैं, जिसमें रेडियो, कंप्यूटर, टेलीफोन आदि शामिल हैं। सेमीकंडक्टर उपकरणों में transistor, solar cells, diodes और integrated circuits शामिल हैं। सौर फोटोवोल्टिक पैनल बड़े सेमीकंडक्टर उपकरण हैं जो सीधे प्रकाश को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।

एक धात्विक कंडक्टर में, करंट इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह द्वारा ले जाया जाता है, लेकिन सेमीकंडक्टर में, करंट इलेक्ट्रॉनों या सामग्री की electronic band structure में सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए "होल्स" द्वारा ले जाया जा सकता है। सामान्य सेमीकंडक्टर सामग्रियों में सिलिकॉन, germanium और gallium arsenide शामिल हैं।

नैनो-सामग्रियां (Nanomaterials)

मुख्य लेख: Nanotechnology

कई पारंपरिक ठोस पदार्थ नैनोमीटर आकार में सिकुड़ने पर अलग-अलग गुण प्रदर्शित करते हैं। उदाहरण के लिए, आमतौर पर पीले सोने और ग्रे सिलिकॉन के nanoparticles लाल रंग के होते हैं; सोने के नैनोकण सोने के स्लैब (1064 °C) की तुलना में बहुत कम तापमान (~300 °C, 2.5 nm आकार के लिए) पर पिघलते हैं;[48] और धात्विक नैनोवायर संबंधित थोक धातुओं की तुलना में बहुत मजबूत होते हैं।[49][50] नैनोकणों का उच्च सतह क्षेत्र उन्हें ऊर्जा के क्षेत्र में कुछ अनुप्रयोगों के लिए बेहद आकर्षक बनाता है। उदाहरण के लिए, प्लैटिनम धातुएं ऑटोमोटिव ईंधन उत्प्रेरक के रूप में, साथ ही proton exchange membrane (PEM) ईंधन कोशिकाओं में सुधार प्रदान कर सकती हैं। इसके अलावा, lanthanum, cerium, मैंगनीज और निकल के सिरेमिक ऑक्साइड (या सेर्मेट्स) अब solid oxide fuel cells (SOFC) के रूप में विकसित किए जा रहे हैं। लिथियम, लिथियम-टाइटेनेट और टैंटलम नैनोकणों को लिथियम-आयन बैटरी में लागू किया जा रहा है। सिलिकॉन नैनोकणों ने विस्तार/संकुचन चक्र के दौरान लिथियम-आयन बैटरी की भंडारण क्षमता का नाटकीय रूप से विस्तार करना दिखाया है। सिलिकॉन नैनोवायर बिना किसी महत्वपूर्ण गिरावट के चक्रित होते हैं और बहुत अधिक विस्तारित भंडारण समय वाली बैटरी में उपयोग की संभावना प्रस्तुत करते हैं। सिलिकॉन नैनोकणों का उपयोग सौर ऊर्जा कोशिकाओं के नए रूपों में भी किया जा रहा है। एक फोटोवोल्टिक (सौर) सेल के पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सब्सट्रेट पर सिलिकॉन quantum dots का थिन फिल्म डिपोजिशन, कैप्चर से पहले आने वाले प्रकाश को प्रतिदीप्त (fluorescing) करके वोल्टेज आउटपुट को 60% तक बढ़ा देता है। यहाँ फिर से, नैनोकणों (और पतली फिल्मों) का सतह क्षेत्र अवशोषित विकिरण की मात्रा को अधिकतम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

जैव-सामग्रियां (Biomaterials)

मुख्य लेख: Biomaterials

कई प्राकृतिक (या जैविक) सामग्रियां उल्लेखनीय यांत्रिक गुणों वाले जटिल कंपोजिट हैं। ये जटिल संरचनाएं, जो करोड़ों वर्षों के विकास से उत्पन्न हुई हैं, नई सामग्रियों के डिजाइन में सामग्री वैज्ञानिकों को प्रेरित कर रही हैं। उनकी परिभाषित विशेषताओं में संरचनात्मक पदानुक्रम, बहु-कार्यात्मकता और स्व-उपचार क्षमता शामिल है। स्व-संगठन (self-organization) भी कई जैविक सामग्रियों की एक मौलिक विशेषता है और वह तरीका है जिससे संरचनाएं आणविक स्तर से ऊपर तक इकट्ठी होती हैं। इस प्रकार, उच्च प्रदर्शन वाली जैव-सामग्रियों के रासायनिक संश्लेषण में self-assembly एक नई रणनीति के रूप में उभर रही है।

भौतिक गुण

तत्वों और यौगिकों के भौतिक गुण जो रासायनिक संरचना का निर्णायक प्रमाण प्रदान करते हैं, उनमें गंध, रंग, आयतन, घनत्व (प्रति इकाई आयतन द्रव्यमान), गलनांक, क्वथनांक, ऊष्मा क्षमता, कमरे के तापमान पर भौतिक रूप और आकार (ठोस, तरल या गैस; क्यूबिक, ट्राइगोनल क्रिस्टल, आदि), कठोरता, सरंध्रता, index of refraction और कई अन्य शामिल हैं। यह खंड ठोस अवस्था में सामग्रियों के कुछ भौतिक गुणों पर चर्चा करता है।

यांत्रिक

सामग्रियों के यांत्रिक गुण उनकी शक्ति और विरूपण (deformation) के प्रतिरोध जैसी विशेषताओं का वर्णन करते हैं। उदाहरण के लिए, स्टील बीम का उपयोग निर्माण में उनकी उच्च शक्ति के कारण किया जाता है, जिसका अर्थ है कि वे लागू भार के तहत न तो टूटते हैं और न ही महत्वपूर्ण रूप से झुकते हैं।

यांत्रिक गुणों में लोच, प्लास्टिसिटी, tensile strength, compressive strength, shear strength, fracture toughness, ductility (भंगुर सामग्रियों में कम) और indentation hardness शामिल हैं। Solid mechanics बाहरी बलों और तापमान परिवर्तनों जैसी बाहरी क्रियाओं के तहत ठोस पदार्थ के व्यवहार का अध्ययन है।

एक ठोस पदार्थ मैक्रोस्कोपिक प्रवाह प्रदर्शित नहीं करता है, जैसा कि तरल पदार्थ करते हैं। अपने मूल आकार से विचलन की किसी भी डिग्री को विरूपण कहा जाता है। मूल आकार के अनुपात में विरूपण को स्ट्रेन कहा जाता है। यदि लागू तनाव पर्याप्त रूप से कम है, तो लगभग सभी ठोस सामग्रियां इस तरह से व्यवहार करती हैं कि स्ट्रेन सीधे तनाव के समानुपाती होता है (Hooke's law)। अनुपात के गुणांक को modulus of elasticity या Young's modulus कहा जाता है। विरूपण के इस क्षेत्र को रैखिक लोचदार क्षेत्र के रूप में जाना जाता है। तीन मॉडल यह वर्णन कर सकते हैं कि एक ठोस लागू तनाव पर कैसे प्रतिक्रिया करता है:

  • लोच – जब लागू तनाव हटा दिया जाता है, तो सामग्री अपनी अविकृत स्थिति में वापस आ जाती है।
  • Viscoelasticity – ये ऐसी सामग्रियां हैं जो लोचदार रूप से व्यवहार करती हैं, लेकिन इनमें डैम्पिंग भी होती है। जब लागू तनाव हटा दिया जाता है, तो डैम्पिंग प्रभावों के खिलाफ काम करना पड़ता है और सामग्री के भीतर गर्मी में परिवर्तित हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप तनाव-स्ट्रेन वक्र में एक hysteresis loop बनता है। इसका मतलब है कि यांत्रिक प्रतिक्रिया में समय-निर्भरता होती है।
  • प्लास्टिसिटी – जो सामग्रियां लोचदार रूप से व्यवहार करती हैं, वे आमतौर पर ऐसा तब करती हैं जब लागू तनाव उपज मान (yield value) से कम होता है। जब तनाव उपज तनाव से अधिक होता है, तो सामग्री प्लास्टिक रूप से व्यवहार करती है और अपनी पिछली स्थिति में वापस नहीं आती है। यानी, उपज के बाद अपरिवर्तनीय प्लास्टिक विरूपण (या चिपचिपा प्रवाह) होता है जो स्थायी होता है।

कई सामग्रियां उच्च तापमान पर कमजोर हो जाती हैं। जो सामग्रियां उच्च तापमान पर अपनी ताकत बनाए रखती हैं, उन्हें रेफ्रैक्टरी सामग्रियां कहा जाता है, जो कई उद्देश्यों के लिए उपयोगी हैं। उदाहरण के लिए, glass-ceramics काउंटरटॉप कुकिंग के लिए बेहद उपयोगी हो गए हैं, क्योंकि वे उत्कृष्ट यांत्रिक गुण प्रदर्शित करते हैं और 1000 °C तक बार-बार और त्वरित तापमान परिवर्तनों को सहन कर सकते हैं। एयरोस्पेस उद्योग में, विमान और/या अंतरिक्ष यान के बाहरी हिस्से के डिजाइन में उपयोग की जाने वाली उच्च प्रदर्शन वाली सामग्रियों में थर्मल शॉक के प्रति उच्च प्रतिरोध होना चाहिए। इस प्रकार, कार्बनिक पॉलिमर और पॉलिमर/सिरेमिक/धातु मिश्रित सामग्रियों और फाइबर-प्रबलित पॉलिमर से कते हुए सिंथेटिक फाइबर अब इस उद्देश्य को ध्यान में रखकर डिजाइन किए जा रहे हैं।

तापीय

चूंकि ठोस पदार्थों में thermal energy होती है, इसलिए उनके परमाणु क्रमबद्ध (या अव्यवस्थित) जाली के भीतर निश्चित माध्य स्थितियों के बारे में कंपन करते हैं। एक क्रिस्टलीय या कांच के नेटवर्क में जाली कंपन का स्पेक्ट्रम kinetic theory of solids के लिए नींव प्रदान करता है। यह गति परमाणु स्तर पर होती है, और इसलिए इसे spectroscopy में उपयोग किए जाने वाले अत्यधिक विशेष उपकरणों के बिना देखा या पता नहीं लगाया जा सकता है।

ठोस पदार्थों के तापीय गुणों में thermal conductivity शामिल है, जो एक सामग्री का वह गुण है जो गर्मी का संचालन करने की उसकी क्षमता को इंगित करता है। ठोस पदार्थों में specific heat capacity भी होती है, जो गर्मी (या तापीय जाली कंपन) के रूप में ऊर्जा को संग्रहीत करने की सामग्री की क्षमता है।

विद्युत

विद्युत गुणों में electrical resistivity and conductivity, dielectric strength, विद्युत चुम्बकीय पारगम्यता, और permittivity शामिल हैं। धातुओं और मिश्र धातुओं जैसे विद्युत कंडक्टरों की तुलना ग्लास और सिरेमिक जैसे विद्युत इंसुलेटरों से की जाती है। Semiconductors कहीं बीच में व्यवहार करते हैं। जबकि धातुओं में चालकता इलेक्ट्रॉनों के कारण होती है, सेमीकंडक्टर में इलेक्ट्रॉन और होल दोनों करंट में योगदान करते हैं। वैकल्पिक रूप से, आयन आयनिक कंडक्टरों में विद्युत करंट का समर्थन करते हैं।

कई सामग्रियां कम तापमान पर superconductivity भी प्रदर्शित करती हैं; उनमें टिन और एल्यूमीनियम जैसे धात्विक तत्व, विभिन्न धात्विक मिश्र धातु, कुछ भारी डोप किए गए सेमीकंडक्टर और कुछ सिरेमिक शामिल हैं। अधिकांश विद्युत (धात्विक) कंडक्टरों की विद्युत प्रतिरोधकता आमतौर पर तापमान कम होने पर धीरे-धीरे कम होती है, लेकिन सीमित रहती है। हालाँकि, एक सुपरकंडक्टर में, जब सामग्री को उसके महत्वपूर्ण तापमान से नीचे ठंडा किया जाता है तो प्रतिरोध अचानक शून्य हो जाता है। सुपरकंडक्टिंग तार के लूप में बहने वाला विद्युत करंट बिना किसी शक्ति स्रोत के अनिश्चित काल तक बना रह सकता है।

एक dielectric, या विद्युत इंसुलेटर, एक ऐसा पदार्थ है जो विद्युत करंट के प्रवाह के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी है। एक डाइइलेक्ट्रिक, जैसे प्लास्टिक, अपने भीतर एक लागू विद्युत क्षेत्र को केंद्रित करता है, जिस गुण का उपयोग कैपेसिटर में किया जाता है। एक capacitor एक विद्युत उपकरण है जो बारीकी से स्थित कंडक्टरों (जिन्हें 'प्लेट' कहा जाता है) की एक जोड़ी के बीच विद्युत क्षेत्र में ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है। जब कैपेसिटर पर वोल्टेज लागू किया जाता है, तो प्रत्येक प्लेट पर समान परिमाण, लेकिन विपरीत ध्रुवीयता के विद्युत आवेश बन जाते हैं। कैपेसिटर का उपयोग विद्युत सर्किट में ऊर्जा-भंडारण उपकरणों के रूप में, साथ ही उच्च-आवृत्ति और निम्न-आवृत्ति संकेतों के बीच अंतर करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक फिल्टर में किया जाता है।

इलेक्ट्रो-मैकेनिकल

Piezoelectricity क्रिस्टल की एक लागू यांत्रिक तनाव के जवाब में वोल्टेज उत्पन्न करने की क्षमता है। पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रतिवर्ती है कि पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल, जब बाहरी रूप से लागू वोल्टेज के अधीन होते हैं, तो थोड़ी मात्रा में आकार बदल सकते हैं। रबर, ऊन, बाल, लकड़ी के फाइबर और रेशम जैसी पॉलिमर सामग्रियां अक्सर electrets के रूप में व्यवहार करती हैं। उदाहरण के लिए, पॉलिमर polyvinylidene fluoride (PVDF) पारंपरिक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री क्वार्ट्ज (क्रिस्टलीय SiO2) की तुलना में कई गुना बड़ा पीजोइलेक्ट्रिक रिस्पॉन्स प्रदर्शित करता है। विरूपण (~0.1%) खुद को उपयोगी तकनीकी अनुप्रयोगों जैसे उच्च-वोल्टेज स्रोतों, लाउडस्पीकर, लेजर, साथ ही रासायनिक, जैविक और एकोस्टो-ऑप्टिक सेंसर और/या ट्रांसड्यूसर के लिए उधार देता है।

ऑप्टिकल

सामग्रियां दृश्य प्रकाश को संचारित (जैसे ग्लास) या परावर्तित (जैसे धातु) कर सकती हैं।

कई सामग्रियां दूसरों को अवरुद्ध करते हुए कुछ तरंग दैर्ध्य को संचारित करेंगी। उदाहरण के लिए, खिड़की का ग्लास दृश्य प्रकाश के लिए पारदर्शी है, लेकिन ultraviolet प्रकाश की अधिकांश आवृत्तियों के लिए बहुत कम है जो sunburn का कारण बनता है। इस गुण का उपयोग आवृत्ति-चयनात्मक ऑप्टिकल फिल्टर के लिए किया जाता है, जो आपतित प्रकाश के रंग को बदल सकते हैं।

कुछ उद्देश्यों के लिए, सामग्री के ऑप्टिकल और यांत्रिक दोनों गुण रुचि के हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक infrared homing ("हीट-सीकिंग") मिसाइल पर सेंसर को एक ऐसे कवर द्वारा संरक्षित किया जाना चाहिए जो अवरक्त विकिरण के लिए पारदर्शी हो। उच्च गति वाली इन्फ्रारेड-निर्देशित मिसाइल डोम के लिए पसंद की वर्तमान सामग्री सिंगल-क्रिस्टल sapphire है। नीलम का ऑप्टिकल ट्रांसमिशन वास्तव में पूरी मध्य-अवरक्त सीमा (3–5 μm) को कवर करने के लिए विस्तारित नहीं होता है, लेकिन कमरे के तापमान पर लगभग 4.5 μm से अधिक तरंग दैर्ध्य पर कम होने लगता है। जबकि कमरे के तापमान पर नीलम की ताकत अन्य उपलब्ध मध्य-श्रेणी के इन्फ्रारेड डोम सामग्रियों की तुलना में बेहतर है, यह 600 °C से ऊपर कमजोर हो जाती है। ऑप्टिकल बैंडपास और यांत्रिक स्थायित्व के बीच एक लंबे समय से चला आ रहा ट्रेड-ऑफ मौजूद है; transparent ceramics या ऑप्टिकल नैनोकंपोजिट जैसी नई सामग्रियां बेहतर प्रदर्शन प्रदान कर सकती हैं।

निर्देशित लाइटवेव ट्रांसमिशन में फाइबर ऑप्टिक्स का क्षेत्र और कुछ ग्लास की तीव्रता के कम नुकसान के साथ, आवृत्तियों की एक श्रृंखला (मल्टी-मोड ऑप्टिकल वेवगाइड) को एक साथ संचारित करने की क्षमता शामिल है, जिसमें उनके बीच बहुत कम हस्तक्षेप होता है। ऑप्टिकल वेवगाइड का उपयोग एकीकृत ऑप्टिकल सर्किट में घटकों के रूप में या ऑप्टिकल संचार प्रणालियों में ट्रांसमिशन माध्यम के रूप में किया जाता है।

ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक

मुख्य लेख: Solar cell

एक सौर सेल या फोटोवोल्टिक सेल एक ऐसा उपकरण है जो प्रकाश ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। मौलिक रूप से, उपकरण को केवल दो कार्यों को पूरा करने की आवश्यकता होती है: प्रकाश-अवशोषित सामग्री में चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉन और होल) की फोटो-पीढ़ी, और चार्ज वाहक को एक प्रवाहकीय संपर्क में अलग करना जो बिजली संचारित करेगा (सरल शब्दों में, धातु संपर्क के माध्यम से बाहरी सर्किट में इलेक्ट्रॉन ले जाना)। इस रूपांतरण को photoelectric effect कहा जाता है, और सौर कोशिकाओं से संबंधित अनुसंधान के क्षेत्र को फोटोवोल्टिक्स के रूप में जाना जाता है।

सौर कोशिकाओं के कई अनुप्रयोग हैं। लंबे समय से उनका उपयोग उन स्थितियों में किया जाता रहा है जहाँ ग्रिड से विद्युत शक्ति अनुपलब्ध है, जैसे कि दूरस्थ क्षेत्र बिजली प्रणालियों, पृथ्वी-परिक्रमा उपग्रहों और अंतरिक्ष जांच, हाथ में पकड़े जाने वाले कैलकुलेटर, कलाई घड़ियों, दूरस्थ रेडियोटेलीफोन और जल पंपिंग अनुप्रयोगों में। हाल ही में, उनका उपयोग इनवर्टर के माध्यम से बिजली ग्रिड से जुड़े सौर मॉड्यूल (फोटोवोल्टिक सरणियों) के संयोजन में किया जाने लगा है, जो एकमात्र आपूर्ति के रूप में नहीं बल्कि एक अतिरिक्त बिजली स्रोत के रूप में कार्य करता है।

सभी सौर कोशिकाओं को फोटॉन को अवशोषित करने और photovoltaic effect के माध्यम से इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करने के लिए सेल संरचना के भीतर निहित एक प्रकाश अवशोषित सामग्री की आवश्यकता होती है। सौर कोशिकाओं में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में पृथ्वी की सतह तक पहुंचने वाले सौर प्रकाश की तरंग दैर्ध्य को अधिमानतः अवशोषित करने का गुण होता है। कुछ सौर कोशिकाएं पृथ्वी के वायुमंडल से परे प्रकाश अवशोषण के लिए भी अनुकूलित हैं।

अध्ययन के क्षेत्र

ठोस-अवस्था भौतिकी (Solid-state physics)

ठोस-अवस्था रसायन विज्ञान (Solid-state chemistry)

सामग्री विज्ञान (Materials science)

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बाहरी कड़ियाँ

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Solid" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Solid यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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