మెటీరియల్స్ సైన్స్

From LTRC
Revision as of 04:16, 14 October 2026 by Abhinaya (talk | contribs) (ఇంగ్లీష్ వికీపీడియాలోని “Materials science” వ్యాసానికి తెలుగు అనువాదం)
(diff) ← Older revision | Latest revision (diff) | Newer revision → (diff)
ఏడు స్ఫటికాకార తలాలను చూపే ఒక డైమండ్ క్యూబోక్టాహెడ్రాన్, స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ ద్వారా తీయబడిన చిత్రం
Six classes of conventional engineering materials.
సాంప్రదాయ ఇంజనీరింగ్ పదార్థాల ఆరు తరగతులు

మెటీరియల్స్ సైన్స్ (Materials science) అనేది పదార్థాల నిర్మాణం మరియు వాటి ధర్మాల మధ్య సంబంధాలను అర్థం చేసుకోవడానికి, మరియు ఈ జ్ఞానాన్ని ఉపయోగించి నిర్దిష్ట అనువర్తనాల కోసం పదార్థాలను రూపొందించడానికి సంబంధించిన ఒక అంతర్విషయ రంగం. ఒక పదార్థం యొక్క అంతర్గత నిర్మాణం—పరమాణు అమరికల నుండి సూక్ష్మ లక్షణాల వరకు—దాని యాంత్రిక, విద్యుత్, ఉష్ణ మరియు ఆప్టికల్ ప్రవర్తనను బలంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. ఇంజనీరింగ్ అభ్యాసంలో, మెటీరియల్స్ సైన్స్ మరియు ఇంజనీరింగ్‌ను తరచుగా ప్రాసెసింగ్–నిర్మాణం–ధర్మాలు–పనితీరు (processing–structure–properties–performance) నమూనా ద్వారా వివరిస్తారు, ఇందులో ప్రాసెసింగ్ నిర్మాణాన్ని నిర్ణయిస్తుంది, నిర్మాణం ధర్మాలను నిర్ణయిస్తుంది, మరియు ధర్మాలు చివరికి సేవలో ఉన్న పదార్థం యొక్క పనితీరును నియంత్రిస్తాయి.[1]

మెటీరియల్స్ సైన్స్ యొక్క మేధోపరమైన మూలాలు జ్ఞానోదయ యుగం (Age of Enlightenment) నుండి వచ్చాయి, అప్పుడు పరిశోధకులు మెటలర్జీ (లోహశాస్త్రం) మరియు మినరాలజీ (ఖనిజశాస్త్రం) లోని పురాతన, ప్రకటనాత్మక పరిశీలనలను అర్థం చేసుకోవడానికి రసాయన శాస్త్రం, భౌతిక శాస్త్రం, మరియు ఇంజనీరింగ్ నుండి విశ్లేషణాత్మక ఆలోచనలను ఉపయోగించడం ప్రారంభించారు.[2][3] మెటీరియల్స్ సైన్స్ ఇప్పటికీ భౌతిక శాస్త్రం, రసాయన శాస్త్రం మరియు ఇంజనీరింగ్ అంశాలను కలిగి ఉంది. అందువల్ల, ఈ రంగాన్ని విద్యా సంస్థలు చాలా కాలం పాటు ఈ సంబంధిత రంగాల యొక్క ఉప-రంగంగా పరిగణించాయి. 1940ల నుండి, మెటీరియల్స్ సైన్స్ ఒక ప్రత్యేకమైన మరియు విభిన్నమైన విజ్ఞాన మరియు ఇంజనీరింగ్ రంగంగా మరింత విస్తృతంగా గుర్తించబడటం ప్రారంభమైంది, మరియు ప్రపంచవ్యాప్తంగా ఉన్న ప్రధాన సాంకేతిక విశ్వవిద్యాలయాలు దీని అధ్యయనం కోసం ప్రత్యేక పాఠశాలలను ఏర్పాటు చేశాయి.

ఒక పదార్థం యొక్క చరిత్ర (ప్రాసెసింగ్) దాని నిర్మాణం, ధర్మాలు మరియు పనితీరును ఎలా ప్రభావితం చేస్తుందో అధ్యయనం చేయడం ద్వారా, మెటీరియల్స్ శాస్త్రవేత్తలు బయోమెటీరియల్స్, మెటలర్జీ, మరియు నానోటెక్నాలజీ వంటి కొత్త సాంకేతికతలకు అనేక సహకారాలను అందించారు. మెటీరియల్స్ సైన్స్‌ను ఫోరెన్సిక్ ఇంజనీర్లు మరియు వైఫల్య విశ్లేషకులు (failure analysts) కూడా కీలకమైన భాగాలు ఎందుకు మరియు ఎలా విఫలమవుతాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపయోగిస్తారు, ఇది విమానయానం వంటి రంగాలలో ప్రమాదకరమైన మరియు ఖరీదైన ప్రమాదాలను నివారించడానికి సహాయపడుతుంది.

చరిత్ర

ప్రధాన వ్యాసం: History of materials science

ఒక తరువాతి కాంస్య యుగం కత్తి లేదా బాకు బ్లేడ్

ఒక నిర్దిష్ట కాలంలో ఎంచుకున్న పదార్థం తరచుగా ఒక నిర్వచించే అంశంగా ఉంటుంది. రాతి యుగం, కాంస్య యుగం, ఇనుప యుగం, మరియు ఉక్కు యుగం వంటి దశలు చారిత్రకమైనవి, అయితే ఇవి ఏకపక్ష ఉదాహరణలు. వాస్తవానికి సిరామిక్స్ తయారీ మరియు దాని ఊహాజనిత ఉత్పన్నమైన మెటలర్జీ నుండి ఉద్భవించిన మెటీరియల్స్ సైన్స్, ఇంజనీరింగ్ మరియు అనువర్తిత శాస్త్రం యొక్క[4] పురాతన రూపాలలో ఒకటి. ఆధునిక మెటీరియల్స్ సైన్స్ నేరుగా మెటలర్జీ నుండి పరిణామం చెందింది, ఇది స్వయంగా అగ్ని వినియోగం నుండి పరిణామం చెందింది. 19వ శతాబ్దం చివరలో పదార్థాల అవగాహనలో ఒక ప్రధాన పురోగతి సంభవించింది, అప్పుడు అమెరికన్ శాస్త్రవేత్త జోసియా విల్లార్డ్ గిబ్స్ వివిధ దశలలో పరమాణు నిర్మాణానికి సంబంధించిన థర్మోడైనమిక్ ధర్మాలు ఒక పదార్థం యొక్క భౌతిక ధర్మాలకు సంబంధించినవని నిరూపించారు.[5] ఆధునిక మెటీరియల్స్ సైన్స్‌లోని ముఖ్యమైన అంశాలు అంతరిక్ష రేసు (Space Race) యొక్క ఉత్పత్తులు; అంతరిక్ష వాహనాల నిర్మాణంలో ఉపయోగించే లోహపు మిశ్రమాలు, మరియు సిలికా మరియు కార్బన్ పదార్థాల అవగాహన మరియు ఇంజనీరింగ్ అంతరిక్ష అన్వేషణను సాధ్యం చేశాయి. మెటీరియల్స్ సైన్స్ రబ్బరు, ప్లాస్టిక్, సెమీకండక్టర్లు, మరియు బయోమెటీరియల్స్ వంటి విప్లవాత్మక సాంకేతికతల అభివృద్ధిని నడిపించింది మరియు వాటి ద్వారా నడపబడింది.

1960లకు ముందు (మరియు కొన్ని సందర్భాల్లో దశాబ్దాల తర్వాత), అనేక మెటీరియల్స్ సైన్స్ విభాగాలు 'మెటలర్జీ' లేదా 'సిరామిక్స్ ఇంజనీరింగ్' విభాగాలుగా ఉండేవి, ఇవి 19వ మరియు 20వ శతాబ్దపు ప్రారంభంలో లోహాలు మరియు సిరామిక్స్‌పై ఉన్న ప్రాధాన్యతను ప్రతిబింబిస్తాయి. యునైటెడ్ స్టేట్స్‌లో మెటీరియల్ సైన్స్ వృద్ధికి కొంతవరకు అడ్వాన్స్‌డ్ రీసెర్చ్ ప్రాజెక్ట్స్ ఏజెన్సీ ఉత్ప్రేరకంగా పనిచేసింది, ఇది 1960ల ప్రారంభంలో విశ్వవిద్యాలయాల ఆధ్వర్యంలో అనేక ప్రయోగశాలలకు నిధులు సమకూర్చింది, "మెటీరియల్స్ సైన్స్‌లో ప్రాథమిక పరిశోధన మరియు శిక్షణ యొక్క జాతీయ కార్యక్రమాన్ని విస్తరించడానికి."[6] మెకానికల్ ఇంజనీరింగ్‌తో పోలిస్తే, అభివృద్ధి చెందుతున్న మెటీరియల్ సైన్స్ రంగం పదార్థాలను స్థూల-స్థాయి నుండి పరిష్కరించడంపై మరియు సూక్ష్మ స్థాయిలో ప్రవర్తనపై జ్ఞానం ఆధారంగా పదార్థాలను రూపొందించడంపై దృష్టి సారించింది.[7] పరమాణు మరియు అణు ప్రక్రియల మధ్య సంబంధం మరియు పదార్థాల మొత్తం ధర్మాల గురించి విస్తరించిన జ్ఞానం కారణంగా, పదార్థాల రూపకల్పన నిర్దిష్ట కావలసిన ధర్మాల ఆధారంగా రూపొందించబడింది.[7] మెటీరియల్స్ సైన్స్ రంగం అప్పటి నుండి సిరామిక్స్, పాలిమర్లు, సెమీకండక్టర్లు, అయస్కాంత పదార్థాలు, బయోమెటీరియల్స్, మరియు నానోమెటీరియల్స్ వంటి ప్రతి తరగతి పదార్థాలను చేర్చడానికి విస్తరించింది, ఇవి సాధారణంగా మూడు విభిన్న సమూహాలుగా వర్గీకరించబడ్డాయి: సిరామిక్స్, లోహాలు, మరియు పాలిమర్లు. ఇటీవలి దశాబ్దాలలో మెటీరియల్స్ సైన్స్‌లో ప్రముఖ మార్పు ఏమిటంటే కొత్త పదార్థాలను కనుగొనడానికి, ధర్మాలను అంచనా వేయడానికి మరియు దృగ్విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి కంప్యూటర్ అనుకరణల (simulations) క్రియాశీల వినియోగం.

ప్రాథమికాంశాలు

టెట్రాహెడ్రాన్ రూపంలో సూచించబడిన పదార్థాల నమూనా (దీనిని మెటీరియల్ సైన్స్ మరియు ఇంజనీరింగ్ యొక్క కేంద్ర నమూనా అని కూడా పిలుస్తారు)[8]

ఒక పదార్థం అనేది ఒక పదార్ధంగా (చాలా తరచుగా ఘనపదార్థం, కానీ ఇతర ఘనీభవించిన దశలను కూడా చేర్చవచ్చు) నిర్వచించబడుతుంది, ఇది కొన్ని అనువర్తనాల కోసం ఉపయోగించబడుతుంది.[9] మన చుట్టూ అనేక పదార్థాలు ఉన్నాయి; అవి భవనాలు మరియు కార్ల నుండి అంతరిక్ష నౌకల వరకు దేనిలోనైనా చూడవచ్చు. పదార్థాల ప్రధాన తరగతులు లోహాలు, సెమీకండక్టర్లు, సిరామిక్స్ మరియు పాలిమర్లు.[10] అభివృద్ధి చేయబడుతున్న కొత్త మరియు అధునాతన పదార్థాలలో నానోమెటీరియల్స్, బయోమెటీరియల్స్,[10] మరియు శక్తి పదార్థాలు కొన్ని ఉదాహరణలు.[11]

మెటీరియల్స్ సైన్స్ యొక్క ఆధారం పదార్థాల నిర్మాణం, ఆ పదార్థాన్ని తయారు చేయడానికి ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులు మరియు ఫలితంగా వచ్చే పదార్థ ధర్మాల మధ్య పరస్పర చర్యను అధ్యయనం చేయడం. వీటి సంక్లిష్ట కలయిక ఒక నిర్దిష్ట అనువర్తనంలో పదార్థం యొక్క పనితీరును ఉత్పత్తి చేస్తుంది. అనేక పొడవు ప్రమాణాల (length scales) అంతటా అనేక లక్షణాలు పదార్థ పనితీరును ప్రభావితం చేస్తాయి, ఇందులో రసాయన మూలకాలు, దాని మైక్రోస్ట్రక్చర్, మరియు ప్రాసెసింగ్ నుండి వచ్చే స్థూల లక్షణాలు ఉంటాయి. థర్మోడైనమిక్స్ మరియు కైనెటిక్స్ నియమాలతో పాటు, మెటీరియల్స్ శాస్త్రవేత్తలు పదార్థాలను అర్థం చేసుకోవడానికి మరియు మెరుగుపరచడానికి ప్రయత్నిస్తారు.

నిర్మాణం

మెటీరియల్స్ సైన్స్ రంగంలో నిర్మాణం అత్యంత ముఖ్యమైన భాగాలలో ఒకటి. ఈ రంగం యొక్క నిర్వచనం ప్రకారం ఇది "పదార్థాల నిర్మాణాలు మరియు ధర్మాల మధ్య ఉన్న సంబంధాల" పరిశోధనకు సంబంధించినది.[12] మెటీరియల్స్ సైన్స్ పదార్థాల నిర్మాణాన్ని పరమాణు స్థాయి నుండి స్థూల స్థాయి వరకు పరిశీలిస్తుంది.[4] క్యారెక్టరైజేషన్ అనేది మెటీరియల్స్ శాస్త్రవేత్తలు ఒక పదార్థం యొక్క నిర్మాణాన్ని పరిశీలించే విధానం. ఇందులో ఎక్స్-రేలు, ఎలక్ట్రాన్లు లేదా న్యూట్రాన్లు తో డిఫ్రాక్షన్, మరియు రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ, ఎనర్జీ-డిస్పర్స్డ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ, క్రోమాటోగ్రఫీ, థర్మల్ అనాలిసిస్, ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ విశ్లేషణ వంటి వివిధ రకాల స్పెక్ట్రోస్కోపీ మరియు రసాయన విశ్లేషణ పద్ధతులు ఉంటాయి.

నిర్మాణం క్రింది స్థాయిలలో అధ్యయనం చేయబడుతుంది.

పరమాణు నిర్మాణం

ప్రధాన వ్యాసం: Atomic structure

పరమాణు నిర్మాణం పదార్థాల పరమాణువులతో మరియు అవి అణువులు, స్ఫటికాలు మొదలైన వాటిని ఎలా ఏర్పరుస్తాయో వ్యవహరిస్తుంది. పదార్థాల యొక్క విద్యుత్, అయస్కాంత మరియు రసాయన ధర్మాలలో చాలా వరకు ఈ నిర్మాణ స్థాయి నుండి ఉద్భవిస్తాయి. ఇందులో ఉండే పొడవు ప్రమాణాలు ఆంగ్‌స్ట్రామ్‌లలో (Å) ఉంటాయి. రసాయన బంధం మరియు పరమాణు అమరిక (స్ఫటిక శాస్త్రం) ఏదైనా పదార్థం యొక్క ధర్మాలు మరియు ప్రవర్తనను అధ్యయనం చేయడానికి ప్రాథమికమైనవి.

బంధం

ప్రధాన వ్యాసం: Chemical bonding

పదార్థ నిర్మాణం మరియు అది దాని ధర్మాలకు ఎలా సంబంధం కలిగి ఉందో పూర్తి అవగాహన పొందడానికి, మెటీరియల్స్ శాస్త్రవేత్త వివిధ పరమాణువులు, అయాన్లు మరియు అణువులు ఎలా అమర్చబడి మరియు ఒకదానికొకటి బంధించబడి ఉన్నాయో అధ్యయనం చేయాలి. ఇందులో క్వాంటం కెమిస్ట్రీ లేదా క్వాంటం ఫిజిక్స్ అధ్యయనం మరియు ఉపయోగం ఉంటాయి. సాలిడ్-స్టేట్ ఫిజిక్స్, సాలిడ్-స్టేట్ కెమిస్ట్రీ మరియు ఫిజికల్ కెమిస్ట్రీ కూడా బంధం మరియు నిర్మాణ అధ్యయనంలో పాల్గొంటాయి.

స్ఫటిక శాస్త్రం (Crystallography)

ప్రధాన వ్యాసం: Crystallography

రసాయన ఫార్ములా ABX3 కలిగిన పెరోవ్‌స్కైట్ యొక్క స్ఫటిక నిర్మాణం[13]

స్ఫటిక శాస్త్రం అనేది స్ఫటికాకార ఘనపదార్థాలలో పరమాణువుల అమరికను పరిశీలించే శాస్త్రం. స్ఫటిక శాస్త్రం మెటీరియల్స్ శాస్త్రవేత్తలకు ఉపయోగకరమైన సాధనం. ఒక పదార్థం యొక్క స్ఫటిక నిర్మాణం గురించి ప్రాథమిక భావనలలో యూనిట్ సెల్ ఒకటి, ఇది స్థూల స్ఫటిక నిర్మాణాన్ని రూపొందించడానికి పునరావృతమయ్యే స్ఫటిక లాటిస్ (స్పేస్ లాటిస్) యొక్క అతి చిన్న యూనిట్. అత్యంత సాధారణ నిర్మాణ పదార్థాలలో పారాలెలిపైపెడ్ మరియు హెక్సాగోనల్ లాటిస్ రకాలు ఉన్నాయి.[14] సింగిల్ క్రిస్టల్లలో, పరమాణువుల స్ఫటికాకార అమరిక యొక్క ప్రభావాలను స్థూలంగా చూడటం తరచుగా సులభం, ఎందుకంటే స్ఫటికాల సహజ ఆకారాలు పరమాణు నిర్మాణాన్ని ప్రతిబింబిస్తాయి. ఇంకా, భౌతిక ధర్మాలు తరచుగా స్ఫటికాకార లోపాల ద్వారా నియంత్రించబడతాయి. స్ఫటిక నిర్మాణాల అవగాహన స్ఫటికాకార లోపాలు (crystallographic defects) అర్థం చేసుకోవడానికి ఒక ముఖ్యమైన ముందస్తు షరతు. స్ఫటిక లోపాల ఉదాహరణలలో అంచులు, స్క్రూలు, ఖాళీలు, స్వీయ-ఇంటర్‌స్టీషియల్స్ మరియు మరిన్ని లీనియర్, ప్లానర్ మరియు త్రిమితీయ రకాల లోపాలు ఉంటాయి.[15] అభివృద్ధి చేయబడుతున్న కొత్త మరియు అధునాతన పదార్థాలలో నానోమెటీరియల్స్, బయోమెటీరియల్స్ ఉన్నాయి.[16] చాలా వరకు, పదార్థాలు ఒకే స్ఫటికంగా కాకుండా, పాలీక్రిస్టలైన్ రూపంలో, వివిధ దిశలతో కూడిన చిన్న స్ఫటికాలు లేదా ధాన్యాల సమూహంగా ఉంటాయి. దీని కారణంగా, పెద్ద సంఖ్యలో స్ఫటికాలు ఉన్న పాలీక్రిస్టలైన్ నమూనాల డిఫ్రాక్షన్ పద్ధతులను ఉపయోగించే పౌడర్ డిఫ్రాక్షన్ పద్ధతి, నిర్మాణ నిర్ణయంలో ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుంది. చాలా పదార్థాలు స్ఫటికాకార నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటాయి, కానీ కొన్ని ముఖ్యమైన పదార్థాలు క్రమబద్ధమైన స్ఫటిక నిర్మాణాన్ని ప్రదర్శించవు.[17] పాలిమర్లు వివిధ స్థాయిల స్ఫటికతను ప్రదర్శిస్తాయి, మరియు చాలా వరకు పూర్తిగా స్ఫటికాకారం కానివి. గాజు, కొన్ని సిరామిక్స్, మరియు అనేక సహజ పదార్థాలు అమోర్ఫస్ (అస్ఫటిక), ఇవి వాటి పరమాణు అమరికలలో ఎటువంటి దీర్ఘ-శ్రేణి క్రమాన్ని కలిగి ఉండవు. పాలిమర్ల అధ్యయనం భౌతిక ధర్మాల యొక్క థర్మోడైనమిక్ మరియు యాంత్రిక వివరణలను ఇవ్వడానికి రసాయన మరియు గణాంక థర్మోడైనమిక్స్ అంశాలను మిళితం చేస్తుంది.

నానోస్ట్రక్చర్

ప్రధాన వ్యాసం: Nanostructure

బక్మిన్‌స్టర్‌ఫుల్లరీన్ నానోస్ట్రక్చర్

నానోస్కేల్‌లో పరమాణువులు మరియు అణువులు ఘటకాలను ఏర్పరిచే పదార్థాలను (అంటే, అవి నానోస్ట్రక్చర్‌లను ఏర్పరుస్తాయి) నానోమెటీరియల్స్ అంటారు. నానోమెటీరియల్స్ ప్రదర్శించే ప్రత్యేక ధర్మాల కారణంగా మెటీరియల్స్ సైన్స్ కమ్యూనిటీలో ఇవి తీవ్రమైన పరిశోధనలకు సంబంధించినవి.

నానోస్ట్రక్చర్ 1 – 100 nm పరిధిలో ఉన్న వస్తువులు మరియు నిర్మాణాలతో వ్యవహరిస్తుంది.[18] అనేక పదార్థాలలో, పరమాణువులు లేదా అణువులు నానోస్కేల్‌లో వస్తువులను ఏర్పరచడానికి సమూహంగా ఏర్పడతాయి. ఇది అనేక ఆసక్తికరమైన విద్యుత్, అయస్కాంత, ఆప్టికల్ మరియు యాంత్రిక ధర్మాలను కలిగిస్తుంది.

నానోస్ట్రక్చర్‌లను వివరించడంలో, నానోస్కోపిక్ స్కేల్పై కొలతల సంఖ్యను వేరు చేయడం అవసరం.

నానోటెక్స్‌చర్డ్ ఉపరితలాలు నానోస్కేల్‌పై 'ఒక కొలతను' కలిగి ఉంటాయి, అంటే, ఒక వస్తువు యొక్క ఉపరితలం యొక్క మందం మాత్రమే 0.1 మరియు 100 nm మధ్య ఉంటుంది.

నానోట్యూబ్‌లు నానోస్కేల్‌పై 'రెండు కొలతలను' కలిగి ఉంటాయి, అంటే, ట్యూబ్ యొక్క వ్యాసం 0.1 మరియు 100 nm మధ్య ఉంటుంది; దాని పొడవు చాలా ఎక్కువగా ఉండవచ్చు.

చివరగా, గోళాకార నానోపార్టికల్స్ నానోస్కేల్‌పై 'మూడు కొలతలను' కలిగి ఉంటాయి, అంటే, కణం ప్రతి ప్రాదేశిక కొలతలో 0.1 మరియు 100 nm మధ్య ఉంటుంది. నానోపార్టికల్స్ మరియు అల్ట్రాఫైన్ పార్టికల్స్ (UFP) అనే పదాలు తరచుగా పర్యాయపదాలుగా ఉపయోగించబడతాయి, అయినప్పటికీ UFP మైక్రోమీటర్ పరిధిలోకి రావచ్చు. అయస్కాంత సాంకేతికతను సూచించేటప్పుడు 'నానోస్ట్రక్చర్' అనే పదం తరచుగా ఉపయోగించబడుతుంది. జీవశాస్త్రంలో నానోస్కేల్ నిర్మాణాన్ని తరచుగా అల్ట్రాస్ట్రక్చర్ అని పిలుస్తారు.

మైక్రోస్ట్రక్చర్

ప్రధాన వ్యాసం: Microstructure

పెర్లైట్ యొక్క మైక్రోస్ట్రక్చర్

మైక్రోస్ట్రక్చర్ అనేది 25× మాగ్నిఫికేషన్ కంటే ఎక్కువ మైక్రోస్కోప్ ద్వారా వెల్లడైన పదార్థం యొక్క తయారు చేయబడిన ఉపరితలం లేదా సన్నని రేకు యొక్క నిర్మాణంగా నిర్వచించబడింది. ఇది 100 nm నుండి కొన్ని cm వరకు ఉన్న వస్తువులతో వ్యవహరిస్తుంది. ఒక పదార్థం యొక్క మైక్రోస్ట్రక్చర్ (దీనిని విస్తృతంగా లోహ, పాలిమరిక్, సిరామిక్ మరియు కాంపోజిట్ అని వర్గీకరించవచ్చు) బలం, దృఢత్వం, డక్టిలిటీ, కాఠిన్యం, తుప్పు నిరోధకత, అధిక/తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ప్రవర్తన, దుస్తులు నిరోధకత వంటి భౌతిక ధర్మాలను బలంగా ప్రభావితం చేయగలదు.[19][20] చాలా సాంప్రదాయ పదార్థాలు (లోహాలు మరియు సిరామిక్స్ వంటివి) మైక్రోస్ట్రక్చర్ కలిగి ఉంటాయి.[21]

ఒక పదార్థం యొక్క ఖచ్చితమైన స్ఫటికాన్ని తయారు చేయడం భౌతికంగా అసాధ్యం. ఉదాహరణకు, ఏదైనా స్ఫటికాకార పదార్థం ప్రెసిపిటేట్స్, ధాన్యపు సరిహద్దులు (హాల్-పెచ్ సంబంధం), ఖాళీలు, ఇంటర్‌స్టీషియల్ పరమాణువులు లేదా సబ్‌స్టిట్యూషనల్ పరమాణువులు వంటి స్ఫటికాకార లోపాలు కలిగి ఉంటుంది.[22] పదార్థాల మైక్రోస్ట్రక్చర్ ఈ పెద్ద లోపాలను వెల్లడిస్తుంది మరియు అనుకరణలో పురోగతి లోపాలను పదార్థ ధర్మాలను మెరుగుపరచడానికి ఎలా ఉపయోగించవచ్చో అర్థం చేసుకోవడానికి అనుమతించింది.

స్థూల నిర్మాణం (Macrostructure)

స్థూల నిర్మాణం అనేది మిల్లీమీటర్ల నుండి మీటర్ల స్థాయిలో పదార్థం యొక్క రూపం, ఇది కంటితో కనిపించే పదార్థం యొక్క నిర్మాణం.[8]

ధర్మాలు

ప్రధాన వ్యాసం: List of materials properties

పదార్థాలు అనేక ధర్మాలను ప్రదర్శిస్తాయి, వీటిలో ఇవి ఉన్నాయి:

ఒక పదార్థం యొక్క ధర్మాలు దాని వినియోగాన్ని మరియు తద్వారా దాని ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాన్ని నిర్ణయిస్తాయి.

ప్రాసెసింగ్

సంశ్లేషణ మరియు ప్రాసెసింగ్‌లో కావలసిన మైక్రో-నానోస్ట్రక్చర్‌తో పదార్థాన్ని సృష్టించడం ఉంటుంది. దీని కోసం ఆర్థికంగా లాభదాయకమైన ఉత్పత్తి పద్ధతిని అభివృద్ధి చేయకపోతే పరిశ్రమలో పదార్థాన్ని ఉపయోగించలేము. అందువల్ల, సహేతుకంగా ప్రభావవంతమైన మరియు ఖర్చుతో కూడుకున్న పదార్థాల కోసం ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులను అభివృద్ధి చేయడం మెటీరియల్స్ సైన్స్ రంగానికి చాలా ముఖ్యమైనది. వివిధ పదార్థాలకు వేర్వేరు ప్రాసెసింగ్ లేదా సంశ్లేషణ పద్ధతులు అవసరం. ఉదాహరణకు, లోహాల ప్రాసెసింగ్ చారిత్రాత్మకంగా కాంస్య యుగం మరియు ఇనుప యుగం వంటి యుగాలను నిర్వచించింది మరియు ఇది భౌతిక మెటలర్జీ అనే మెటీరియల్స్ సైన్స్ శాఖ కింద అధ్యయనం చేయబడుతుంది. పాలిమర్లు, సిరామిక్స్, సెమీకండక్టర్లు, మరియు సన్నని పొరలు (thin films) వంటి ఇతర పదార్థాలను సంశ్లేషణ చేయడానికి రసాయన మరియు భౌతిక పద్ధతులు కూడా ఉపయోగించబడతాయి. 21వ శతాబ్దం ప్రారంభం నాటికి, గ్రాఫేన్ వంటి నానోమెటీరియల్స్‌ను సంశ్లేషణ చేయడానికి కొత్త పద్ధతులు అభివృద్ధి చేయబడుతున్నాయి.[23]

థర్మోడైనమిక్స్

ప్రధాన వ్యాసం: Thermodynamics

యూటెక్టిక్ పాయింట్‌ను ప్రదర్శించే బైనరీ సిస్టమ్ కోసం ఫేజ్ డయాగ్రామ్

థర్మోడైనమిక్స్ వేడి మరియు ఉష్ణోగ్రత మరియు శక్తి మరియు పని తో వాటి సంబంధానికి సంబంధించినది. ఇది స్థూల వేరియబుల్స్‌ను నిర్వచిస్తుంది, ఉదాహరణకు అంతర్గత శక్తి, ఎంట్రోపీ, మరియు పీడనం, ఇవి పదార్థం లేదా వికిరణం యొక్క శరీరాన్ని పాక్షికంగా వివరిస్తాయి. ఆ వేరియబుల్స్ యొక్క ప్రవర్తన అన్ని పదార్థాలకు సాధారణమైన సాధారణ పరిమితులకు లోబడి ఉంటుందని ఇది పేర్కొంటుంది. ఈ సాధారణ పరిమితులు థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క నాలుగు నియమాలలో వ్యక్తీకరించబడ్డాయి. థర్మోడైనమిక్స్ శరీరం యొక్క స్థూల ప్రవర్తనను వివరిస్తుంది, దాని సూక్ష్మ భాగాల యొక్క చాలా పెద్ద సంఖ్యల సూక్ష్మ ప్రవర్తనలను కాదు. ఈ సూక్ష్మ కణాల ప్రవర్తన గణాంక మెకానిక్స్ ద్వారా వివరించబడుతుంది, మరియు థర్మోడైనమిక్స్ నియమాలు దీని నుండి ఉద్భవించాయి.

థర్మోడైనమిక్స్ అధ్యయనం మెటీరియల్స్ సైన్స్‌కు ప్రాథమికమైనది. ఇది రసాయన చర్యలు, అయస్కాంతత్వం, పోలరైజబిలిటీ మరియు ఎలాస్టిసిటీతో సహా మెటీరియల్స్ సైన్స్ మరియు ఇంజనీరింగ్‌లోని సాధారణ దృగ్విషయాలను చికిత్స చేయడానికి పునాదిని ఏర్పరుస్తుంది.[24] ఇది ఫేజ్ డయాగ్రామ్లు మరియు ఫేజ్ సమతుల్యత వంటి భావనల వంటి ప్రాథమిక సాధనాలను వివరిస్తుంది.

కైనెటిక్స్

ప్రధాన వ్యాసం: Chemical kinetics

రసాయన కైనెటిక్స్ అనేది వివిధ శక్తుల ప్రభావంతో సమతుల్యత లేని వ్యవస్థలు మారే రేట్ల అధ్యయనం. మెటీరియల్స్ సైన్స్‌కు వర్తింపజేసినప్పుడు, ఇది ఒక పదార్థం కాలక్రమేణా ఎలా మారుతుందో (అసమతుల్యత నుండి సమతుల్య స్థితికి మారుతుంది) ఒక నిర్దిష్ట క్షేత్రం యొక్క అప్లికేషన్ కారణంగా వ్యవహరిస్తుంది. ఇది ఆకారం, పరిమాణం, కూర్పు మరియు నిర్మాణంతో సహా పదార్థాలలో అభివృద్ధి చెందుతున్న వివిధ ప్రక్రియల రేటును వివరిస్తుంది. కైనెటిక్స్ అధ్యయనంలో డిఫ్యూజన్ ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే పదార్థాలు మార్పుకు గురయ్యే అత్యంత సాధారణ యంత్రాంగం ఇదే.[25] పదార్థాల ప్రాసెసింగ్‌లో కైనెటిక్స్ అవసరం, ఎందుకంటే, ఇతర విషయాలతోపాటు, వేడిని వర్తింపజేసినప్పుడు మైక్రోస్ట్రక్చర్ ఎలా మారుతుందో ఇది వివరిస్తుంది.

పరిశోధన

సంవత్సరం వారీగా OpenAlex డేటాబేస్‌లో మెటీరియల్స్ సైన్స్ రంగంలో రచనల సంఖ్య[26] – 2025లో, నేచర్ గత రెండు సంవత్సరాలలో సంబంధిత రంగాలలో వ్యాసాల పరిమాణంలో పెద్ద పెరుగుదలలను నివేదించింది, అవి అత్యంత ప్రజాదరణ పొందుతున్న తదుపరి తరం గ్రీన్ టెక్నాలజీల అభివృద్ధికి మరియు రంగానికి ప్రాధాన్యతనిచ్చే నిర్దిష్ట దేశాలు మరియు ప్రాంతాల నుండి పెరుగుతున్న వ్యాసాల ఉత్పత్తికి దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉన్నాయని పేర్కొంది.[27]

మెటీరియల్స్ సైన్స్ పరిశోధన యొక్క అత్యంత క్రియాశీల ప్రాంతం. మెటీరియల్స్ సైన్స్ విభాగాలతో పాటు, భౌతిక శాస్త్రం, రసాయన శాస్త్రం, మరియు అనేక ఇంజనీరింగ్ విభాగాలు పదార్థాల పరిశోధనలో పాల్గొంటాయి. పదార్థాల పరిశోధన విస్తృత శ్రేణి అంశాలను కవర్ చేస్తుంది; క్రింది సమగ్రం కాని జాబితా కొన్ని ముఖ్యమైన పరిశోధనా ప్రాంతాలను హైలైట్ చేస్తుంది.

నానోమెటీరియల్స్

ప్రధాన వ్యాసం: Nanomaterials

కార్బన్ నానోట్యూబ్స్ బండిల్స్ యొక్క స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ చిత్రం

నానోమెటీరియల్స్ సూత్రప్రాయంగా, ఒకే యూనిట్ (కనీసం ఒక కొలతలో) 1 మరియు 1000 నానోమీటర్ల (10−9 మీటర్) మధ్య పరిమాణంలో ఉండే పదార్థాలను వివరిస్తాయి, కానీ సాధారణంగా 1 nm – 100 nm ఉంటాయి. నానోమెటీరియల్స్ పరిశోధన నానోటెక్నాలజీకి మెటీరియల్స్ సైన్స్ ఆధారిత విధానాన్ని తీసుకుంటుంది, మైక్రోఫ్యాబ్రికేషన్ పరిశోధనకు మద్దతుగా అభివృద్ధి చేయబడిన పదార్థాల మెట్రాలజీ మరియు సంశ్లేషణలో పురోగతిని ఉపయోగిస్తుంది. నానోస్కేల్‌లో నిర్మాణం ఉన్న పదార్థాలు తరచుగా ప్రత్యేకమైన ఆప్టికల్, ఎలక్ట్రానిక్ లేదా యాంత్రిక ధర్మాలను కలిగి ఉంటాయి. నానోమెటీరియల్స్ రంగం, సాంప్రదాయ రసాయన శాస్త్ర రంగం వలె, ఆర్గానిక్ (కార్బన్-ఆధారిత) నానోమెటీరియల్స్, ఫుల్లరీన్స్ వంటివి, మరియు సిలికాన్ వంటి ఇతర మూలకాలపై ఆధారపడిన అకర్బన నానోమెటీరియల్స్‌గా వదులుగా నిర్వహించబడింది. నానోమెటీరియల్స్ ఉదాహరణలలో ఫుల్లరీన్లు, కార్బన్ నానోట్యూబ్లు, నానోక్రిస్టల్స్ మొదలైనవి ఉన్నాయి.

బయోమెటీరియల్స్

ప్రధాన వ్యాసం: Biomaterial

నాటిలస్ షెల్ లోపల ఇరిడెసెంట్ నేకర్

బయోమెటీరియల్ అనేది జీవ వ్యవస్థలతో సంకర్షణ చెందే ఏదైనా పదార్థం, ఉపరితలం లేదా నిర్మాణం.[28] బయోమెటీరియల్స్ సైన్స్ వైద్యం, జీవశాస్త్రం, రసాయన శాస్త్రం, కణజాల ఇంజనీరింగ్ మరియు మెటీరియల్స్ సైన్స్ అంశాలను కలిగి ఉంటుంది.

బయోమెటీరియల్స్ ప్రకృతి నుండి పొందవచ్చు లేదా లోహ భాగాలు, పాలిమర్లు, బయోసెరామిక్స్, లేదా కాంపోజిట్ పదార్థాలు ఉపయోగించి వివిధ రసాయన విధానాలను ఉపయోగించి ప్రయోగశాలలో సంశ్లేషణ చేయవచ్చు. అవి తరచుగా వైద్య అనువర్తనాల కోసం ఉద్దేశించబడ్డాయి లేదా స్వీకరించబడ్డాయి, ఉదాహరణకు సహజ పనితీరును నిర్వహించే, పెంచే లేదా భర్తీ చేసే బయోమెడికల్ పరికరాలు. ఇటువంటి విధులు గుండె కవాటం కోసం ఉపయోగించడం వంటి నిరపాయమైనవి కావచ్చు, లేదా హైడ్రాక్సీఅపటైట్-కోటెడ్ హిప్ ఇంప్లాంట్లు వంటి మరింత ఇంటరాక్టివ్ కార్యాచరణతో జీవసంబంధిత చర్య కలిగి ఉండవచ్చు. బయోమెటీరియల్స్ ప్రతిరోజూ దంత అనువర్తనాలు, శస్త్రచికిత్స మరియు ఔషధ పంపిణీలో కూడా ఉపయోగించబడతాయి. ఉదాహరణకు, ఔషధ ఉత్పత్తులతో కూడిన నిర్మాణాన్ని శరీరంలో ఉంచవచ్చు, ఇది సుదీర్ఘ కాలం పాటు ఔషధం యొక్క విడుదలను అనుమతిస్తుంది. బయోమెటీరియల్ అనేది అవయవ మార్పిడి పదార్థంగా ఉపయోగించే ఆటోగ్రాఫ్ట్, అలోగ్రాఫ్ట్ లేదా జెనోగ్రాఫ్ట్ కూడా కావచ్చు.

ఎలక్ట్రానిక్, ఆప్టికల్ మరియు మాగ్నెటిక్

నెగటివ్ ఇండెక్స్ మెటామెటీరియల్[29][30]

నేడు సెమీకండక్టర్లు, లోహాలు మరియు సిరామిక్స్‌లను ఉపయోగించి ఇంటిగ్రేటెడ్ ఎలక్ట్రానిక్ సర్క్యూట్లు, ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు మరియు మాగ్నెటిక్ మరియు ఆప్టికల్ మాస్ స్టోరేజ్ మీడియా వంటి అత్యంత సంక్లిష్టమైన వ్యవస్థలను రూపొందిస్తున్నారు.

సెమీకండక్టర్లు ఈ రకమైన పదార్థాలకు సాంప్రదాయ ఉదాహరణ. ఇవి వాహకాలు మరియు బంధకాల మధ్యస్థ లక్షణాలను కలిగి ఉండే పదార్థాలు. వీటి విద్యుత్ వాహకత మలినాల గాఢతపై చాలా ఆధారపడి ఉంటుంది, దీనివల్ల కావలసిన ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలను పొందడానికి డోపింగ్ పద్ధతిని ఉపయోగించడం సాధ్యమవుతుంది. అందువల్ల, సెమీకండక్టర్లు సాంప్రదాయ కంప్యూటర్లకు పునాదిగా ఉన్నాయి.

ఈ రంగంలో సూపర్ కండక్టింగ్ పదార్థాలు, స్ప్రింట్రానిక్స్, మెటామెటీరియల్లు మొదలైన కొత్త పరిశోధనా రంగాలు కూడా ఉన్నాయి. ఈ పదార్థాల అధ్యయనంలో మెటీరియల్స్ సైన్స్ మరియు సాలిడ్-స్టేట్ ఫిజిక్స్ లేదా కండెన్స్‌డ్ మ్యాటర్ ఫిజిక్స్ పరిజ్ఞానం అవసరం.

కంప్యూటేషనల్ మెటీరియల్స్ సైన్స్

ప్రధాన వ్యాసం: కంప్యూటేషనల్ మెటీరియల్స్ సైన్స్

కంప్యూటింగ్ సామర్థ్యం నిరంతరం పెరుగుతుండటంతో, పదార్థాల ప్రవర్తనను అనుకరించడం (simulating) సాధ్యమైంది. ఇది మెటీరియల్ శాస్త్రవేత్తలకు పదార్థాల ప్రవర్తన మరియు యంత్రాంగాలను అర్థం చేసుకోవడానికి, కొత్త పదార్థాలను రూపొందించడానికి మరియు గతంలో సరిగ్గా అర్థం కాని లక్షణాలను వివరించడానికి వీలు కల్పిస్తుంది. ఇంటిగ్రేటెడ్ కంప్యూటేషనల్ మెటీరియల్స్ ఇంజనీరింగ్ చుట్టూ జరుగుతున్న ప్రయత్నాలు ఇప్పుడు కంప్యూటేషనల్ పద్ధతులను ప్రయోగాలతో కలపడంపై దృష్టి సారిస్తున్నాయి, తద్వారా ఒక నిర్దిష్ట అప్లికేషన్ కోసం పదార్థాల లక్షణాలను ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి పట్టే సమయం మరియు శ్రమను గణనీయంగా తగ్గించవచ్చు. ఇందులో డెన్సిటీ ఫంక్షనల్ థియరీ, మాలిక్యులర్ డైనమిక్స్, మోంటే కార్లో, డిస్లోకేషన్ డైనమిక్స్, ఫేజ్ ఫీల్డ్, ఫైనైట్ ఎలిమెంట్ వంటి పద్ధతులను ఉపయోగించి అన్ని పొడవు ప్రమాణాల వద్ద పదార్థాలను అనుకరించడం జరుగుతుంది.[31]

పరిశ్రమ

మూడు రకాల పదార్థాలతో చేసిన పానీయాల కంటైనర్లు: సిరామిక్ (గాజు), లోహం (అల్యూమినియం) మరియు పాలిమర్ (ప్లాస్టిక్).

రాడికల్ పదార్థాల పురోగతి కొత్త ఉత్పత్తులను లేదా కొత్త పరిశ్రమలను సృష్టించగలదు, అయితే స్థిరమైన పరిశ్రమలు కూడా మెటీరియల్ శాస్త్రవేత్తలను నియమించుకుని, ప్రస్తుతం ఉపయోగిస్తున్న పదార్థాలలో క్రమబద్ధమైన మెరుగుదలలు చేయడానికి మరియు సమస్యలను పరిష్కరించడానికి కృషి చేస్తాయి. మెటీరియల్స్ సైన్స్ యొక్క పారిశ్రామిక అనువర్తనాల్లో పదార్థాల రూపకల్పన, పదార్థాల పారిశ్రామిక ఉత్పత్తిలో వ్యయ-ప్రయోజన విశ్లేషణ, ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులు (కాస్టింగ్, రోలింగ్, వెల్డింగ్, అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్, క్రిస్టల్ గ్రోత్, థిన్-ఫిల్మ్ డిపాజిషన్, సింటరింగ్, గ్లాస్ బ్లోయింగ్ మొదలైనవి) మరియు విశ్లేషణాత్మక పద్ధతులు (ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ, ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్, క్యాలరీమెట్రీ, న్యూక్లియర్ మైక్రోస్కోపీ (HEFIB), రూథర్‌ఫోర్డ్ బ్యాక్‌స్కాటరింగ్, న్యూట్రాన్ డిఫ్రాక్షన్, స్మాల్-యాంగిల్ ఎక్స్-రే స్కాటరింగ్ (SAXS) వంటి క్యారెక్టరైజేషన్ పద్ధతులు) ఉన్నాయి.

పదార్థాల క్యారెక్టరైజేషన్‌తో పాటు, మెటీరియల్ శాస్త్రవేత్త లేదా ఇంజనీర్ పదార్థాలను వెలికితీయడం మరియు వాటిని ఉపయోగకరమైన రూపాల్లోకి మార్చడం వంటి పనులను కూడా చేస్తారు. అందువల్ల ఇంగోట్ కాస్టింగ్, ఫౌండ్రీ పద్ధతులు, బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్ ఎక్స్‌ట్రాక్షన్ మరియు ఎలక్ట్రోలైటిక్ ఎక్స్‌ట్రాక్షన్ అన్నీ మెటీరియల్స్ ఇంజనీర్‌కు అవసరమైన పరిజ్ఞానంలో భాగమే. తరచుగా ఒక బల్క్ పదార్థంలో ద్వితీయ మూలకాలు మరియు సమ్మేళనాల యొక్క స్వల్ప పరిమాణాల ఉనికి, లేకపోవడం లేదా మార్పు ఉత్పత్తి చేయబడిన పదార్థాల తుది లక్షణాలను బాగా ప్రభావితం చేస్తాయి. ఉదాహరణకు, ఉక్కును అందులో ఉండే కార్బన్ మరియు ఇతర మిశ్రమ మూలకాల యొక్క 1/10 మరియు 1/100 బరువు శాతాల ఆధారంగా వర్గీకరిస్తారు. అందువల్ల, బ్లాస్ట్ ఫర్నేస్‌లో ఇనుమును వెలికితీయడానికి ఉపయోగించే వెలికితీత మరియు శుద్ధి పద్ధతులు ఉత్పత్తి చేయబడిన ఉక్కు నాణ్యతను ప్రభావితం చేస్తాయి.

ఘన పదార్థాలను సాధారణంగా మూడు ప్రాథమిక వర్గాలుగా విభజిస్తారు: సిరామిక్స్, లోహాలు మరియు పాలిమర్లు. ఈ విస్తృత వర్గీకరణ ఘన పదార్థాల అనుభవపూర్వక నిర్మాణం మరియు పరమాణు నిర్మాణంపై ఆధారపడి ఉంటుంది, మరియు చాలా ఘనపదార్థాలు ఈ విస్తృత వర్గాలలో ఒకదానిలోకి వస్తాయి.[32] ఈ పదార్థాల రకాల్లో ప్రతిదానితో తరచుగా తయారు చేయబడే వస్తువు పానీయాల కంటైనర్. పానీయాల కంటైనర్ల కోసం ఉపయోగించే పదార్థ రకాలు, ఉపయోగించిన పదార్థాన్ని బట్టి వేర్వేరు ప్రయోజనాలను మరియు అప్రయోజనాలను అందిస్తాయి. సిరామిక్ (గాజు) కంటైనర్లు ఆప్టికల్‌గా పారదర్శకంగా ఉంటాయి, కార్బన్ డయాక్సైడ్ ప్రవాహానికి అభేద్యంగా ఉంటాయి, తక్కువ ఖర్చుతో కూడుకున్నవి మరియు సులభంగా రీసైకిల్ చేయబడతాయి, కానీ ఇవి బరువుగా ఉంటాయి మరియు సులభంగా పగిలిపోతాయి. లోహం (అల్యూమినియం మిశ్రమం) సాపేక్షంగా బలంగా ఉంటుంది, కార్బన్ డయాక్సైడ్ వ్యాప్తికి మంచి అడ్డంకిగా పనిచేస్తుంది మరియు సులభంగా రీసైకిల్ చేయబడుతుంది. అయితే, ఈ డబ్బాలు అపారదర్శకంగా ఉంటాయి, ఉత్పత్తి చేయడానికి ఖరీదైనవి మరియు సులభంగా డెంట్ పడతాయి మరియు రంధ్రాలు పడతాయి. పాలిమర్లు (పాలిథిలిన్ ప్లాస్టిక్) సాపేక్షంగా బలంగా ఉంటాయి, ఆప్టికల్‌గా పారదర్శకంగా ఉండగలవు, చౌకగా మరియు తేలికగా ఉంటాయి మరియు రీసైకిల్ చేయగలవు, కానీ అల్యూమినియం మరియు గాజు వలె కార్బన్ డయాక్సైడ్ ప్రవాహానికి అంతగా అభేద్యంగా ఉండవు.

సిరామిక్స్ మరియు గాజులు

ప్రధాన వ్యాసం: సిరామిక్

Si3N4 సిరామిక్ బేరింగ్ భాగాలు

మెటీరియల్స్ సైన్స్ యొక్క మరొక అనువర్తనం సిరామిక్లు మరియు గాజుల అధ్యయనం, ఇవి సాధారణంగా పారిశ్రామిక ప్రాముఖ్యత కలిగిన అత్యంత పెళుసైన పదార్థాలు. అనేక సిరామిక్స్ మరియు గాజులు SiO2 (సిలికాను) ప్రాథమిక నిర్మాణ యూనిట్‌గా కలిగి ఉండి, కోవాలెంట్ లేదా అయానిక్-కోవాలెంట్ బంధాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి. సిరామిక్స్ - ముడి, కాల్చని క్లేతో గందరగోళం చెందకూడదు - సాధారణంగా స్ఫటికాకార రూపంలో కనిపిస్తాయి. వాణిజ్య గాజులలో అధిక భాగం సిలికాతో కలిపిన మెటల్ ఆక్సైడ్‌ను కలిగి ఉంటాయి. గాజును తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, పదార్థం చిక్కని ద్రవంగా ఉంటుంది, ఇది చల్లబరిచినప్పుడు అస్తవ్యస్తమైన స్థితిలోకి ఘనీభవిస్తుంది. కిటికీ అద్దాలు మరియు కళ్లద్దాలు దీనికి ముఖ్యమైన ఉదాహరణలు. గాజు ఫైబర్‌లను సుదూర టెలికమ్యూనికేషన్ మరియు ఆప్టికల్ ట్రాన్స్‌మిషన్ కోసం కూడా ఉపయోగిస్తారు. స్క్రాచ్ రెసిస్టెంట్ కార్నింగ్ గొరిల్లా గ్లాస్ అనేది సాధారణ భాగాల లక్షణాలను గణనీయంగా మెరుగుపరచడానికి మెటీరియల్స్ సైన్స్ అనువర్తనానికి ఒక ప్రసిద్ధ ఉదాహరణ.

ఇంజనీరింగ్ సిరామిక్స్ వాటి దృఢత్వం మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతలు, సంపీడనం మరియు విద్యుత్ ఒత్తిడిలో స్థిరత్వానికి ప్రసిద్ధి చెందాయి. అల్యూమినా, సిలికాన్ కార్బైడ్ మరియు టంగ్‌స్టన్ కార్బైడ్లను వాటి భాగాల యొక్క చక్కటి పొడి నుండి సింటరింగ్ ప్రక్రియ ద్వారా బైండర్‌తో తయారు చేస్తారు. హాట్ ప్రెసింగ్ అధిక సాంద్రత కలిగిన పదార్థాన్ని అందిస్తుంది. కెమికల్ వేపర్ డిపాజిషన్ ద్వారా ఒక సిరామిక్ ఫిల్మ్‌ను మరొక పదార్థంపై ఉంచవచ్చు. సెర్మెట్స్ (Cermets) అనేవి కొన్ని లోహాలను కలిగి ఉన్న సిరామిక్ కణాలు. సాధనాల దుస్తులు నిరోధకత (wear resistance) సిమెంటెడ్ కార్బైడ్ల నుండి వస్తుంది, దీనిలో లక్షణాలను మార్చడానికి సాధారణంగా కోబాల్ట్ మరియు నికెల్ లోహ దశలను కలుపుతారు.

క్రాక్ డిఫ్లెక్షన్ సూత్రాన్ని ఉపయోగించి ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాల కోసం సిరామిక్స్‌ను గణనీయంగా బలోపేతం చేయవచ్చు.[33] ఈ ప్రక్రియలో సిరామిక్ మాతృకలో వ్యూహాత్మకంగా సెకండ్-ఫేజ్ కణాలను చేర్చడం, క్రాక్ వ్యాప్తిని నిర్దేశించడానికి మరియు నియంత్రించడానికి వాటి ఆకారం, పరిమాణం మరియు పంపిణీని ఆప్టిమైజ్ చేయడం జరుగుతుంది. ఈ విధానం ఫ్రాక్చర్ టఫ్నెస్‌ను పెంచుతుంది, ఇది వివిధ పరిశ్రమలలో అధునాతన, అధిక-పనితీరు గల సిరామిక్స్‌ల సృష్టికి మార్గం సుగమం చేస్తుంది.[34]

కాంపోజిట్లు

ప్రధాన వ్యాసం: కాంపోజిట్ మెటీరియల్

మానవ జుట్టు కంటే చాలా పెద్దదైన దానిపై కూర్చున్న 6 μm వ్యాసం కలిగిన కార్బన్ ఫిలమెంట్ (ఎడమ దిగువ నుండి కుడి ఎగువకు)

పరిశ్రమలో మెటీరియల్స్ సైన్స్ యొక్క మరొక అనువర్తనం కాంపోజిట్ మెటీరియల్లను తయారు చేయడం. ఇవి రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ స్థూల దశలతో కూడిన నిర్మాణాత్మక పదార్థాలు.

వీటి అనువర్తనాలు స్టీల్-రీన్‌ఫోర్స్డ్ కాంక్రీట్ వంటి నిర్మాణ మూలకాల నుండి, నాసా యొక్క స్పేస్ షటిల్ థర్మల్ ప్రొటెక్షన్ సిస్టమ్లో కీలకమైన మరియు సమగ్ర పాత్ర పోషించే థర్మల్ ఇన్సులేటింగ్ టైల్స్ వరకు ఉంటాయి, ఇది భూమి వాతావరణంలోకి తిరిగి ప్రవేశించేటప్పుడు షటిల్ ఉపరితలాన్ని వేడి నుండి రక్షించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. ఒక ఉదాహరణ రీన్‌ఫోర్స్డ్ కార్బన్-కార్బన్ (RCC), ఇది లేత బూడిద రంగు పదార్థం, ఇది 1510 C వరకు తిరిగి ప్రవేశించే ఉష్ణోగ్రతలను తట్టుకుంటుంది మరియు స్పేస్ షటిల్ యొక్క వింగ్ లీడింగ్ ఎడ్జ్‌లు మరియు నోస్ క్యాప్‌ను రక్షిస్తుంది.[35] RCC అనేది గ్రాఫైట్ రేయాన్ వస్త్రంతో తయారు చేయబడిన మరియు ఫినోలిక్ రెసిన్తో కలిపిన లామినేటెడ్ కాంపోజిట్ పదార్థం. ఆటోక్లేవ్‌లో అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద క్యూరింగ్ చేసిన తర్వాత, రెసిన్‌ను కార్బన్‌గా మార్చడానికి లామినేట్ను పైరోలైజ్ చేస్తారు, వాక్యూమ్ ఛాంబర్‌లో ఫర్‌ఫ్యూరిల్ ఆల్కహాల్తో కలిపి, ఫర్‌ఫ్యూరిల్ ఆల్కహాల్‌ను కార్బన్‌గా మార్చడానికి క్యూరింగ్-పైరోలైజ్ చేస్తారు. పునర్వినియోగం కోసం ఆక్సీకరణ నిరోధకతను అందించడానికి, RCC యొక్క బయటి పొరలను సిలికాన్ కార్బైడ్గా మారుస్తారు.

టెలివిజన్ సెట్లు, సెల్-ఫోన్‌లు మొదలైన వాటి "ప్లాస్టిక్" కేసింగ్‌లలో ఇతర ఉదాహరణలను చూడవచ్చు. ఈ ప్లాస్టిక్ కేసింగ్‌లు సాధారణంగా అక్రిలోనిట్రైల్ బ్యూటాడైన్ స్టైరిన్ (ABS) వంటి థర్మోప్లాస్టిక్ మాతృకతో తయారు చేయబడిన కాంపోజిట్ పదార్థం, దీనిలో బలం, బల్క్ లేదా ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ డిస్పర్షన్ కోసం కాల్షియం కార్బోనేట్ చాక్, టాల్క్, గ్లాస్ ఫైబర్లు లేదా కార్బన్ ఫైబర్లను కలుపుతారు. ఈ అదనపు పదార్థాలను వాటి ప్రయోజనాన్ని బట్టి రీన్‌ఫోర్సింగ్ ఫైబర్స్ లేదా డిస్పర్సెంట్స్ అని పిలవవచ్చు.

పాలిమర్లు

ప్రధాన వ్యాసం: పాలిమర్

పాలిమర్ పాలిప్రొఫైలిన్ యొక్క రిపీటింగ్ యూనిట్
ఎక్స్‌పాండెడ్ పాలిస్టైరిన్ పాలిమర్ ప్యాకేజింగ్

పాలిమర్లు గొలుసుల వలె ఒకదానికొకటి అనుసంధానించబడిన పెద్ద సంఖ్యలో ఒకే విధమైన భాగాలతో తయారైన రసాయన సమ్మేళనాలు.[36] పాలిమర్లు సాధారణంగా ప్లాస్టిక్స్ మరియు రబ్బరు అని పిలవబడే వాటిని తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే ముడి పదార్థాలు (రెసిన్లు). ప్లాస్టిక్స్ మరియు రబ్బరు తుది ఉత్పత్తి, ఇది ప్రాసెసింగ్ సమయంలో ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ పాలిమర్లు లేదా సంకలితాలను రెసిన్‌కు కలిపిన తర్వాత సృష్టించబడుతుంది, ఇది తుది రూపంలోకి మార్చబడుతుంది. గతంలో మరియు ప్రస్తుతం విస్తృతంగా ఉపయోగంలో ఉన్న ప్లాస్టిక్లలో పాలిథిలిన్, పాలిప్రొఫైలిన్, పాలివినైల్ క్లోరైడ్ (PVC), పాలిస్టైరిన్, నైలాన్లు, పాలిస్టర్లు, అక్రిలిక్లు, పాలియురేథేన్లు మరియు పాలికార్బోనేట్లు ఉన్నాయి. రబ్బర్లలో సహజ రబ్బరు, స్టైరిన్-బ్యూటాడైన్ రబ్బరు, క్లోరోప్రేన్ మరియు బ్యూటాడైన్ రబ్బరు ఉన్నాయి. ప్లాస్టిక్‌లను సాధారణంగా 'కమోడిటీ', 'స్పెషాలిటీ' మరియు 'ఇంజనీరింగ్' ప్లాస్టిక్లుగా వర్గీకరిస్తారు.

పాలివినైల్ క్లోరైడ్ (PVC) విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది, చౌకగా ఉంటుంది మరియు వార్షిక ఉత్పత్తి పరిమాణాలు ఎక్కువగా ఉంటాయి. ఇది కృత్రిమ తోలు నుండి విద్యుత్ ఇన్సులేషన్ మరియు కేబులింగ్, ప్యాకేజింగ్ మరియు కంటైనర్లు వరకు అనేక రకాల అనువర్తనాలకు ఉపయోగపడుతుంది. దీని తయారీ మరియు ప్రాసెసింగ్ సరళమైనవి మరియు బాగా స్థిరపడినవి. PVC యొక్క బహుముఖ ప్రజ్ఞ అది అంగీకరించే విస్తృత శ్రేణి ప్లాస్టిసైజర్లు మరియు ఇతర సంకలితాల వల్ల వస్తుంది.[37] పాలిమర్ సైన్స్‌లో "సంకలితాలు" (additives) అనే పదం పాలిమర్ బేస్ యొక్క పదార్థ లక్షణాలను మార్చడానికి జోడించబడిన రసాయనాలు మరియు సమ్మేళనాలను సూచిస్తుంది.

పాలికార్బోనేట్ సాధారణంగా ఇంజనీరింగ్ ప్లాస్టిక్‌గా పరిగణించబడుతుంది (ఇతర ఉదాహరణలలో PEEK, ABS ఉన్నాయి). ఇటువంటి ప్లాస్టిక్‌లు వాటి అత్యుత్తమ బలాలు మరియు ఇతర ప్రత్యేక పదార్థ లక్షణాల కోసం విలువైనవి. కమోడిటీ ప్లాస్టిక్‌ల వలె కాకుండా, వీటిని సాధారణంగా డిస్పోజబుల్ అనువర్తనాల కోసం ఉపయోగించరు.

స్పెషాలిటీ ప్లాస్టిక్‌లు అల్ట్రా-హై స్ట్రెంత్, ఎలక్ట్రికల్ కండక్టివిటీ, ఎలక్ట్రో-ఫ్లోరోసెన్స్, అధిక ఉష్ణ స్థిరత్వం మొదలైన ప్రత్యేక లక్షణాలను కలిగి ఉన్న పదార్థాలు.

వివిధ రకాల ప్లాస్టిక్‌ల మధ్య విభజన రేఖలు పదార్థంపై కాకుండా వాటి లక్షణాలు మరియు అనువర్తనాలపై ఆధారపడి ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, పాలిథిలిన్ (PE) అనేది షాపింగ్ మరియు చెత్త కోసం డిస్పోజబుల్ బ్యాగ్‌లను తయారు చేయడానికి సాధారణంగా ఉపయోగించే చౌకైన, తక్కువ ఘర్షణ కలిగిన పాలిమర్ మరియు దీనిని కమోడిటీ ప్లాస్టిక్‌గా పరిగణిస్తారు, అయితే మీడియం-డెన్సిటీ పాలిథిలిన్ (MDPE) భూగర్భ గ్యాస్ మరియు నీటి పైపుల కోసం ఉపయోగించబడుతుంది, మరియు అల్ట్రా-హై-మాలిక్యులర్-వెయిట్ పాలిథిలిన్ (UHMWPE) అని పిలువబడే మరొక రకం ఇంజనీరింగ్ ప్లాస్టిక్, దీనిని పారిశ్రామిక పరికరాల కోసం గ్లైడ్ రైల్స్‌గా మరియు ఇంప్లాంట్ చేయబడిన హిప్ జాయింట్లలో తక్కువ ఘర్షణ సాకెట్‌గా విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు.

లోహ మిశ్రమాలు

ప్రధాన వ్యాసం: అల్లాయ్

ఉక్కు మిశ్రమంతో చేసిన వైర్ రోప్

ఇనుము యొక్క మిశ్రమాలు (ఉక్కు, స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్, కాస్ట్ ఐరన్, టూల్ స్టీల్, అల్లాయ్ స్టీల్లు) నేడు పరిమాణం మరియు వాణిజ్య విలువ రెండింటి పరంగా లోహాలలో అతిపెద్ద భాగాన్ని కలిగి ఉన్నాయి.

ఇనుమును వివిధ నిష్పత్తులలో కార్బన్‌తో కలిపితే తక్కువ, మధ్యస్థ మరియు హై కార్బన్ స్టీల్లు వస్తాయి. ఇనుము-కార్బన్ మిశ్రమాన్ని కార్బన్ స్థాయి బరువు ప్రకారం 0.01% మరియు 2.00% మధ్య ఉంటేనే ఉక్కుగా పరిగణిస్తారు. ఉక్కు కోసం, దాని కాఠిన్యం మరియు తన్యత బలం (tensile strength) అందులో ఉన్న కార్బన్ మొత్తానికి సంబంధించినవి, కార్బన్ స్థాయిలు పెరిగేకొద్దీ డక్టిలిటీ మరియు టఫ్నెస్ తగ్గుతాయి. అయితే, క్వెంచింగ్ మరియు టెంపరింగ్ వంటి హీట్ ట్రీట్‌మెంట్ ప్రక్రియలు ఈ లక్షణాలను గణనీయంగా మార్చగలవు. దీనికి విరుద్ధంగా, కొన్ని లోహ మిశ్రమాలు ప్రత్యేక లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి, ఇక్కడ వాటి పరిమాణం మరియు సాంద్రత ఉష్ణోగ్రతల పరిధిలో మారకుండా ఉంటాయి.[38] కాస్ట్ ఐరన్‌ను 2.00% కంటే ఎక్కువ, కానీ 6.67% కంటే తక్కువ కార్బన్ కలిగిన ఇనుము-కార్బన్ మిశ్రమంగా నిర్వచించారు. స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్‌ను 10% కంటే ఎక్కువ బరువున్న క్రోమియం మిశ్రమ కంటెంట్ కలిగిన సాధారణ ఉక్కు మిశ్రమంగా నిర్వచించారు. స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్స్‌లో సాధారణంగా నికెల్ మరియు మాలిబ్డినం కూడా కలుపుతారు.

ఇతర ముఖ్యమైన లోహ మిశ్రమాలు అల్యూమినియం, టైటానియం, రాగి మరియు మెగ్నీషియం మిశ్రమాలు. రాగి మిశ్రమాలు చాలా కాలంగా (కాంస్య యుగం నుండి) తెలుసు, అయితే మిగిలిన మూడు లోహాల మిశ్రమాలు ఇటీవల అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. ఈ లోహాల రసాయన చర్యాశీలత కారణంగా, అవసరమైన ఎలక్ట్రోలైటిక్ వెలికితీత ప్రక్రియలు ఇటీవల మాత్రమే అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. అల్యూమినియం, టైటానియం మరియు మెగ్నీషియం మిశ్రమాలు వాటి అధిక బలం-బరువు నిష్పత్తులకు మరియు మెగ్నీషియం విషయంలో, విద్యుదయస్కాంత షీల్డింగ్‌ను అందించే సామర్థ్యానికి ప్రసిద్ధి చెందాయి.[39] ఏరోస్పేస్ పరిశ్రమ మరియు కొన్ని ఆటోమోటివ్ ఇంజనీరింగ్ అనువర్తనాల వంటి బల్క్ ఖర్చు కంటే అధిక బలం-బరువు నిష్పత్తులు ముఖ్యమైన పరిస్థితులకు ఈ పదార్థాలు అనువైనవి.

సెమీకండక్టర్లు

ప్రధాన వ్యాసం: సెమీకండక్టర్

సెమీకండక్టర్ అనేది వాహకం మరియు బంధకం మధ్య నిరోధకత కలిగిన పదార్థం. ఆధునిక ఎలక్ట్రానిక్స్ సెమీకండక్టర్లపై నడుస్తాయి, మరియు ఈ పరిశ్రమ 2021లో సుమారు US$530 బిలియన్ల మార్కెట్‌ను కలిగి ఉంది.[40] డోపింగ్ అని పిలువబడే ప్రక్రియలో ఉద్దేశపూర్వకంగా మలినాలను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా దీని ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలను బాగా మార్చవచ్చు. సెమీకండక్టర్ పదార్థాలను డయోడ్లు, ట్రాన్సిస్టర్లు, లైట్-ఎమిటింగ్ డయోడ్లు (LEDలు) మరియు అనలాగ్ మరియు డిజిటల్ ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లను నిర్మించడానికి ఉపయోగిస్తారు. సెమీకండక్టర్ పరికరాలు చాలా అనువర్తనాల్లో వాక్యూమ్ ట్యూబ్‌ల వంటి థర్మియోనిక్ పరికరాలను భర్తీ చేశాయి. సెమీకండక్టర్ పరికరాలను విడి పరికరాలుగా మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్లు (ICలు)గా తయారు చేస్తారు, ఇవి ఒకే సెమీకండక్టర్ సబ్‌స్ట్రేట్పై తయారు చేయబడిన మరియు అనుసంధానించబడిన కొన్ని నుండి మిలియన్ల కొద్దీ పరికరాలను కలిగి ఉంటాయి.[41]

నేడు వాడుకలో ఉన్న అన్ని సెమీకండక్టర్లలో, సిలికాన్ పరిమాణం మరియు వాణిజ్య విలువ రెండింటి పరంగా అతిపెద్ద భాగాన్ని కలిగి ఉంది. మోనోక్రిస్టలైన్ సిలికాన్‌ను సెమీకండక్టర్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్స్ పరిశ్రమలో ఉపయోగించే వేఫర్‌లను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు. గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs) రెండవ అత్యంత ప్రజాదరణ పొందిన సెమీకండక్టర్. సిలికాన్‌తో పోలిస్తే దీని అధిక ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ మరియు శాచురేషన్ వెలాసిటీ కారణంగా, ఇది హై-స్పీడ్ ఎలక్ట్రానిక్స్ అనువర్తనాలకు ఎంపిక చేయబడిన పదార్థం. ఈ అత్యుత్తమ లక్షణాలు మొబైల్ ఫోన్లు, శాటిలైట్ కమ్యూనికేషన్లు, మైక్రోవేవ్ పాయింట్-టు-పాయింట్ లింకులు మరియు అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ రాడార్ వ్యవస్థలలో GaAs సర్క్యూట్రీని ఉపయోగించడానికి బలవంతపు కారణాలు. ఇతర సెమీకండక్టర్ పదార్థాలలో జర్మానియం, సిలికాన్ కార్బైడ్ మరియు గాలియం నైట్రైడ్ ఉన్నాయి మరియు ఇవి వివిధ అనువర్తనాలను కలిగి ఉన్నాయి.

ఇతర రంగాలతో సంబంధం

సంక్లిష్ట పదార్థ పరిభాష కోసం శోధన పదాలను దృశ్యమానం చేసే గూగుల్ ఎన్-గ్రామ్ వ్యూయర్-చిత్రం (1940–2018). ఆకుపచ్చ: "మెటీరియల్స్ సైన్స్", ఎరుపు: "కండెన్స్‌డ్ మ్యాటర్ ఫిజిక్స్" మరియు నీలం: "సాలిడ్ స్టేట్ ఫిజిక్స్".

మెటీరియల్స్ సైన్స్ 1950ల నుండి అభివృద్ధి చెందింది, ఎందుకంటే కొత్త పదార్థాలను సృష్టించడానికి, కనుగొనడానికి మరియు రూపొందించడానికి, దానిని ఏకీకృత పద్ధతిలో సంప్రదించాలని గుర్తించబడింది. అందువల్ల, మెటీరియల్స్ సైన్స్ మరియు ఇంజనీరింగ్ అనేక విధాలుగా ఉద్భవించాయి: ఇప్పటికే ఉన్న మెటలర్జీ మరియు సిరామిక్స్ ఇంజనీరింగ్ విభాగాలను పేరు మార్చడం మరియు/లేదా కలపడం; ఇప్పటికే ఉన్న సాలిడ్ స్టేట్ ఫిజిక్స్ పరిశోధన నుండి విడిపోవడం (ఇది స్వయంగా కండెన్స్‌డ్ మ్యాటర్ ఫిజిక్స్గా అభివృద్ధి చెందింది); సాపేక్షంగా కొత్త పాలిమర్ ఇంజనీరింగ్ మరియు పాలిమర్ సైన్స్ను చేర్చుకోవడం; మునుపటి వాటి నుండి, అలాగే కెమిస్ట్రీ, కెమికల్ ఇంజనీరింగ్, మెకానికల్ ఇంజనీరింగ్ మరియు ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీరింగ్ నుండి తిరిగి కలపడం; మరియు మరిన్ని.

మెటీరియల్స్ సైన్స్ మరియు ఇంజనీరింగ్ రంగం శాస్త్రీయ కోణం నుండి మరియు అనువర్తనాల రంగం రెండింటికీ ముఖ్యమైనది. ఇంజనీర్లకు (లేదా ఇతర అనువర్తిత రంగాలకు) పదార్థాలు అత్యంత ముఖ్యమైనవి, ఎందుకంటే వ్యవస్థలను రూపొందించేటప్పుడు తగిన పదార్థాలను ఉపయోగించడం చాలా కీలకం. ఫలితంగా, మెటీరియల్స్ సైన్స్ ఇంజనీర్ విద్యలో పెరుగుతున్న ముఖ్యమైన భాగం.

మెటీరియల్స్ ఫిజిక్స్ అనేది పదార్థాల భౌతిక లక్షణాలను వివరించడానికి భౌతికశాస్త్రం యొక్క ఉపయోగం. ఇది కెమిస్ట్రీ, సాలిడ్ మెకానిక్స్, సాలిడ్ స్టేట్ ఫిజిక్స్ మరియు మెటీరియల్స్ సైన్స్ వంటి భౌతిక శాస్త్రాల సంశ్లేషణ. మెటీరియల్స్ ఫిజిక్స్‌ను కండెన్స్‌డ్ మ్యాటర్ ఫిజిక్స్లో ఒక ఉపసమితిగా పరిగణిస్తారు మరియు ఇది సాంకేతిక ఆసక్తి ఉన్న పదార్థాలతో సహా సంక్లిష్ట మల్టీఫేజ్ మీడియాకు ప్రాథమిక కండెన్స్‌డ్ మ్యాటర్ భావనలను వర్తింపజేస్తుంది. మెటీరియల్ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు పనిచేసే ప్రస్తుత రంగాలలో ఎలక్ట్రానిక్, ఆప్టికల్ మరియు మాగ్నెటిక్ పదార్థాలు, నవల పదార్థాలు మరియు నిర్మాణాలు, పదార్థాలలో క్వాంటం దృగ్విషయాలు, నాన్-ఈక్విలిబ్రియం ఫిజిక్స్ మరియు సాఫ్ట్ కండెన్స్‌డ్ మ్యాటర్ ఫిజిక్స్ ఉన్నాయి. కొత్త ప్రయోగాత్మక మరియు కంప్యూటేషనల్ సాధనాలు పదార్థాల వ్యవస్థలను ఎలా మోడల్ చేయాలి మరియు అధ్యయనం చేయాలి అనే దానిని నిరంతరం మెరుగుపరుస్తున్నాయి మరియు ఇవి మెటీరియల్ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు పనిచేసే రంగాలు కూడా.

ఈ రంగం అంతర్లీనంగా అంతర్-క్రమశిక్షణా (interdisciplinary) స్వభావం కలిగి ఉంటుంది, మరియు మెటీరియల్ శాస్త్రవేత్తలు లేదా ఇంజనీర్లు భౌతిక శాస్త్రవేత్త, రసాయన శాస్త్రవేత్త మరియు ఇంజనీర్ యొక్క పద్ధతుల గురించి తెలుసుకోవాలి మరియు వాటిని ఉపయోగించాలి. దీనికి విరుద్ధంగా, జీవశాస్త్రం మరియు పురావస్తు శాస్త్రం వంటి రంగాలు కొత్త పదార్థాలు మరియు ప్రక్రియల అభివృద్ధికి, బయోఇన్‌స్పైర్డ్ మరియు పాలియో-ఇన్‌స్పైర్డ్ విధానాలలో స్ఫూర్తినిస్తాయి. అందువల్ల, ఈ రంగాలతో సన్నిహిత సంబంధాలు ఉన్నాయి. దీనికి విరుద్ధంగా, అనేక భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు, రసాయన శాస్త్రవేత్తలు మరియు ఇంజనీర్లు రంగాల మధ్య గణనీయమైన అతివ్యాప్తి కారణంగా మెటీరియల్స్ సైన్స్‌లో పనిచేస్తున్నారు.

ఎమర్జింగ్ టెక్నాలజీలు

అభివృద్ధి చెందుతున్న సాంకేతికత స్థితి పక్కన పెట్టబడే అవకాశం ఉన్న సాంకేతికతలు సంభావ్య అనువర్తనాలు సంబంధిత వ్యాసాలు
ఏరోజెల్ ఊహాజనిత, ప్రయోగాలు, విస్తరణ,

ప్రారంభ ఉపయోగాలు

సాంప్రదాయ ఇన్సులేషన్, గాజు మెరుగైన ఇన్సులేషన్, పారదర్శకంగా తయారు చేయగలిగితే ఇన్సులేటివ్ గ్లాస్, చమురు పైప్‌లైన్‌ల కోసం స్లీవ్‌లు, ఏరోస్పేస్, అధిక-వేడి & తీవ్రమైన చలి అనువర్తనాలు
అమోర్ఫస్ మెటల్ ప్రయోగాలు కెవ్లర్ కవచం (Armor)
వాహక పాలిమర్‌లు పరిశోధన, ప్రయోగాలు, నమూనాలు వాహకాలు తేలికైన మరియు చౌకైన వైర్లు, యాంటీస్టాటిక్ పదార్థాలు, ఆర్గానిక్ సోలార్ సెల్‌లు
Femtotechnology, ఫెమ్టోటెక్నాలజీ, పికోటెక్నాలజీ ఊహాజనిత ప్రస్తుత అణు సాంకేతికత కొత్త పదార్థాలు; అణు ఆయుధాలు, శక్తి
ఫుల్లరీన్ ప్రయోగాలు, విస్తరణ సింథటిక్ డైమండ్ మరియు కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు (బక్కీపేపర్) ప్రోగ్రామబుల్ మ్యాటర్
గ్రాఫేన్ ఊహాజనిత, ప్రయోగాలు, విస్తరణ,

ప్రారంభ ఉపయోగాలు[42][43]

సిలికాన్-ఆధారిత ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ బరువుతో పోలిస్తే అధిక బలం కలిగిన భాగాలు, అధిక పౌనఃపున్యం వద్ద పనిచేసే ట్రాన్సిస్టర్‌లు, మొబైల్ పరికరాల్లో తక్కువ ఖర్చుతో కూడిన డిస్‌ప్లే స్క్రీన్‌లు, ఫ్యూయల్ సెల్ ఆధారిత కార్ల కోసం హైడ్రోజన్ నిల్వ, వడపోత వ్యవస్థలు, ఎక్కువ కాలం మన్నికైన మరియు వేగంగా ఛార్జ్ అయ్యే బ్యాటరీలు, వ్యాధులను నిర్ధారించే సెన్సార్‌లు[44] గ్రాఫేన్ యొక్క సంభావ్య అనువర్తనాలు
అధిక-ఉష్ణోగ్రత సూపర్ కండక్టివిటీ మొబైల్ ఫోన్ బేస్ స్టేషన్‌ల కోసం క్రయోజెనిక్ రిసీవర్ ఫ్రంట్-ఎండ్ (CRFE) RF మరియు మైక్రోవేవ్ ఫిల్టర్ వ్యవస్థలు; డ్రై ఐస్లో నమూనాలు; అధిక ఉష్ణోగ్రతల కోసం ఊహాజనిత మరియు ప్రయోగాలు[45] రాగి తీగ, సెమీకండక్టర్ ఇంటిగ్రల్ సర్క్యూట్లు నష్టం లేని వాహకాలు, ఘర్షణ లేని బేరింగ్‌లు, మాగ్నెటిక్ లెవిటేషన్, నష్టం లేని అధిక-సామర్థ్య అక్యుమ్యులేటర్లు, ఎలక్ట్రిక్ కార్లు, వేడి లేని ఇంటిగ్రల్ సర్క్యూట్లు మరియు ప్రాసెసర్‌లు
లిట్రాకాన్ ప్రయోగాలు, ఇప్పటికే యూరప్ గేట్ తయారీలో ఉపయోగించబడింది గాజు ఆకాశహర్మ్యాలు, టవర్లు మరియు యూరప్ గేట్ వంటి శిల్పాల నిర్మాణం
మెటామెటీరియల్స్ ఊహాజనిత, ప్రయోగాలు, విస్తరణ[46] క్లాసికల్ ఆప్టిక్స్ మైక్రోస్కోప్‌లు, కెమెరాలు, మెటామెటీరియల్ క్లోకింగ్, క్లోకింగ్ పరికరాలు
మెటల్ ఫోమ్ పరిశోధన, వాణిజ్యీకరణ నౌకల నిర్మాణం (Hulls) అంతరిక్ష వలసలు, తేలియాడే నగరాలు
మల్టీ ఫంక్షన్ స్ట్రక్చర్‌లు[47] ఊహాజనిత, ప్రయోగాలు, కొన్ని నమూనాలు, తక్కువ వాణిజ్య వినియోగం కాంపోజిట్ పదార్థాలు విస్తృత శ్రేణి, ఉదా., స్వీయ-ఆరోగ్య పర్యవేక్షణ, స్వీయ-నివారణ పదార్థం, మార్ఫింగ్
నానోమెటీరియల్స్: కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు ఊహాజనిత, ప్రయోగాలు, విస్తరణ,

ప్రారంభ ఉపయోగాలు[48][49]

నిర్మాణ ఉక్కు మరియు అల్యూమినియం బలమైన, తేలికైన పదార్థాలు, స్పేస్ ఎలివేటర్ కార్బన్ నానోట్యూబ్‌ల సంభావ్య అనువర్తనాలు, కార్బన్ ఫైబర్
ప్రోగ్రామబుల్ మ్యాటర్ ఊహాజనిత, ప్రయోగాలు[50][51] కోటింగ్‌లు, ఉత్ప్రేరకాలు విస్తృత శ్రేణి, ఉదా., క్లేట్రానిక్స్, సింథటిక్ బయాలజీ
క్వాంటం డాట్‌లు పరిశోధన, ప్రయోగాలు, నమూనాలు[52] LCD, LED క్వాంటం డాట్ లేజర్, డిస్‌ప్లే సాంకేతికతలలో (టీవీ, ప్రొజెక్షన్) ప్రోగ్రామబుల్ మ్యాటర్‌గా భవిష్యత్తు ఉపయోగం, ఆప్టికల్ డేటా కమ్యూనికేషన్స్ (అధిక-వేగవంతమైన డేటా ప్రసారం), వైద్యం (లేజర్ స్కాల్పెల్)
సిలిసీన్ ఊహాజనిత, పరిశోధన ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు

ఉప విభాగాలు

పదార్థ విజ్ఞాన శాస్త్రంలోని ప్రధాన శాఖలు నాలుగు రకాల పదార్థాల నుండి ఉద్భవించాయి: సిరామిక్స్, లోహాలు, పాలిమర్‌లు మరియు కాంపోజిట్లు.

అదనంగా, పదార్థాలతో సంబంధం లేకుండా విస్తృతంగా వర్తించే ప్రయత్నాలు ఉన్నాయి.

పదార్థాల అంతటా నిర్దిష్ట దృగ్విషయాలు మరియు పద్ధతులపై సాపేక్షంగా విస్తృతమైన దృష్టి కూడా ఉంది.

సంబంధిత లేదా అంతర్విషయ రంగాలు

వృత్తిపరమైన సంఘాలు

ఇవి కూడా చూడండి

ప్రస్తావనలు

ఉల్లేఖనాలు

  1. ↑ Callister, William (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction. (10th ed.). Hoboken, NJ: Wiley. pp. 3–5. ISBN 9781119321590.
  2. ↑ Eddy, Matthew Daniel (2008). The Language of Mineralogy: John Walker, Chemistry and the Edinburgh Medical School 1750–1800. Ashgate Publishing – via Academia.edu. Archived from the original on 2015-09-03.
  3. ↑ Smith, Cyril Stanley (1981). A Search for Structure. MIT Press. ISBN 978-0-262-19191-3.
  4. ↑ 4.0 4.1 Defonseka, Chris (2020). Polymer Fillers and Stiffening Agents: Applications and Non-traditional Alternatives. Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co KG. p. 31. ISBN 978-3-11-066999-2.
  5. ↑ Psillos, Dimitris; Kariotoglou, Petros (2015). Iterative Design of Teaching-Learning Sequences: Introducing the Science of Materials in European Schools. Dordrecht: Springer. p. 79. ISBN 978-94-007-7807-8.
  6. ↑ Martin, Joseph D. (2015). “What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science”. Physics in Perspective. 17 (1): 3–32. Bibcode 2015PhP....17....3M. doi:10.1007/s00016-014-0151-7. S2CID 117809375.
  7. ↑ 7.0 7.1 Channell, David F. (2017). A History of Technoscience: Erasing the Boundaries between Science and Technology. Oxon: Routledge. p. 225. ISBN 978-1-351-97740-1.
  8. ↑ 8.0 8.1 Callister, William D., Jr. Materials science and engineering: an introduction. (10th ed.). Wiley. ISBN 9781119321590.
  9. ↑ "For Authors: Nature Materials" ఆర్కైవ్ చేసిన కాపీ
  10. ↑ 10.0 10.1 Callister; Rethwisch (2009). Materials Science and Engineering – An Introduction. (8th ed.). John Wiley and Sons. pp. 5–12.
  11. ↑ Goodenough, John B.; Kim, Youngsik (2009-08-28). “Challenges for Rechargeable Li Batteries”. Chemistry of Materials. 22 (3): 587–603. doi:10.1021/cm901452z. ISSN 0897-4756.
  12. ↑ Zagorodni, Andrei A. (2006). Ion Exchange Materials: Properties and Applications. Amsterdam: Elsevier. p. xi. ISBN 978-0-08-044552-6.
  13. ↑ A. Navrotsky (1998). “Energetics and Crystal Chemical Systematics among Ilmenite, Lithium Niobate, and Perovskite Structures”. Chem. Mater.. 10 (10): 2787–2793. Bibcode 1998ChMat..10.2787N. doi:10.1021/cm9801901.
  14. ↑ Callister, Jr., Rethwisch. "Materials Science and Engineering – An Introduction" (8th ed.) John Wiley and Sons, 2009
  15. ↑ Callister, Jr., Rethwisch. "Materials Science and Engineering – An Introduction" (8th ed.). John Wiley and Sons, 2009
  16. ↑ Callister, Jr., Rethwisch. Materials Science and Engineering – An Introduction (8th ed.)
  17. ↑ Gavezzotti, Angelo (1994-10-01). “Are Crystal Structures Predictable?”. Accounts of Chemical Research. 27 (10): 309–314. doi:10.1021/ar00046a004. ISSN 0001-4842.
  18. ↑ Cristina Buzea; Ivan Pacheco; Kevin Robbie (2007). “Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity”. Biointerphases. 2 (4): MR17–MR71. arXiv:0801.3280. doi:10.1116/1.2815690. PMID 20419892. S2CID 35457219. Archived from the original on 2012-07-03.
  19. ↑ Fu, Jinlong; Tan, Wei (2025). “Stochastic reconstruction of multiphase composite microstructures using statistics-encoded neural network for poro/micro-mechanical modelling”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 441. arXiv:2501.07083. Bibcode 2025CMAME.44117986F. doi:10.1016/j.cma.2025.117986. article-number: 117986.
  20. ↑ Filip, R; Kubiak, K; Ziaja, W; Sieniawski, J (2003). “The effect of microstructure on the mechanical properties of two-phase titanium alloys”. Journal of Materials Processing Technology. 133 (1–2): 84–89. doi:10.1016/s0924-0136(02)00248-0. ISSN 0924-0136.
  21. ↑ Fu, Jinlong; Wang, Min; Xiao, Dunhui; Zhong, Shan; Ge, Xiangyun; Wu, Minglu (2023). “Hierarchical reconstruction of 3D well-connected porous media from 2D exemplars using statistics-informed neural network”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 410. Bibcode 2023CMAME.41016049F. doi:10.1016/j.cma.2023.116049. OSTI 1974987. article-number: 116049.
  22. ↑ “Crystal Structure Defects and Imperfections”. Crystalline Imperfections: Key Topics in Materials Science and Engineering. ASM International. pp. 1–12. 2021-10-01. ISBN 978-1-62708-389-8. doi:10.31399/asm.tb.ciktmse.t56020001. S2CID 244023491.
  23. ↑ Mbayachi, Vestince B.; Ndayiragije, Euphrem; Sammani, Thirasara; Taj, Sunaina; Mbuta, Elice R.; khan, Atta ullah (2021). “Graphene synthesis, characterization and its applications: A review”. Results in Chemistry. 3. doi:10.1016/j.rechem.2021.100163. hdl:1983/aea78566-fadf-4369-8ebf-3c2163b14897. article-number: 100163.
  24. ↑ Liu, Zi-Kui (2020). “Computational thermodynamics and its applications”. Acta Materialia. 200: 745–792. Bibcode 2020AcMat.200..745L. doi:10.1016/j.actamat.2020.08.008. S2CID 225430517. ISSN 1359-6454.
  25. ↑ Kärger, Jörg; Ruthven, Douglas M.; Theodorou, Doros N. (2012-04-25). Diffusion in Nanoporous Materials. Wiley. ISBN 978-3-527-31024-1. doi:10.1002/9783527651276.
  26. ↑ “Open Alex Data Evolution”. Observable. Retrieved 13 April 2026.
  27. ↑ “Why did the Nature Index grow by 16% in 2024?”. Nature Index. 7 July 2025. Retrieved 13 April 2026.
  28. ↑ Morhardt, Duncan R.; Mauney, Joshua R.; Estrada, Carlos R. (2019-01-01). “Role of Biomaterials in Surgery”. Reis, Rui L. (ed.). Encyclopedia of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Oxford: Academic Press. pp. 315–330. ISBN 978-0-12-813700-0. doi:10.1016/b978-0-12-801238-3.65845-2. Retrieved 2024-04-28.
  29. ↑ Shelby, R. A.; Smith D.R.; Shultz S.; Nemat-Nasser S.C. (2001). “Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial”. Applied Physics Letters. 78 (4): 489. Bibcode 2001ApPhL..78..489S. doi:10.1063/1.1343489. Archived from the original on June 18, 2010.
  30. ↑ Smith, D. R.; Padilla, WJ; Vier, DC; Nemat-Nasser, SC; Schultz, S (2000). “Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity”. Physical Review Letters. 84 (18): 4184–7. Bibcode 2000PhRvL..84.4184S. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4184. PMID 10990641.
  31. ↑ Schmidt, Jonathan; Marques, Mário R. G.; Botti, Silvana; Marques, Miguel A. L. (2019-08-08). “Recent advances and applications of machine learning in solid-state materials science”. npj Computational Materials. 5 (1): 83. Bibcode 2019npjCM...5...83S. doi:10.1038/s41524-019-0221-0. S2CID 199492241. ISSN 2057-3960.
  32. ↑ Callister, William D.; Rethwish, David G. (2018). Materials Science and Engineering an Introduction. (10th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley and Sons. p. 12. ISBN 978-0-470-41997-7.
  33. ↑ Faber, K. T.; Evans, A. G. (1983-04-01). “Crack deflection processes—I. Theory”. Acta Metallurgica. 31 (4): 565–576. Bibcode 1983AcMet..31..565F. doi:10.1016/0001-6160(83)90046-9. ISSN 0001-6160.
  34. ↑ Faber, K. T.; Evans, A. G. (1983-04-01). “Crack deflection processes—II. Experiment”. Acta Metallurgica. 31 (4): 577–584. Bibcode 1983AcMet..31..577F. doi:10.1016/0001-6160(83)90047-0. ISSN 0001-6160.
  35. ↑ Green, D. (2005). “IPV6 BEnefits to the Warfighter”. MILCOM 2005 – 2005 IEEE Military Communications Conference. IEEE. pp. 1–6. ISBN 0-7803-9393-7. doi:10.1109/milcom.2005.1606007. S2CID 31152759.
  36. ↑ “Explainer: What are polymers?” (in en-US). 2017-10-13. Retrieved 2024-05-02.
  37. ↑ Bernard, L.; Cueff, R.; Breysse, C.; Décaudin, B.; Sautou, V. (2015-05-15). “Migrability of PVC plasticizers from medical devices into a simulant of infused solutions”. International Journal of Pharmaceutics. 485 (1): 341–347. Bibcode 2015IJPha.485..341B. doi:10.1016/j.ijpharm.2015.03.030. PMID 25796128. ISSN 0378-5173.
  38. ↑ Lohaus, S. H.; Heine, M.; Guzman, P.; Bernal-Choban, C. M.; Saunders, C. N.; Shen, G.; Hellman, O.; Broido, D.; Fultz, B. (2023-07-27). “A thermodynamic explanation of the Invar effect”. Nature Physics. 19 (11): 1642–1648. Bibcode 2023NatPh..19.1642L. doi:10.1038/s41567-023-02142-z. OSTI 1993279. S2CID 260266502. ISSN 1745-2481.
  39. ↑ Chen, Xianhua; Liu, Lizi; Liu, Juan; Pan, Fusheng (2015). “Microstructure, electromagnetic shielding effectiveness and mechanical properties of Mg–Zn–Y–Zr alloys”. Materials & Design. 65: 360–369. doi:10.1016/j.matdes.2014.09.034. ISSN 0261-3069.
  40. ↑ “Semiconductor Market Size, Share & COVID-19 Impact Analysis, By Component (Memory Devices, Logic Devices, Analog IC, MPU, Discrete Power Devices, MCU, Sensors, and Others), By Application (Networking & Communications, Data Processing, Industrial, Consumer Electronics, Automotive, and Government), and Regional Forecast, 2022–2029”. Fortune Business Insights. 16 July 2023. Archived from the original on 11 June 2023. Retrieved 16 July 2023.
  41. ↑ “Semiconductor Industry Careers”. 2013-09-06. Archived from the original on 2016-06-04. Retrieved 2016-05-15.
  42. ↑ “Is graphene a miracle material?”. BBC Click. 21 May 2011. Retrieved 18 November 2011.
  43. ↑ “Could graphene be the new silicon?”. The Guardian. 13 November 2011. Archived from the original on 2 September 2013. Retrieved 18 November 2011.
  44. ↑ “Applications of Graphene under Development”. understandingnano.com. Archived from the original on 2014-09-21.
  45. ↑ “The 'new age' of super materials”. BBC News. 5 March 2007. Retrieved 27 April 2011.
  46. ↑ “Strides in Materials, but No Invisibility Cloak”. The New York Times. 8 November 2010. Archived from the original on 1 July 2017. Retrieved 21 April 2011.
  47. ↑ NAE Website: Frontiers of Engineering ఆర్కైవ్ చేసిన కాపీ. Nae.edu. Retrieved 22 February 2011.
  48. ↑ “Carbon nanotubes used to make batteries from fabrics”. BBC News. 21 January 2010. Retrieved 27 April 2011.
  49. ↑ “Researchers One Step Closer to Building Synthetic Brain”. Daily Tech. 25 April 2011. Archived from the original on 29 April 2011. Retrieved 27 April 2011.
  50. ↑ “Pentagon Developing Shape-Shifting 'Transformers' for Battlefield”. Fox News. 10 June 2009. Archived from the original on 5 February 2011. Retrieved 26 April 2011.
  51. ↑ “Intel: Programmable matter takes shape”. ZD Net. 22 August 2008. Archived from the original on 10 February 2013. Retrieved 2 January 2012.
  52. ↑ “'Quantum dots' to boost performance of mobile cameras”. BBC News. 22 March 2010. Retrieved 16 April 2011.

[1]

గ్రంథ పట్టిక

మరింత చదవడానికి

బాహ్య లింకులు

వికీమీడియా కామన్స్: Materials science వికీబుక్స్: Materials Science

eo:Materiala Inĝenierarto

మూలం: ఇంగ్లీష్ వికీపీడియాలోని “Materials science” వ్యాసానికి అనువాదం. మూల వ్యాసం: https://en.wikipedia.org/wiki/Materials_science ఈ అనువాదం స్వయంచాలకంగా రూపొందించబడింది.

  1. ↑ Cite error: Invalid <ref> tag; no text was provided for refs named :3
Retrieved from "https://ltrc.sciwiki.in/index.php?title=మెటీరియల్స్_సైన్స్&oldid=6112"