صلب

جزء من سلسلة عن
ميكانيكا المتصل
${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi }{dx}}}$ قوانين فيك للانتشار
القوانين الحفاظ على البيئة كتلة دَفعَة طاقة عدم المساواة كلاوزيوس-دوهيم (الإنتروبيا)
ميكانيكا المواد الصلبة تشوه مرونة خطي اللدونة قانون هوك ضغط أَضْنَى إجهاد محدود إجهاد لا متناهي في الصغر التوافق ثني ميكانيكا الاتصال احتكاكي نظرية فشل المواد ميكانيكا الكسر
ميكانيكا الموائع السوائل الاستاتيكا  · الديناميكيات مبدأ أرخميدس  · مبدأ برنولي معادلات نافير-ستوكس معادلة بوازويل  · قانون باسكال اللزوجة ( نيوتنيّة  · غير نيوتنيّة ) الطفو  · الاختلاط  · الضغط السوائل التصاق الخاصية الشعرية الكروماتوغرافيا التماسك (الكيمياء) التوتر السطحي الغازات أَجواء قانون بويل قانون شارل قانون الغازات المركبة قانون فيك Gay-Lussac's law Graham's law Plasma
Rheology Viscoelasticity Rheometry Rheometer Smart fluids Electrorheological Magnetorheological Ferrofluids
Scientists Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Fick Gay-Lussac Graham Hooke Newton Navier Noll Pascal Stokes Truesdell
v t e

Condensed matter physics
Phases Phase transition QCP
States of matter Solid Liquid Gas Plasma Bose–Einstein condensate Bose gas Fermionic condensate Fermi gas Fermi liquid Supersolid Superfluidity Luttinger liquid Time crystal
Phase phenomena Order parameter Phase transition QCP
Electronic phases Electronic band structure Plasma Insulator Mott insulator Semiconductor Semimetal Conductor Superconductor Thermoelectric Piezoelectric Ferroelectric Topological insulator Spin gapless semiconductor
Electronic phenomena Quantum Hall effect Spin Hall effect Kondo effect
Magnetic phases Diamagnet Superdiamagnet Paramagnet Superparamagnet Ferromagnet Antiferromagnet Metamagnet Spin glass
Quasiparticles Phonon Exciton Plasmon Polariton Polaron Magnon Roton
Soft matter Amorphous solid Colloid Granular material Liquid crystal Polymer
Scientists Van der Waals Onnes von Laue Bragg Debye Bloch Onsager Mott Peierls Landau Luttinger Anderson Van Vleck Hubbard Shockley Bardeen Cooper Schrieffer Josephson Louis Néel Esaki Giaever Kohn Kadanoff Fisher Wilson von Klitzing Binnig Rohrer Bednorz Müller Laughlin Störmer Yang Tsui Abrikosov Ginzburg Leggett Parisi Wetterich Perdew
Physics portal  Category
v t e

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Solid" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (May 2017) (Learn how and when to remove this message)

المادة الصلبة هي إحدى الحالات الأربع الأساسية للمادة إلى جانب السائل والغاز والبلازما . تكون الجزيئات في المادة الصلبة متراصة معًا بشكل وثيق وتحتوي على أقل قدر من الطاقة الحركية. تتميز المادة الصلبة بالصلابة البنيوية (كما في الأجسام الصلبة ) ومقاومة القوة المطبقة على السطح . على عكس السائل، لا يتدفق الجسم الصلب ليأخذ شكل الحاوية الخاصة به، ولا يتمدد لملء الحجم المتاح بالكامل مثل الغاز. ترتبط الذرات في المادة الصلبة ببعضها البعض، إما في شبكة هندسية منتظمة ( المواد الصلبة البلورية ، والتي تشمل المعادن والجليد العادي )، أو بشكل غير منتظم ( مادة صلبة غير متبلورة مثل زجاج النوافذ الشائع). لا يمكن ضغط المواد الصلبة بضغط قليل بينما يمكن ضغط الغازات بضغط قليل لأن الجزيئات في الغاز متراصة بشكل فضفاض.

الفرع من الفيزياء الذي يتعامل مع المواد الصلبة يسمى فيزياء الحالة الصلبة ، وهو الفرع الرئيسي لفيزياء المادة المكثفة (التي تشمل أيضًا السوائل). يهتم علم المواد في المقام الأول بالخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد الصلبة. يهتم علم كيمياء الحالة الصلبة بشكل خاص بتركيب المواد الجديدة، بالإضافة إلى علم التعريف والتركيب الكيميائي .

قد يتم ترتيب الذرات أو الجزيئات أو الأيونات التي تشكل المواد الصلبة في نمط متكرر منظم، أو بشكل غير منتظم. تُعرف المواد التي يتم ترتيب مكوناتها في نمط منتظم بالبلورات . في بعض الحالات، يمكن أن يستمر الترتيب المنتظم دون انقطاع على نطاق واسع، على سبيل المثال الماس، حيث يكون كل ماسة عبارة عن بلورة واحدة . نادرًا ما تتكون الأجسام الصلبة التي تكون كبيرة بما يكفي لرؤيتها والتعامل معها من بلورة واحدة، ولكنها تتكون بدلاً من ذلك من عدد كبير من البلورات المفردة، والمعروفة باسم البلورات ، والتي يمكن أن يختلف حجمها من بضعة نانومتر إلى عدة أمتار. تسمى هذه المواد متعددة البلورات . جميع المعادن الشائعة تقريبًا، والعديد من السيراميك ، متعددة البلورات.

في المواد الأخرى، لا يوجد ترتيب طويل المدى في موضع الذرات. تُعرف هذه المواد الصلبة بالمواد الصلبة غير المتبلورة ؛ ومن الأمثلة على ذلك البوليسترين والزجاج.

يعتمد كون المادة الصلبة متبلورة أو غير متبلورة على المادة المستخدمة والظروف التي تشكلت فيها. تميل المواد الصلبة التي تتشكل بالتبريد البطيء إلى أن تكون متبلورة، في حين أن المواد الصلبة التي تتجمد بسرعة تكون أكثر عرضة لأن تكون غير متبلورة. وعلى نحو مماثل، فإن البنية البلورية المحددة التي تتبناها المادة الصلبة المتبلورة تعتمد على المادة المستخدمة وعلى كيفية تشكلها.

في حين أن العديد من الأشياء الشائعة، مثل مكعب الثلج أو العملة المعدنية، متطابقة كيميائيًا في جميع الأنحاء، فإن العديد من المواد الشائعة الأخرى تتكون من عدد من المواد المختلفة المجمعة معًا. على سبيل المثال، الصخر النموذجي هو عبارة عن مجموعة من عدة معادن ومعادن مختلفة ، بدون تركيبة كيميائية محددة. الخشب مادة عضوية طبيعية تتكون في المقام الأول من ألياف السليلوز المضمنة في مصفوفة من اللجنين العضوي . في علم المواد، يمكن تصميم مركبات من أكثر من مادة مكونة بحيث يكون لها الخصائص المرغوبة.

يمكن أن تتخذ القوى بين الذرات في مادة صلبة مجموعة متنوعة من الأشكال. على سبيل المثال، تتكون بلورة كلوريد الصوديوم (ملح الطعام) من أيونات الصوديوم والكلور ، والتي يتم ربطها معًا بواسطة روابط أيونية . ^[1] في الماس ^[2] أو السيليكون، تتقاسم الذرات الإلكترونات وتشكل روابط تساهمية . ^[3] في المعادن، يتم تقاسم الإلكترونات في الرابطة المعدنية . ^[4] يتم ربط بعض المواد الصلبة، وخاصة معظم المركبات العضوية، معًا بواسطة قوى فان دير فال الناتجة عن استقطاب سحابة الشحنة الإلكترونية على كل جزيء. تنشأ الاختلافات بين أنواع المواد الصلبة من الاختلافات بين روابطها.

المعادن عادة ما تكون قوية وكثيفة وموصلة جيدة للكهرباء والحرارة . ^{[5] [6]} معظم العناصر في الجدول الدوري ، تلك الموجودة على يسار الخط القطري المرسوم من البورون إلى البولونيوم ، هي معادن. تُعرف مخاليط عنصرين أو أكثر حيث يكون المكون الرئيسي عبارة عن معدن باسم السبائك .

يستخدم الناس المعادن لأغراض متنوعة منذ عصور ما قبل التاريخ. وقد أدت قوة المعادن وموثوقيتها إلى استخدامها على نطاق واسع في تشييد المباني والهياكل الأخرى، وكذلك في معظم المركبات، والعديد من الأجهزة والأدوات، والأنابيب، وعلامات الطرق وخطوط السكك الحديدية. الحديد والألمنيوم هما أكثر المعادن الهيكلية استخدامًا. كما أنهما أكثر المعادن وفرة في قشرة الأرض . يستخدم الحديد بشكل شائع في شكل سبيكة، الفولاذ، الذي يحتوي على ما يصل إلى 2.1٪ من الكربون ، مما يجعله أكثر صلابة من الحديد النقي.

ولأن المعادن موصلات جيدة للكهرباء، فهي مفيدة في الأجهزة الكهربائية وفي حمل التيار الكهربائي لمسافات طويلة مع قلة فقد الطاقة أو تبديدها. وبالتالي، تعتمد شبكات الطاقة الكهربائية على الكابلات المعدنية لتوزيع الكهرباء. على سبيل المثال، يتم توصيل أنظمة الكهرباء المنزلية بالنحاس لخصائصه الموصلة الجيدة وسهولة تصنيعه. كما أن الموصلية الحرارية العالية لمعظم المعادن تجعلها مفيدة أيضًا لأواني الطهي على الموقد.

تشكل دراسة العناصر المعدنية وسبائكها جزءًا كبيرًا من مجالات كيمياء الحالة الصلبة والفيزياء وعلوم المواد والهندسة.

ترتبط المواد الصلبة المعدنية ببعضها البعض من خلال كثافة عالية من الإلكترونات المشتركة غير الموضعية، والمعروفة باسم " الترابط المعدني ". في المعدن، تفقد الذرات بسهولة إلكتروناتها الخارجية ("التكافؤ")، مكونة أيونات موجبة . تنتشر الإلكترونات الحرة على كامل المادة الصلبة، والتي يتم تثبيتها معًا بقوة من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية بين الأيونات وسحابة الإلكترونات. ^[7] يمنح العدد الكبير من الإلكترونات الحرة المعادن قيمها العالية من التوصيل الكهربائي والحراري. تمنع الإلكترونات الحرة أيضًا انتقال الضوء المرئي، مما يجعل المعادن معتمة ولامعة ولامعة .

تأخذ النماذج الأكثر تقدمًا لخصائص المعادن في الاعتبار تأثير نوى الأيونات الموجبة على الإلكترونات غير الموضعية. ونظرًا لأن معظم المعادن لها بنية بلورية، فإن هذه الأيونات عادة ما يتم ترتيبها في شبكة دورية. من الناحية الرياضية، يمكن معالجة إمكانات نوى الأيونات من خلال نماذج مختلفة، وأبسطها هو نموذج الإلكترون الحر تقريبًا .

المعادن هي مواد صلبة تحدث بشكل طبيعي وتتكون من خلال عمليات جيولوجية مختلفة ^[8] تحت ضغوط عالية. لتصنيفها على أنها معدن حقيقي، يجب أن يكون للمادة بنية بلورية ذات خصائص فيزيائية موحدة في جميع الأنحاء. تتراوح المعادن في التركيب من العناصر النقية والأملاح البسيطة إلى السيليكات المعقدة للغاية مع الآلاف من الأشكال المعروفة. على النقيض من ذلك، فإن عينة الصخور هي عبارة عن تجمع عشوائي للمعادن و/أو المعادن شبه المعدنية ، وليس لها تركيبة كيميائية محددة. تتكون الغالبية العظمى من صخور قشرة الأرض من الكوارتز (SiO 2 البلوري) والفلسبار والميكا والكلوريت والكاولين والكالسيت والإيبيدوت والزبرجد والأوجيت والهورنبلند والمغنتيت والهيماتيت والليمونيت وعدد قليل من _{المعادن} الأخرى . بعض المعادن ، مثل الكوارتز أو الميكا أو الفلسبار شائعة ، بينما تم العثور على البعض الآخر في عدد قليل من المواقع في جميع أنحاء العالم. أكبر مجموعة من المعادن حتى الآن هي السيليكات (معظم الصخور تحتوي على ≥95% سيليكات) ، والتي تتكون إلى حد كبير من السيليكون والأكسجين ، مع إضافة أيونات الألومنيوم والمغنيسيوم والحديد والكالسيوم والمعادن الأخرى.

تتكون المواد الصلبة الخزفية من مركبات غير عضوية، وعادة ما تكون أكاسيد العناصر الكيميائية. ^[9] وهي خاملة كيميائيًا، وغالبًا ما تكون قادرة على تحمل التآكل الكيميائي الذي يحدث في بيئة حمضية أو كاوية. يمكن للسيراميك عمومًا تحمل درجات حرارة عالية تتراوح من 1000 إلى 1600 درجة مئوية (1830 إلى 2910 درجة فهرنهايت). تشمل الاستثناءات المواد غير العضوية غير المؤكسدة، مثل النتريدات والبوريدات والكربيدات .

تشمل المواد الخام الخزفية التقليدية المعادن الطينية مثل الكاولينيت ، وتشمل المواد الحديثة أكسيد الألومنيوم ( الألومينا ). تشمل المواد الخزفية الحديثة، والتي تصنف على أنها سيراميك متقدم، كربيد السيليكون وكربيد التنغستن . كلاهما ذو قيمة لمقاومته للتآكل، وبالتالي يتم استخدامه في تطبيقات مثل ألواح التآكل لمعدات التكسير في عمليات التعدين.

تتكون معظم المواد الخزفية، مثل الألومينا ومركباتها، من مساحيق دقيقة، مما ينتج عنه بنية دقيقة متعددة البلورات مليئة بمراكز تشتت الضوء مماثلة لطول موجة الضوء المرئي . وبالتالي، فهي مواد معتمة بشكل عام، على عكس المواد الشفافة . ومع ذلك، فإن تكنولوجيا النانو الحديثة (مثل هلام السول ) جعلت من الممكن إنتاج سيراميك شفاف متعدد البلورات مثل الألومينا الشفافة ومركبات الألومينا لتطبيقات مثل الليزر عالي الطاقة. كما تُستخدم السيراميك المتقدمة في الصناعات الطبية والكهربائية والإلكترونية.

هندسة السيراميك هي العلم والتكنولوجيا المتعلقين بتصنيع المواد والأجزاء والأجهزة الخزفية الصلبة. ويتم ذلك إما عن طريق الحرارة، أو في درجات حرارة أقل، باستخدام تفاعلات الترسيب من المحاليل الكيميائية. ويشمل المصطلح تنقية المواد الخام، ودراسة وإنتاج المركبات الكيميائية المعنية، وتكوينها إلى مكونات، ودراسة بنيتها وتكوينها وخصائصها.

من الناحية الميكانيكية، تكون المواد الخزفية هشة وصلبة وقوية في الضغط وضعيفة في القص والشد. قد تظهر المواد الهشة قوة شد كبيرة من خلال دعم الحمل الثابت. تشير الصلابة إلى مقدار الطاقة التي يمكن للمادة امتصاصها قبل الفشل الميكانيكي، بينما تصف صلابة الكسر (المشار إليها بـ K _Ic ) قدرة المادة ذات العيوب الدقيقة المتأصلة على مقاومة الكسر من خلال نمو الشقوق وانتشارها. إذا كانت المادة ذات قيمة كبيرة من صلابة الكسر ، فإن المبادئ الأساسية لميكانيكا الكسر تشير إلى أنها ستخضع على الأرجح لكسر مطيل. الكسر الهش هو سمة مميزة لمعظم المواد الخزفية والسيراميكية الزجاجية التي تظهر عادةً قيمًا منخفضة (وغير متسقة) من K _Ic .

على سبيل المثال لتطبيقات السيراميك، يتم استخدام صلابة الزركونيا الشديدة في تصنيع شفرات السكاكين، فضلاً عن أدوات القطع الصناعية الأخرى. تم استخدام السيراميك مثل الألومينا وكربيد البورون وكربيد السيليكون في السترات الواقية من الرصاص لصد نيران البنادق ذات العيار الكبير. تُستخدم أجزاء نيتريد السيليكون في محامل الكرات الخزفية، حيث تجعلها صلابتها العالية مقاومة للتآكل. بشكل عام، السيراميك مقاوم للمواد الكيميائية ويمكن استخدامه في البيئات الرطبة حيث تكون المحامل الفولاذية عرضة للأكسدة (أو الصدأ).

كمثال آخر على التطبيقات الخزفية، في أوائل الثمانينيات، بحثت تويوتا في إنتاج محرك خزفي معزول حراريًا بدرجة حرارة تشغيل تزيد عن 6000 درجة فهرنهايت (3320 درجة مئوية). لا تتطلب المحركات الخزفية نظام تبريد وبالتالي تسمح بخفض كبير في الوزن وبالتالي كفاءة أكبر في استهلاك الوقود. في المحرك المعدني التقليدي، يجب تبديد الكثير من الطاقة المنبعثة من الوقود كحرارة مهدرة لمنع ذوبان الأجزاء المعدنية. يجري العمل أيضًا على تطوير أجزاء خزفية لمحركات التوربينات الغازية . يمكن للمحركات التوربينية المصنوعة من السيراميك أن تعمل بكفاءة أكبر، مما يمنح الطائرات مدى وحمولة أكبر لكمية محددة من الوقود. ومع ذلك، لا يتم إنتاج مثل هذه المحركات، لأن تصنيع الأجزاء الخزفية بالدقة والمتانة الكافية أمر صعب ومكلف. غالبًا ما تؤدي طرق المعالجة إلى انتشار واسع للعيوب المجهرية التي تلعب دورًا ضارًا في عملية التلبيد، مما يؤدي إلى انتشار الشقوق والفشل الميكانيكي في نهاية المطاف.

تشترك المواد الزجاجية الخزفية في العديد من الخصائص مع كل من الزجاج غير البلوري والسيراميك البلوري . يتم تشكيلها على شكل زجاج، ثم يتم تبلورها جزئيًا عن طريق المعالجة الحرارية، مما ينتج عنه طور غير متبلور وطور بلورية بحيث يتم تضمين الحبوب البلورية داخل طور حبيبي غير بلوري.

تُستخدم السيراميك الزجاجية في صناعة أواني الطهي (المعروفة أصلاً باسم العلامة التجارية CorningWare ) ومواقد الطهي التي تتمتع بمقاومة عالية للصدمات الحرارية ونفاذية منخفضة للغاية للسوائل. يمكن موازنة معامل التمدد الحراري السالب للطور الخزفي البلوري مع معامل التمدد الحراري الإيجابي للطور الزجاجي. عند نقطة معينة (~70٪ بلورية) يكون للسيراميك الزجاجي معامل تمدد حراري صافٍ قريب من الصفر. يُظهر هذا النوع من السيراميك الزجاجي خصائص ميكانيكية ممتازة ويمكنه تحمل تغيرات متكررة وسريعة في درجات الحرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية.

قد تتكون السيراميك الزجاجية أيضًا بشكل طبيعي عندما تضرب الصاعقة حبيبات البلورات (مثل الكوارتز) الموجودة في معظم رمال الشاطئ . في هذه الحالة، تخلق الحرارة الشديدة والفورية للصاعقة (~2500 درجة مئوية) هياكل مجوفة متفرعة تشبه الجذور تسمى الصواعق عن طريق الاندماج .

تدرس الكيمياء العضوية البنية والخصائص والتكوين والتفاعلات والتحضير عن طريق التخليق (أو وسائل أخرى) للمركبات الكيميائية المكونة من الكربون والهيدروجين ، والتي قد تحتوي على أي عدد من العناصر الأخرى مثل النيتروجين والأكسجين والهالوجينات : الفلور والكلور والبروم واليود . قد تحتوي بعض المركبات العضوية أيضًا على عنصري الفوسفور أو الكبريت . تشمل أمثلة المواد الصلبة العضوية الخشب وشمع البارافين والنفتالين ومجموعة كبيرة ومتنوعة من البوليمرات والبلاستيك .

الخشب مادة عضوية طبيعية تتكون في المقام الأول من ألياف السليلوز المضمّنة في مصفوفة من اللجنين . وفيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية، فإن الألياف قوية في حالة الشد، كما تقاوم مصفوفة اللجنين الضغط. وبالتالي، كان الخشب مادة بناء مهمة منذ أن بدأ البشر في بناء الملاجئ واستخدام القوارب. يُعرف الخشب المستخدم في أعمال البناء عادةً باسم الأخشاب أو الأخشاب الصلبة . وفي البناء، لا يُعد الخشب مادة هيكلية فحسب، بل يُستخدم أيضًا لتشكيل قالب الخرسانة.

تُستخدم المواد القائمة على الخشب أيضًا على نطاق واسع في التغليف (مثل الورق المقوى) والورق، وكلاهما مصنوع من اللب المكرر. تستخدم عمليات اللب الكيميائي مزيجًا من درجات الحرارة العالية والمواد الكيميائية القلوية (الكرافت) أو الحمضية (الكبريتيت) لكسر الروابط الكيميائية للليغنين قبل حرقه.

من أهم خصائص الكربون في الكيمياء العضوية أنه قادر على تكوين مركبات معينة، حيث تكون جزيئاته الفردية قادرة على ربط نفسها ببعضها البعض، وبالتالي تكوين سلسلة أو شبكة. تسمى هذه العملية البلمرة والسلاسل أو الشبكات بوليمرات، في حين أن المركب المصدر هو مونومر. هناك مجموعتان رئيسيتان من البوليمرات: البوليمرات المصنعة صناعيًا تسمى البوليمرات الصناعية أو البوليمرات الاصطناعية (البلاستيك) والبوليمرات الطبيعية تسمى البوليمرات الحيوية.

يمكن أن تحتوي الجزيئات الأحادية على بدائل كيميائية مختلفة، أو مجموعات وظيفية، والتي يمكن أن تؤثر على الخصائص الكيميائية للمركبات العضوية، مثل الذوبان والتفاعل الكيميائي، وكذلك الخصائص الفيزيائية، مثل الصلابة، والكثافة، والقوة الميكانيكية أو قوة الشد، ومقاومة التآكل، ومقاومة الحرارة، والشفافية، واللون، وما إلى ذلك. في البروتينات، تمنح هذه الاختلافات البوليمر القدرة على تبني تكوين نشط بيولوجيًا بدلاً من غيره (انظر التجميع الذاتي ).

يستخدم الناس البوليمرات العضوية الطبيعية منذ قرون في شكل شمع وشِللَّاك ، والذي يُصنَّف على أنه بوليمر ترموبلاستيكي. كما يوفر بوليمر نباتي يُدعى السليلوز قوة الشد للألياف والحبال الطبيعية، وبحلول أوائل القرن التاسع عشر كان المطاط الطبيعي مستخدمًا على نطاق واسع. البوليمرات هي المواد الخام (الراتنجات) المستخدمة في صنع ما يُسمى عادةً بالبلاستيك. البلاستيك هو المنتج النهائي، الذي يتم إنشاؤه بعد إضافة بوليمر أو أكثر أو مواد مضافة إلى راتنج أثناء المعالجة، والذي يتم تشكيله بعد ذلك في شكل نهائي. تشمل البوليمرات الموجودة، والتي تُستخدم على نطاق واسع حاليًا، البولي إيثيلين الكربوني والبولي بروبيلين وكلوريد البولي فينيل والبوليسترين والنايلون والبوليستر والأكريليك والبولي يوريثين والبولي كربونات والسيليكون القائم على السيليكون . يتم تصنيف البلاستيك عمومًا على أنه بلاستيك "سلع أساسية" و"متخصص" و"هندسي".

تحتوي المواد المركبة على طورين أو أكثر من الطور العياني، يكون أحدهما في الغالب سيراميكيًا. على سبيل المثال، مصفوفة مستمرة، وطور متفرق من الجسيمات أو الألياف السيراميكية.

تتراوح تطبيقات المواد المركبة من العناصر الهيكلية مثل الخرسانة المسلحة بالفولاذ إلى البلاط العازل للحرارة الذي يلعب دورًا رئيسيًا ومتكاملًا في نظام الحماية الحرارية لمكوك الفضاء التابع لوكالة ناسا ، والذي يستخدم لحماية سطح المكوك من حرارة إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي للأرض. ومن الأمثلة على ذلك الكربون المقوى بالكربون (RCC)، وهي المادة الرمادية الفاتحة التي تتحمل درجات حرارة إعادة الدخول حتى 1510 درجة مئوية (2750 درجة فهرنهايت) وتحمي غطاء الأنف والحواف الأمامية لأجنحة مكوك الفضاء. RCC عبارة عن مادة مركبة مغلفة مصنوعة من قماش رايون الجرافيت ومشربة براتينج فينولي . بعد المعالجة في درجة حرارة عالية في وعاء ضغط، يتم معالجة الرقائق بالحرارة لتحويل الراتينج إلى كربون، ثم يتم تشريبها بكحول الفورفورال في غرفة التفريغ، ثم معالجتها/معالجتها بالحرارة لتحويل كحول الفورفورال إلى كربون. من أجل توفير مقاومة الأكسدة لإمكانية إعادة الاستخدام، يتم تحويل الطبقات الخارجية من RCC إلى كربيد السيليكون.

يمكن رؤية أمثلة محلية للمواد المركبة في الأغلفة "البلاستيكية" لأجهزة التلفاز والهواتف المحمولة وما إلى ذلك. عادةً ما تكون هذه الأغلفة البلاستيكية عبارة عن مركب مكون من مصفوفة ترموبلاستيكية مثل أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) حيث تمت إضافة طباشير كربونات الكالسيوم أو التلك أو ألياف الزجاج أو ألياف الكربون لزيادة القوة أو الحجم أو التشتت الكهروستاتيكي. يمكن الإشارة إلى هذه الإضافات باسم الألياف المقوية أو المشتتات، اعتمادًا على الغرض منها.

وبالتالي، تحيط مادة المصفوفة بمواد التعزيز وتدعمها من خلال الحفاظ على مواقعها النسبية. وتضفي التعزيزات خصائصها الميكانيكية والفيزيائية الخاصة لتعزيز خصائص المصفوفة. ويؤدي التآزر إلى إنتاج خصائص مادية غير متوفرة في المواد المكونة الفردية، في حين توفر مجموعة متنوعة واسعة من مواد المصفوفة والتعزيز للمصمم اختيار التركيبة المثالية.

أشباه الموصلات هي مواد لها مقاومة كهربائية (وموصلية) بين الموصلات المعدنية والعوازل غير المعدنية. يمكن العثور عليها في الجدول الدوري وهي تتحرك قطريًا إلى الأسفل يمينًا من البورون . وهي تفصل الموصلات الكهربائية (أو المعادن، إلى اليسار) عن العوازل (إلى اليمين).

الأجهزة المصنوعة من مواد شبه موصلة هي أساس الإلكترونيات الحديثة، بما في ذلك الراديو والكمبيوتر والهواتف وما إلى ذلك. تشمل الأجهزة شبه الموصلة الترانزستور والخلايا الشمسية والثنائيات والدوائر المتكاملة . الألواح الشمسية الكهروضوئية هي أجهزة شبه موصلة كبيرة تحول الضوء مباشرة إلى طاقة كهربائية.

في الموصل المعدني، يتم نقل التيار عن طريق تدفق الإلكترونات، ولكن في أشباه الموصلات، يمكن نقل التيار إما عن طريق الإلكترونات أو عن طريق " الفجوات " المشحونة إيجابيا في بنية النطاق الإلكتروني للمادة. تشمل المواد شبه الموصلة الشائعة السيليكون والجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم .

تظهر العديد من المواد الصلبة التقليدية خصائص مختلفة عندما تتقلص إلى أحجام نانومترية. على سبيل المثال، تكون الجسيمات النانوية من الذهب الأصفر والسيليكون الرمادي عادةً حمراء اللون؛ تذوب الجسيمات النانوية الذهبية عند درجات حرارة أقل بكثير (~300 درجة مئوية لحجم 2.5 نانومتر) من ألواح الذهب (1064 درجة مئوية)؛ ^[10] والأسلاك النانوية المعدنية أقوى بكثير من المعادن السائبة المقابلة. ^{[11] [12]} تجعل المساحة السطحية العالية للجسيمات النانوية جذابة للغاية لتطبيقات معينة في مجال الطاقة. على سبيل المثال، قد توفر معادن البلاتين تحسينات كمحفزات وقود للسيارات ، بالإضافة إلى خلايا وقود غشاء تبادل البروتون (PEM). كما يتم الآن تطوير أكاسيد السيراميك (أو السيرميت) من اللانثانوم والسيريوم والمنجنيز والنيكل كخلايا وقود أكسيد صلب (SOFC). يتم تطبيق جسيمات النانو من الليثيوم والتيتانات والليثيوم والتنتالوم في بطاريات الليثيوم أيون. لقد ثبت أن جسيمات السيليكون النانوية تعمل على توسيع سعة تخزين بطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير أثناء دورة التمدد/الانكماش. وتدور أسلاك السيليكون النانوية دون تدهور كبير وتقدم إمكانية الاستخدام في البطاريات ذات أوقات التخزين الموسعة بشكل كبير. كما تُستخدم جسيمات السيليكون النانوية في أشكال جديدة من خلايا الطاقة الشمسية. يؤدي ترسب الأغشية الرقيقة من النقاط الكمومية السيليكونية على ركيزة السيليكون متعدد البلورات لخلية ضوئية (شمسية) إلى زيادة خرج الجهد بنسبة تصل إلى 60٪ عن طريق فلورسنت الضوء الوارد قبل التقاطه. وهنا مرة أخرى، تلعب مساحة سطح الجسيمات النانوية (والأغشية الرقيقة) دورًا حاسمًا في تعظيم كمية الإشعاع الممتص.

إن العديد من المواد الطبيعية (أو البيولوجية) عبارة عن مركبات معقدة ذات خصائص ميكانيكية رائعة. وهذه الهياكل المعقدة، التي نشأت من مئات الملايين من السنين من التطور، تلهم علماء المواد في تصميم مواد جديدة. وتشمل خصائصها المميزة التسلسل الهرمي البنيوي والتعدد الوظيفي والقدرة على الشفاء الذاتي. كما أن التنظيم الذاتي هو سمة أساسية للعديد من المواد البيولوجية والطريقة التي يتم بها تجميع الهياكل من المستوى الجزيئي إلى الأعلى. وبالتالي، فإن التجميع الذاتي يظهر كاستراتيجية جديدة في التركيب الكيميائي للمواد الحيوية عالية الأداء.

الخصائص الفيزيائية للعناصر والمركبات التي تقدم دليلاً قاطعًا على التركيب الكيميائي تشمل الرائحة واللون والحجم والكثافة (الكتلة لكل وحدة حجم) ونقطة الانصهار ونقطة الغليان والسعة الحرارية والشكل والشكل الفيزيائي في درجة حرارة الغرفة (صلب أو سائل أو غاز؛ بلورات مكعبة أو ثلاثية الزوايا، إلخ)، والصلابة والمسامية ومؤشر الانكسار والعديد من الخصائص الأخرى. يناقش هذا القسم بعض الخصائص الفيزيائية للمواد في الحالة الصلبة.

تصف الخصائص الميكانيكية للمواد خصائص مثل قوتها ومقاومتها للتشوه. على سبيل المثال، تُستخدم العوارض الفولاذية في البناء بسبب قوتها العالية، مما يعني أنها لا تنكسر ولا تنحني بشكل كبير تحت الحمل المطبق.

تشمل الخصائص الميكانيكية المرونة ، اللدونة ، قوة الشد ، قوة الضغط ، قوة القص ، صلابة الكسر ، اللدونة (منخفضة في المواد الهشة) وصلابة الانبعاج . ميكانيكا المواد الصلبة هي دراسة سلوك المواد الصلبة تحت التأثيرات الخارجية مثل القوى الخارجية وتغيرات درجات الحرارة.

لا يظهر الجسم الصلب تدفقًا عيانيًا، كما تفعل السوائل. أي درجة من الانحراف عن شكله الأصلي تسمى تشوهًا . وتسمى نسبة التشوه إلى الحجم الأصلي إجهادًا. إذا كان الإجهاد المطبق منخفضًا بدرجة كافية، فإن جميع المواد الصلبة تقريبًا تتصرف بطريقة تتناسب فيها الإجهاد بشكل مباشر مع الإجهاد ( قانون هوك ). يسمى معامل النسبة معامل المرونة أو معامل يونج . تُعرف منطقة التشوه هذه بالمنطقة المرنة خطيًا . يمكن لثلاثة نماذج وصف كيفية استجابة الجسم الصلب للإجهاد المطبق:

• المرونة - عندما يتم إزالة الضغط المطبق، تعود المادة إلى حالتها غير المشوهة.
• اللزوجة المرنة – هذه هي المواد التي تتصرف بشكل مرن، ولكنها تتمتع أيضًا بالتخميد . عندما يتم إزالة الإجهاد المطبق، يجب القيام بعمل ضد تأثيرات التخميد ويتحول إلى حرارة داخل المادة. يؤدي هذا إلى حلقة هستيريسيس في منحنى الإجهاد والانفعال. وهذا يعني أن الاستجابة الميكانيكية تعتمد على الوقت.
• اللدونة – المواد التي تتصرف بشكل مرن تتصرف بشكل عام عندما يكون الإجهاد المطبق أقل من قيمة الخضوع. عندما يكون الإجهاد أكبر من إجهاد الخضوع، تتصرف المادة بشكل مرن ولا تعود إلى حالتها السابقة. وهذا يعني أن التشوه البلاستيكي غير القابل للعكس (أو التدفق اللزج) يحدث بعد الخضوع الدائم.

تضعف العديد من المواد عند درجات الحرارة المرتفعة. والمواد التي تحتفظ بقوتها عند درجات الحرارة المرتفعة، والتي تسمى المواد المقاومة للحرارة ، مفيدة للعديد من الأغراض. على سبيل المثال، أصبحت السيراميك الزجاجية مفيدة للغاية للطهي على سطح الطاولة، حيث تتميز بخصائص ميكانيكية ممتازة ويمكنها تحمل تغيرات متكررة وسريعة في درجات الحرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية. في صناعة الطيران، يجب أن تتمتع المواد عالية الأداء المستخدمة في تصميم الطائرات و/أو المركبات الفضائية بمقاومة عالية للصدمات الحرارية. وبالتالي، يتم الآن تصميم الألياف الاصطناعية المصنوعة من البوليمرات العضوية والمواد المركبة من البوليمر/السيراميك/المعادن والبوليمرات المقواة بالألياف مع وضع هذا الغرض في الاعتبار.

نظرًا لأن المواد الصلبة تمتلك طاقة حرارية ، فإن ذراتها تهتز حول مواضع متوسطة ثابتة داخل الشبكة المنظمة (أو غير المنظمة). يوفر طيف اهتزازات الشبكة في الشبكة البلورية أو الزجاجية الأساس للنظرية الحركية للمواد الصلبة . تحدث هذه الحركة على المستوى الذري، وبالتالي لا يمكن ملاحظتها أو اكتشافها بدون معدات متخصصة للغاية، مثل تلك المستخدمة في التحليل الطيفي .

تشمل الخصائص الحرارية للمواد الصلبة التوصيل الحراري ، وهي خاصية المادة التي تشير إلى قدرتها على توصيل الحرارة . تتمتع المواد الصلبة أيضًا بسعة حرارية نوعية ، وهي قدرة المادة على تخزين الطاقة في شكل حرارة (أو اهتزازات الشبكة الحرارية).

تشمل الخصائص الكهربائية كل من المقاومة الكهربائية والتوصيل والقوة العازلة والنفاذية الكهرومغناطيسية والسماحية . تتناقض الموصلات الكهربائية مثل المعادن والسبائك مع العوازل الكهربائية مثل الزجاج والسيراميك. تتصرف أشباه الموصلات في مكان ما بينهما. في حين أن الموصلية في المعادن ناتجة عن الإلكترونات، فإن كل من الإلكترونات والثقوب تساهم في التيار في أشباه الموصلات. بدلاً من ذلك، تدعم الأيونات التيار الكهربائي في الموصلات الأيونية .

تظهر العديد من المواد أيضًا الموصلية الفائقة عند درجات حرارة منخفضة؛ وتشمل هذه المواد عناصر معدنية مثل القصدير والألمنيوم، وسبائك معدنية مختلفة، وبعض أشباه الموصلات المعززة بشدة، وبعض أنواع السيراميك. تنخفض المقاومة الكهربائية لمعظم الموصلات الكهربائية (المعدنية) بشكل عام تدريجيًا مع انخفاض درجة الحرارة، لكنها تظل محدودة. ومع ذلك، في الموصل الفائق، تنخفض المقاومة فجأة إلى الصفر عندما يتم تبريد المادة إلى ما دون درجة حرارتها الحرجة. يمكن أن يستمر التيار الكهربائي المتدفق في حلقة من الأسلاك الفائقة التوصيل إلى أجل غير مسمى بدون مصدر طاقة.

العازل الكهربائي هو مادة شديدة المقاومة لتدفق التيار الكهربائي. يميل العازل الكهربائي، مثل البلاستيك، إلى تركيز المجال الكهربائي المطبق داخل نفسه، وهي الخاصية التي تستخدم في المكثفات. المكثف هو جهاز كهربائي يمكنه تخزين الطاقة في المجال الكهربائي بين زوج من الموصلات المتقاربة (تسمى "الصفائح"). عندما يتم تطبيق الجهد على المكثف، تتراكم شحنات كهربائية بنفس المقدار، ولكن ذات قطبية متعاكسة، على كل صفيحة. تُستخدم المكثفات في الدوائر الكهربائية كأجهزة تخزين للطاقة، وكذلك في المرشحات الإلكترونية للتمييز بين الإشارات عالية التردد ومنخفضة التردد.

الكهرباء الانضغاطية هي قدرة البلورات على توليد جهد استجابة لضغط ميكانيكي مطبق. التأثير الكهربائي الانضغاطي قابل للعكس حيث يمكن للبلورات الكهربائية الانضغاطية، عند تعرضها لجهد خارجي مطبق، أن تغير شكلها بمقدار صغير. غالبًا ما تتصرف المواد البوليمرية مثل المطاط والصوف والشعر وألياف الخشب والحرير كإلكتروستاتيك . على سبيل المثال، يُظهر بوليمر فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) استجابة كهربائية انضغاطية أكبر بعدة مرات من مادة الكوارتز الكهربائية الانضغاطية التقليدية (SiO ₂ البلوري ). التشوه (~0.1٪) مناسب للتطبيقات التقنية المفيدة مثل مصادر الجهد العالي ومكبرات الصوت وأجهزة الليزر وكذلك أجهزة الاستشعار و/أو المحولات الكيميائية والبيولوجية والصوتية البصرية.

يمكن للمواد أن تنقل (مثل الزجاج) أو تعكس (مثل المعادن) الضوء المرئي.

تنقل العديد من المواد بعض الأطوال الموجية بينما تحجب أطوالًا أخرى. على سبيل المثال، يكون زجاج النوافذ شفافًا للضوء المرئي ، ولكنه أقل شفافية بكثير لمعظم ترددات الأشعة فوق البنفسجية التي تسبب حروق الشمس . تُستخدم هذه الخاصية في المرشحات البصرية الانتقائية للتردد، والتي يمكنها تغيير لون الضوء الساقط.

بالنسبة لبعض الأغراض، يمكن أن تكون كل من الخصائص البصرية والميكانيكية للمادة ذات أهمية. على سبيل المثال، يجب حماية أجهزة الاستشعار الموجودة على صاروخ موجه بالأشعة تحت الحمراء ("باحث عن الحرارة") بغطاء شفاف للأشعة تحت الحمراء . المادة الحالية المختارة لقباب الصواريخ عالية السرعة الموجهة بالأشعة تحت الحمراء هي الياقوت أحادي البلورة . لا يمتد النقل البصري للياقوت بالفعل لتغطية نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسط ​​بالكامل (3-5 ميكرومتر)، ولكنه يبدأ في الانخفاض عند أطوال موجية أكبر من حوالي 4.5 ميكرومتر في درجة حرارة الغرفة. في حين أن قوة الياقوت أفضل من قوة مواد قبة الأشعة تحت الحمراء متوسطة المدى المتاحة الأخرى في درجة حرارة الغرفة، إلا أنها تضعف فوق 600 درجة مئوية. هناك مقايضة طويلة الأمد بين النطاق الترددي البصري والمتانة الميكانيكية؛ قد توفر مواد جديدة مثل السيراميك الشفاف أو النانو مركبات الضوئية أداءً محسنًا.

يتضمن نقل الموجات الضوئية الموجهة مجال الألياف الضوئية وقدرة بعض أنواع الزجاج على نقل مجموعة من الترددات (موجات ضوئية متعددة الأوضاع) في وقت واحد وبقدر ضئيل من فقدان الكثافة، مع وجود قدر ضئيل من التداخل بينها. تُستخدم الموجات الضوئية كمكونات في الدوائر الضوئية المتكاملة أو كوسيلة نقل في أنظمة الاتصالات الضوئية.

الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية هي جهاز يحول طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية. في الأساس، يحتاج الجهاز إلى تحقيق وظيفتين فقط: توليد ضوئي لحاملات الشحنة (الإلكترونات والثقوب) في مادة ماصة للضوء، وفصل حاملات الشحنة إلى جهة اتصال موصلة تنقل الكهرباء (ببساطة، نقل الإلكترونات من خلال جهة اتصال معدنية إلى دائرة خارجية). يُطلق على هذا التحويل التأثير الكهروضوئي ، ويُعرف مجال البحث المتعلق بالخلايا الشمسية باسم الخلايا الكهروضوئية.

تستخدم الخلايا الشمسية في العديد من التطبيقات. فقد استُخدمت منذ فترة طويلة في المواقف التي لا تتوفر فيها الطاقة الكهربائية من الشبكة، مثل أنظمة الطاقة في المناطق النائية، والأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض والمسبارات الفضائية، والآلات الحاسبة المحمولة، والساعات اليدوية، والهواتف اللاسلكية عن بعد، وتطبيقات ضخ المياه. وفي الآونة الأخيرة، بدأت الخلايا الشمسية تُستخدم في تجميعات الوحدات الشمسية (المصفوفات الكهروضوئية) المتصلة بشبكة الكهرباء من خلال عاكس، أي أنها لا تعمل كمصدر وحيد للطاقة بل كمصدر إضافي للكهرباء.

تتطلب جميع الخلايا الشمسية مادة ماصة للضوء موجودة داخل بنية الخلية لامتصاص الفوتونات وتوليد الإلكترونات عبر التأثير الكهروضوئي . تميل المواد المستخدمة في الخلايا الشمسية إلى امتلاك خاصية امتصاص الأطوال الموجية للضوء الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض بشكل تفضيلي. كما تم تحسين بعض الخلايا الشمسية لامتصاص الضوء خارج الغلاف الجوي للأرض أيضًا.

This section needs expansion. You can help by adding to it. (July 2024)

التحولات الطورية للمادة (

• ف
• ت
• هـ

)

ل من	صلب	سائل	الغاز	بلازما
صلب		ذوبان	التسامي
سائل	تجميد		تبخير
الغاز	الترسيب	التكثيف		التأين
بلازما			إعادة التركيب