Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
Е. 4. Матеріали
«Як це може бути, що ми ніколи не говоримо про матеріал, який робить для нас так багато? Він близький нам, як ніхто — ми кладемо його в рот, позбавляємося за його допомогою від зайвого волосся, їздимо в ньому. Він наш найвірніший друг, і все ж ми не знаємо, що це за штука...». Професор Лондонського університету Марк Медовник1 досить вдало відповів на ці запитання в науково-популярному бестселері «Із чого це зроблено? Дивовижні матеріали, з яких побудована сучасна цивілізація», що вийшов друком 2013 р. Спробуймо й ми відповісти на них.
1 Mark Miodownik (нар. 1969, Велика Британія).
ВИ НАВЧИТЕСЯ
Знати склад і властивості основних ресурсів та матеріалів.
Наводити приклади: найважливіших природних, штучних та синтетичних матеріалів; застосування їх у різних галузях.
Розрізняти найважливіші природні та синтетичні речовини й матеріали.
Порівнювати природні й синтетичні матеріали, метали та сплави.
Аналізувати марковання будівельних матеріалів і речей повсякденного вжитку.
Установлювати причиново-наслідкові зв’язки між складом, будовою, властивостями, застосуванням і впливом на довкілля природних та синтетичних матеріалів.
Прогнозувати основні напрями розвитку технологій.
Оцінювати біологічну та екологічну безпеку використання натуральних і штучних матеріалів, приймати обґрунтоване рішення щодо їхнього використання.
Дотримуватися правил утилізування різних матеріалів, безпечної поведінки та життєдіяльності
Трохи історії: від каменю до наноматеріалів
В історії людства для полегшення класифікації археологічних знахідок виокремлюють три «доби»: кам’яну, бронзову й залізну. Ці назви пов’язані з видом матеріалу, найбільше використовуваного людиною. Першими матеріалами були: каміння для виготовлення найпростіших знарядь праці та зброї (понад 300 тис. років тому), глина для виробництва посуду (близько 30 тис. років тому). Приблизно у V тис. до н. е. навчилися виплавляти мідь з малахіту й азуриту, а в IV тис. до н. е. — видувати скло. У III тисячолітті до н. е. стали добавляти до міді олово, алюміній, цинк тощо й отримали перший металевий сплав — бронзу.
У IX-VII ст. до н. е. винайдено спосіб виробництва сталі (сплав заліза з вуглецем з додаванням домішок), приблизно у III ст. до н. е. розроблено технологію розливання сталі у виливниці, що поклало початок сучасної металургії.
У заліза вища температура плавлення, ніж у бронзи, його ливарні якості гірші. Крім того, залізо поступається бронзі за твердістю й корозійною стійкістю. Проте перехід від бронзи до заліза був пов’язаний з тим, що масове виготовлення бронзових знарядь швидко призвело до виснаження родовищ олова. Залізні руди трапляються в природі набагато частіше за мідні й олов’яні.
Упродовж тисячоліть людство використовувало лише природні матеріали, розвивало металургію, виробництво порцеляни, текстилю, природних барвників, природних клеїв, кришталю тощо. Природа багата й спроможна забезпечити людину всім необхідним. Проте в людини виникають бажання, які природа задовольнити не в змозі. Наприклад, ми хочемо вбиратися в теплий, водонепроникний і водночас легкий одяг, який, на додачу, ще й стійкий до зминання. Маємо потребу в ефективних звуко- й електроізоляційних та інших матеріалах — прозорих і пофарбованих, міцних і крихких, жорстких і пластичних, стійких до руйнування й біорозкладаних тощо. Люди навчилися виготовляти різні матеріали, причому деякі з них випадково, деякі — унаслідок удосконалення технологій. Для досягнення сучасного стану виробництва матеріалів потрібні були наукові відкриття в різних галузях.
Хоча вивчати корисні властивості матеріалів люди почали здавна, та матеріалознавство як науку сформовано в середині XX ст., після завершення формування базису фізики, хімії та механіки (мал. 4.1). Важливий прорив у становленні наукових основ створення й використання матеріалів став можливим завдяки відкриттю періодичного закону Дмитром Івановичем Менделєєвим (1871) і створенню Нільсом Бором квантової теорії атома (1913).
Сьогодні матеріалознавство — це меганаука, яка вивчає властивості матеріалів, створює нові матеріали, розробляє підходи до раціонального вибору їх для певних умов роботи. Також упроваджує технологічні методи оброблення та зміцнення, які б привели в результаті до здешевлення виробів, зниження матеріаломісткості з одночасним збільшенням терміну експлуатування. Тобто більшою мірою задовольняли б потреби людини.
Мал. 4.1. Від каменю до наноматеріалів
Основоположною рисою сучасного матеріалознавства є його міждисциплінарність, оскільки завдання, що стоять перед цією наукою, не можуть бути розв’язані в рамках однієї наукової дисципліни. Адже досягнення в царині матеріалознавства значною мірою зумовлюють розвиток енергетики, електроніки, інформаційних і нанотехнологій, хімічної, аерокосмічної та інших галузей промисловості, транспорту, медицини й охорони здоров’я.
1. Як можна було б назвати нашу добу з огляду на матеріали, що людина використовує сьогодні? 2. Яка речовина у світі є найдорожчою? Дізнайтеся про це, використавши додаткові джерела інформації.
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України