Materiaalitiede

Materiaalitiede on luonnontieteiden ja insinööritieteiden rajapintaan sijoittuva poikkitieteellinen tutkimusala. Materiaalitiede kattaa kaikki materiaalit, metallit, puolijohteet, polymeerit, keraamit, lasit, biomateriaalit, jne. Materiaalitieteen lähialoja ovat mm. materiaalifysiikka, nanotiede, epäorgaaninen kemia, polymeeriteknologia ja lujuusoppi. Materiaalitiedettä sovelletaan kaikkialla teollisuudessa, mm. elektroniikassa, optiikassa, energiatekniikassa, koneenrakennuksessa, kemiantekniikassa ja lääketieteellisessä tekniikassa.

Materiaalitieteen alalajit

Alan laajuuden vuoksi tutkimus ja opetus on kuitenkin jakautunut moniksi suppeammiksi suuntauksiksi. Elektroniikan materiaalit käsitteen alla tutkitaan esimerkiksi piikiteiden ja galliumnitridikalvojen kasvatusta, komponenttien toimintaperiaatteita, valmistusta ja luotettavuutta. Biomateriaalitiede tutkii sekä elävää materiaa (kuten solukalvojen tai DNA:n mekaanisia ominaisuuksia), biologista alkuperää olevia materiaaleja (puukuituja ja muita biopolymeerejä), biomimeettisiä materiaaleja (synteettisiä materiaaleja, jotka on valmistettu matkien joko biologisia prosesseja tai rakenteita), ja lääketieteellisiä implantteja (tekoniveliä, keinotekoisia sydänläppiä, hammaspaikkoja). Metallurgia tutkii metallien jalostamiseen liittyviä prosesseja ja metallien ja metalliseosten ominaisuuksia. Metallurgian alalajeja ovat esimerkiksi pyrometallurgia, hydrometallurgia ja jauhemetallurgia.

Tutkimuskohteet ja -menetelmät

Materiaalitiede tutkii aineen fysikaalista rakennetta mm. röntgendiffraktiolla (kiteisyys ja amorfisuus), elektronimikroskopioilla (kidevirheet, kiteisyys, raerajat, erkaumat) ja atomivoimamikroskoopeilla (pinnan rakenne). Kemiallista koostumusta tutkitaan erilaisilla optisilla ja spektroskooppisilla menetelmillä (kuten atomiabsorptio-, röntgenfluoresenssi ja massaspektrometria). Sähköisistä ominaisuuksista tärkeimpiä ovat johtavuus (resistiivisyys), dielektrisyysvakio, energiavyöt, tai suprajohtavuus. Optisista ominaisuuksista mielenkiintoisia ovat mm. transmissio, absorptio, heijastavuus tai kahtaistaittavuus. Materiaalitiede kattaa myös aineen termiset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti, faasimuutoslämpötilat), magneettiset ominaisuudet (paramagneettisuus, ferromagneettisuus, diamagneettisuus), ja mekaaniset ominaisuudet (puristuslujuus, kimmokerroin, kovuus). Mekaanisia ominaisuuksia tutkitaan erilaisilla veto-, puristus- ja taivutuskokeilla.

Nanomateriaalit

Nanomittakaavassa monet aineen ominaisuudet muuttuvat merkittävästi. Jos metallin kiteet ovat nanometrin kokoluokkaa, aineen mekaaniset ominaisuudet usein paranevat, mm. lujuus kasvaa, mutta sähkönjohtavuus heikkenee. Jos metalli muodostuu muutamien satojen tai tuhansien atomien klustereista, näillä on vain joitakin makroskooppisen materiaalin ominaisuuksia, ja esimerkiksi kultaklustereiden sulamispiste on vain muutamia satoja asteita, kun kullan normaali sulamispiste on yli 1000 astetta. Hiilellä on useita allotroppisia muotoja, kuten fullereenit, nanoputket ja grafeeni, ja niiden poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten erittäin suurta sähkön ja lämmönjohtavuutta ja mekaanista lujuutta, tutkitaan lukuisiin sovelluksiin.

Ohutkalvot

Ohutkalvot ovat muutamasta atomikerroksesta muutamaan mikrometriin paksuisia kalvoja. Niiden ominaisuudet ovat vahvasti kalvon paksuudesta riippuvaisia: mm. resistiivisyys, dielektrisyysvakio ja taitekerroin ovat voimakkaasti paksuuden funktiota. Koska tarvittavat ainemäärät mikrometrin tai nanometrin paksuisissa kalvoissa ovat erittäin pienet, ei kalliiden tai harvinaisten materiaalien (kuten kulta, iridium tai timantti) käyttö ole hintakysymys. Ohutkalvon kasvatus tapahtuu joko fysikaalisilla tai kemiallisilla menetelmillä joko tyhjiössä tai nestefaasissa. Höyrystyksessä kuumasta metallista irtoaa atomeja, jotka kulkeutuvat tyhjiössä pinnoitettavan aineen päälle. Plasmamenetelmissä energeettisten atomien törmäykset irrottavat kohtiosta atomeja, jotka kulkeutuvat tyhjiössä pinnalle kondensoituen siellä kalvoksi. Höyrystys ja plasmamenetelmät tunnetaan yhteisesti fysikaalisina kasvatusmenetelminä (PVD, Physical Vapor Deposition). Kemiallisessa kaasufaasikasvatuksessa (CVD, Chemical Vapor Deposition) kuumat kaasut reagoivat aineen pinnalla muodostaen kalvoa. Atomikerroskasvatuksessa (ALD, Atomic Layer Deposition) käytetään myös kemiallisia pintareaktiota, mutta pulssitettuna, jolloin kalvon paksuus saadaan helposti atomikerroksen paksuudesta ja pulssien lukumäärästä. Ohutkalvoja käytetään mikroelektroniikassa sähköjohtoina ja eristeinä; optiikassa heijastuksenestokerroksina, kemiassa katalyytteinä, ja konepajatekniikassa kulutusta kestävinä pinnoitteina.

Komposiittimateriaalit

Komposiittimateriaalit ovat kahden erilaisen aineen yhdistelmiä. Komposiitissa molemmat ainesosat säilyvät erillisinä myös lopputuotteessa, toisin kuin seoksissa, joissa aineet sekoittuvat atomitasolla (kuten hiili rautaan teräksessä). Kansanomainen ”lasikuitu” on komposiittimateriaali, jossa epoksihartsia on vahvistettu lasikuiduilla. Uusien lentokoneiden kevyt, mutta luja rakennusmateriaali on samantapaista komposiittia, mutta epoksia on vahvistettu hiilikuiduilla. Staattiselta sähköltä suojautumisessa käytettävä sähköäjohtava kumi on komposiitti jossa kumiin on sekoitettu hiilipölyä, joka tekee materiaalista johtavaa.

Materiaalien ympäristövuorovaikutukset

Materiaalien vuorovaikutukset ympäristönsä kanssa muodostavat laajan kentän, jota tutkitaan monien eri sovellusten näkökulmasta. Korroosio on metallisten materiaalien suuri ongelma. Säteilynkestävyys on elintärkeää ydinvoimaloissa. Laivojen pinnan pitäisi estää mikro-organismien kiinnittyminen. Hammaspaikkojen pitää kestää mekaanista rasitusta ja suun bakteerien hyökkäyksiä. Kierrätystekniikka on oleellinen osa materiaalien hallintaa.

Materiaalitieteen opiskelu

Materiaalitiedettä voi opiskella Aalto-yliopistossa sekä Tampereen teknillisessä yliopistossa (TTY). Aalto-yliopiston Kemiantekniikan korkeakoulussa. Materiaalitekniikan laitoksella tutkitaan mm. ohutkalvoja ja mikro- ja nanomateriaaleja, magneettisia materiaaleja, materiaalien kierrätystä, metallurgiaa, korroosiota ja komposiittimateriaaleja. Kemian laitoksella tutkitaan materiaaleja mm. energiatekniikan sovelluksiin (polttokennoihin, akkuihin, superkondensaattoreihin). Polymeeriteknologian laboratoriossa tutkitaan mm. polymeerejä lääke- ja solukasvatussovellutuksiin. Puunjalostustekniikan laitoksella tutkitaan mm. nanoselluloosaa ja puun soluseinän rakennetta.

TTY:llä materiaalitekniikan koulutusohjelmassa voi opiskella metalli-, polymeeri-, keraami-, tekstiili-, ja komposiittimateriaaleja sekä esimerkiksi materiaalikemiaa ja materiaali karakterisointia. TTY:llä tutkimusalueita on mm. materiaalien kuluminen ja pinnoittaminen.

Lisäksi Aallossa on Sähkötekniikan korkeakoulussa elektroniikan, optiikan ja nanomateriaalien tutkimusta ja opetusta; Aallon Perustieteiden korkeakoulussa on laajaa materiaalifysiikan tutkimusta ja opetusta (mm. hiilen nanomateriaalit, biomimeettiset materiaalit, puolijohdemateriaalit, energiatekniikan materiaalit).

Helsingin yliopiston kemian laitoksella on laaja materiaalikemian tutkimus, mm. atomikerroskasvatus (ALD). HY:n fysiikan laitoksella tutkitaan materiaalifysiikkaa laajasti sekä laskennallisesti että kokeellisesti, mm. säteilyn vuorovaikutusta aineen kanssa, nanomateriaaleja, biomateriaaleja, sekä kehitetään röntgentutkimus- ja ionisuihkumenetelmiä aineen rakenteen tutkimiseksi.

Katso myös

• Materiaalitekniikka

Lähteet

• William D. Callister: Materials Science and Engineering
• Lindroos, Sulonen, Veistinen: Uudistettu Miekk-ojan metallioppi
• Tapio Salmi, Simo Virtanen: Materiaalien mekaniikka
• E. E. Lähteenkorva: Materiaalifysiikka

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Materiaalitiede Wikimedia Commonsissa