Vrste i funkcije materijala

Uvod

Fotografija prikazuje grafika na kojoj piše :" Kliknite ovdje!" , a ispod natpisa je ruka koja drži kompjuterski miš.

Fotografija prikazuje uvećani prikaz elektronskog čipa.

Vjerovali ili ne,

to što vidite na ekranu, kao i ono što se dogodilo nakon vašeg klika omogućili su mnogobrojni materijali od kojih se sastoji vaš kompjuter!

Vrijeme je, dakle, da se pobliže upoznamo s materijalima, njihovim vrstama, svojstvima i primjenom. Ova jedinica vas vodi upravo u taj uzbudljiv svijet materijala!

Upravo sad sjedite na stolici, čitate tekst s računalnog ekrana koji je smješten na stolu. Nalazite se u toploj sobi, koja je omeđena zidovima, a na podu je tepih, parket ili neka druga podna obloga. S vremena na vrijeme se odmarate od računala pogledom kroz prozor. Odjeveni ste i obuveni.

Svi ti predmeti oko vas se sastoje od materijala. Neki od njih su prerađeni prirodni produkti, dok su neki potpuno umjetnog porijekla. Neki od tih materijala su konstrukcijski. No svaki od njih ima neku točno određenu funkciju, koja ovisi o svojstvima materijala. Svojstva materijala su zato optimizirana do te mjere da materijal više ili manje besprijekorno obavlja svoju zadanu funkciju.

Prethistorijski materijali su isključivo oni koji su bili dostupni u prirodi, tako da je jedini izazov bilo njihovo oblikovanje u uporabne predmete. Razvojem znanosti, a osobito kemije, u zadnje vrijeme i njenim objedinjavanjem s fizikom u znanost o materijalima, omogućio je razvoj sve sofisticiranijih materijala. Danas smo u stanju dizajnirati materijale na atomskoj i molekulskoj skali, što omogućuje dobivanje vrlo precizno ugađanje svojstava.

Zadatak

Osvrnite se oko sebe i popišite materijale od kojih se sastoje predmeti i uređaji oko vas. Pokušajte ih svrstati u metale, polimere i keramičke materijale.

Povijesni razvoj materijala

Vrste i funkcije materijala

Materijali služe za izgradnju i potporu građevinskih konstrukcija, strojeva i uređaja, oni moraju izolirati ili voditi električnu struju, toplinu, moraju primati ili odbijati magnetski tok, propuštati, reflektirati ili raspršavati svjetlost. Moraju biti otporni na okolišne uvjete, ali ne smiju dovoditi do neprihvatljive štete za okoliš. Tokom povijesti, zahtjevi ljudi su se oblikovali, a oni su se ostvarivali dobrim dijelom upravo kroz materijale. U početku smo isključivo koristili ono što smo nalazili u prirodi, a kasnije smo naučili kako te prirodne sirovine preradom možemo pretvoriti u materijale znatno poboljšanih svojstava. Imajući u rukama materijale određenih svojstava, ljudi su oblikovali odgovarajuće tehnologije. Vječita potreba ljudskog roda za novim ili poboljšanim funkcijama dovodila je i dovodi do razvitka novih, često i fascinantnih materijala. Sve dublje poznavanje svojstava, te uzročno-posljedične veze mikroskopskog i makroskopskog svijeta danas nam omogućuje dizajn vrlo sofisticiranih materijala, pa time i tehnologija.

Zato možemo reći da se ljudska ingenioznost zapravo najbolje odražava upravo kroz materijale.

Jedna od mnogih mogućih klasifikacija materijala

Fotografija prikazuje umnu mapu podjele materijala. Metali, nemetali, kompozitii biomaterijali. Za svaku skupinu postoji interaktivni objekt unutar jedinice "Vrste i funkcije materijala".

Veza fizikalnih i kemijskih svojstava materijala s njihovom primjenom

Upotreba materijala određuje njihova željena svojstva. Drugim riječima, da bi materijal zadovoljavao naše potrebe, njegova svojstva moraju biti u nekim određenim granicama prihvatljivosti.

Proučite interaktivni element koji slijedi i saznajte koja svojstva moraju zadovoljiti materijali od kojih je izrađen zrakoplov.

Svojstva materijala od kojih je izrađen zrakoplov

Fotografija prikazuje svojstva materijala od koeg je izgrađen zrakoplov. Krila aviona se na različite načine savijaju, ovisno o materijalu od kojeg su izrađena.

S nekim svojstvima smo dobro upoznati iz svakodnevnog života (npr. s gustoćom, čvrstoćom ili cijenom), ali mnoga svojstva nisu toliko intuitivna pa o njima moramo voditi računa pri osmišljavanju konačnog proizvoda. Zato ćemo upoznati neka od najvažnijih fizikalnih i kemijskih svojstava materijala.

Mehanička svojstva

Fotografija prikazuje crtež dvije ruke koje drže oprugu. U prvoj ruci je opruga rastegnuta, a u drugoj je stisnuta između palca i kažiprsta.

Elastičnost – sposobnost materijala da se vrati u polazni oblik nakon neke deformacije.

Fotografija prikazuje drobljenje nekog materijala. Fotografija predstavlja mehaničko svojstvo čvrstoće-pružanje otpora djelovanju sile. Čvrstoća nekog materijala je jednaka sili koja uzrokuje njegov lom.

Čvrstoća – pružanje otpora djelovanju sile. Čvrstoća nekog materijala je jednaka sili koja uzrokuje njegov lom.

Fotografija prikazuje rezanje metalne ploče.

Tvrdoća – svojstvo materijala da se protivi prodiranju nekog stranog tijela u njegovu strukturu.

Fotografija prikazuje pluteni čep koji pluta u staklenoj posudi s prozirnom tekućinom (vjerojatno vodom). U posudi je i uteg koji je potonuo na dno.

Gustoća – omjer mase i volumena nekog materijala: $\it{\rho} = \dfrac{\it{m}}{\it{V}}$

1. riješeni primjer

Zadatak:

Debelo uže dužine L = 8 m je izrađeno od gume gustoće $\mathit{\rho} =$ 1,5 g cm^–3, a Youngov modul elastičnosti iznosi $\mathit{Y}= 5\cdot 10^{6}$ N m^–2. Ako to uže ovjesimo, koliko će se produljiti zbog vlastite težine?

Izradak:

Osnovni izraz za Youngov modul je:

$\mathit{Y} = \dfrac{\mathit{FL}}{\mathit{Ax}}$

gdje je F sila koja djeluje na uže (u ovom slučaju njegova težina), A je površina presjeka užeta, a x je produljenje užeta.
Pretpostavimo da je masa užeta koncentrirana u njegovom težištu, dakle u njegovoj središnjoj točki.
U tom slučaju je produljenje užeta x proporcionalno njegovoj početnoj duljini L.
Ako težina užeta efektivno djeluje u njegovom težištu, onda se x mjeri od polovice užeta i L zamijenjujemo s $\frac{\mathit{L}}{2}$ u izrazu za Youngov modul:

$\mathit{Y} = \dfrac{\mathit{FL}}{2\mathit{Ax}}$

dakle, x je dan izrazom:

$\mathit{x} = \dfrac{\mathit{FL}}{2\mathit{YA}}$

S obzirom na to da je

$\mathit{F} = \mathit{mg} = \mathit{\rho V g} = \mathit{\rho ALg}$

uvrštavanjem u izraz za produljenje dobivamo:

$\mathit{x = \dfrac{\rho ALgL}{2YA}} = \mathit{\dfrac{\rho L^{2}g}{2Y}}$

Uvrštavanjem vrijednosti u taj izraz, dobivamo:

x = 0,096 m

Termička svojstva

Fotografija je shema koja prikazuje termički raspon-temperaturno područje unutar kojega materijal postiže optimalnu funkcionalnost. Termometar je većim dijelom obojan plavom bojom, a manji dio je obojan crvenom. Najniža točka je -15, a najviša je +35 stupnjeva .

Temperaturni raspon – temperaturno područje unutar kojega materijal postiže optimalnu funkcionalnost.

Fotografija je grafika koja prikazuje čovjekak kako snagom svoju ruku okreće strelicu koja mjeri nešto. Mjerač je sličan onom kojim se mjeri količina goriva u automobilu.

Maksimalna radna temperatura – najviša temperatura koju može podnijeti materijal, a da ne dođe do njegove degradacije.

Fotografija je shema koja prikazuje toplinsku vodljivost. Toplinska vodljivost je prikazana shemom čajnika na vatri kroz kojeg struji vrući i hladni zrak.

Toplinska vodljivost – fizikalno svojstvo koje opisuje koliko uspješno materijal provodi toplinu.

Fotografija je shema koja prikazuje mjerenje toplinskog kapaciteta. Staklena posuda se zagrijava na plamenu. U njoj je tekućina u koju je uronjen trmometar.

Toplinski kapacitet (C) – omjer topline, Q, dovedene nekom tijelu i promjene temperature, ΔT, koju je uzrokovala dovedena toplina.

2. riješeni primjer

Slika uz primjer - termogravimetrijska krivulja borazana

Fotografija prikazuje termogravimetrijsku krivulju, koja prikazuje termičku dehidrogenaciju borazana NH3BH3, tvari koja se mnogo razmatra kao izgledni materijal za kemijsku pohranu vodika.

Termogravimetrijska krivulja koja prikazuje termičku dehidrogenaciju borazana.

Sliku izradio autor prema vlastitim mjerenjima.

Zadatak:

Termogravimetrijska analiza (TGA) je metoda koja nam daje temperaturnu ovisnost promjene mase nekog uzorka. Na slici je termogravimetrijska krivulja, koja prikazuje termičku dehidrogenaciju borazana NH3BH₃, tvari koja se mnogo razmatra kao izgledni materijal za kemijsku pohranu vodika. Iz krivulje očitajte:
a) u koliko se koraka u danom temperaturnom rasponu odvija dehidrogenacija?
b) koliki je gubitak mase (u postocima) u pojedinom koraku?
c) na temelju tih podataka predložite kemijske procese za svaki korak.

Izradak:

a) Temperaturni raspon se očitava na apscisi i on je u ovom slučaju 25 - 245 °C.
Vidimo da je masa nepromijenjena u rasponu od sobne temperature do 100 °C. Nakon toga masa naglo pada do 125 °C, a zatim u rasponu 140 - 200 °C opet naglo opada.
Prema tome, dehidrogenacija borazana se temperaturnom rasponu 25 - 245 °C odvija u 2 koraka.

b) Postotak izgubljene mase se očitava na ordinati, koja prikazuje omjer mase pri određenoj temperaturi i početne temperature $\frac{\mathit{m}}{\mathit{m}_0}$ , tako da je na početku m = m₀, pa je početna vrijednost 100%. Gubitak mase Δm je izražen s:

$\dfrac{\Delta \mathit{m}}{\mathit{m}_0}=(1 - \dfrac{\mathit{m}}{\mathit{m}_0})\cdot$ 100%

Iz krivulje očitavamo da je nakon prvog koraka

$\dfrac{\mathit{m}}{\mathit{m}_0} =$ 93,5%

Dakle:

$\dfrac{\Delta \mathit{m}}{\mathit{m}_0} =$ 6,5%

Nakon drugog koraka je

$\dfrac{\mathit{m}}{\mathit{m}_0} =$ 87,0%

Dakle

$\dfrac{\Delta\mathit{m}}{\mathit{m}_0} =$ 13%

ili, 6,5% u odnosu na prvi korak.

c) Znamo da je bilo koja dehidrogenacija eliminacija vodika pa tako i u ovom slučaju gubitak mase pripisujemo eliminaciji vodika. Kako bismo vidjeli što se događa u promatranoj reakciji, trebamo odrediti maseni udio vodika u borazanu:

$w\left(H,NH_3BH_3\right)=\dfrac{6\mathit{A}_r(H)}{6\mathit{A}_r(H)+ \mathit{A}_r(N)+\mathit{A}_r(B)} =$ 19,3%

Opaženi gubitak mase u pojedinačnim koracima je 6,5%, što je $\frac{1}{3}$ od ukupnog masenog udjela vodika. Dakle, u svakom koraku iz NH₃BH₃ izlaze 2 atoma vodika, koji se onda vezuju u molekulu H₂. Prema tome:

korak: NH₃BH₃ → NH₂BH₂ + H₂
korak: NH₂BH₂ → NHBH + H₂

Elektromagnetska svojstva

Fotografija prikazuje električnu vodljivost kroz kablove.

Električna vodljivost (G) – svojstvo materijala da propušta električnu struju.

Fotografija prikazuje predmet vezan uz električni otpor.

Električni otpor (R) – svojstvo materijala da pruža otpor električnoj struji. Obrnuto je proporcionalan električnoj vodljivosti, G: $\it{R} = \dfrac{1}{\it{G}}$

Fotografija prikazuje dielektrični odziv – sposobnost dielektričnih materijala (izolatora) da se polariziraju u električnom polju. To svojstvo je ključno u tehnologijama prijenosa signala.

Dielektrični odziv – sposobnost dielektričnih materijala (izolatora) da se polariziraju u električnom polju. To svojstvo je ključno u tehnologijama prijenosa signala.

Fotografija prikazuje magnetska svojstva – ponašanje materijala u magnetskom polju. Materijali mogu biti feromagnetični, paramagnetični i dijamagnetični.

Magnetska svojstva – ponašanje materijala u magnetskom polju. Materijali mogu biti feromagnetični, paramagnetični i dijamagnetični.

Fotografija prikazuje prizmu kojroz koju se bijela svjetlost lomi u spektar boja. Fotografija predstavlja optička svojstva materijala.

Optička svojstva – sposobnost materijala da propušta, reflektira, raspršuje ili apsorbira elektromagnetsko zračenje.

Fotografija prikazuje dvije bočice koje na sebi imaju oznaku radioaktivnosti.

Radioaktivnost – svojstvo materijala da, zbog nuklearnih reakcija, emitira α, β ili γ zračenje.

Kemijska svojstva

Fotografija prikazuje grafiku kojoj je u centru kemičar, a oko njega lebdi pribor, kemikalije, lijekovi, bočice.

Kemijska reaktivnost – obuhvaća sve vrste odaziva neke tvari na prisustvo nekog drugog reaktanta.

Fotografija prikazuje tabletu koja se topi u prozirnoj tekućini.

Topljivost – svojstvo materijala da se otapa ili ne otapa u nekom otapalu.

Fotografija prikazuje materijal koji se koristi kao katalizator.

Katalitička aktivnost – svojstvo materijala da ubrzava kemijske reakcije.

Fotografija prikazuje grafiku koja karakterizira fotokemiju. Iz objektiva fotoaparata izlaze fotografije na filmu.

Fotokemijska svojstva – svojstvo materijala da podliježe ili ne podliježe kemijskoj promjeni pri utjecaju elektromagnetskog zračenja, uglavnom vidljive ili ultraljubičaste svjetlosti.

Fotografija prikazuje dvije posude koje imaju oznaku otrovnosti i korozivnosti.

Otrovnost – negativan utjecaj tvari na živa bića ili okoliš.

Veza mikroskopskih i makroskopskih svojstava materijala

Funkcionalna svojstva materijala su odraz njihove mikroskopske strukture. Drugim riječima, kemijske veze, oblik molekula, prisustvo ili odsustvo metalnih atoma, međumolekulske interakcije, prostorni raspored atoma i molekula (struktura), strukturni defekti, nečistoće itd. zajedno određuju sva ona svojstva koja opažamo na makroskopskoj skali i koja su važna za primjenu materijala.

Pogledajte videozapis o ugljiku i ponovite značajke alotropskih modifikacija ugljika.

Video 1.

Ugljik

0

Općenito, materijali mogu biti amorfne ili kristalne strukture.

3. riješeni primjer

Zadatak:

Fuleren C₆₀ je jedna od tehhnološki najznačajnijih alotropskih modifikacija ugljika. Radijus njegove molekule iznosi r = 509 pm, a on kristalizira u plošno centriranoj kubičnoj rešetci. Odredite gustoću tog materijala.

Rješenje:

Uređenje u plošno centriranoj kristalnoj rešetci je prikazano na slici:

Plošno centrirana kristalna rešetka

Fotografija prikazuje kristalnu strukturu fulrena. Prikazan je kao kocka sastavljena od mnoštva kuglica (atoma ugljika).

Izradak:

Plošno centrirana kubična rešetka ukupno uključuje 14 molekula C₆₀, od kojih je 8 smješteno u kutovima, a 6 u središtima stranica kocke.
No, iz slike je vidljivo da se, zbog ponavljanja kristalne jedinične ćelije u sve tri dimenzije, efektivno ne računaju cijele molekule C₆₀, nego njihovi dijelovi, i to ovako:

svaka od 8 molekula C₆₀, koje su smještene u kutovima kocke, ulazi u 8 jediničnih ćelija. Prema tome, $\frac{1}{8}$ svake od tih molekula se računa kao dio pojedinačne ćelije;
svaka od 6 molekula C₆₀, koje su smještene u središtima stranica kocke, ulazi u 2 jedinične ćelije. Prema tome, $\frac{1}{2}$ svake od tih molekula se računa kao dio pojedinačne ćelije.

Ukupno, svaka jedinična ćelija se efektivno sastoji od

$8\cdot\frac{1}{8} + 6\cdot\frac{1}{2} = 4$ molekula C₆₀.

Molekulska masa C₆₀ iznosi:

$\mathit{m}(C_{60}) = 60\mathit{A}_{r}(C)\cdot 1,66\cdot 10^{-24}$ g

$\mathit{m}(C_{60}) = 1,197\cdot 10^{-21}$ g

Prema tome, masa jedinične ćelije je:

m = 4m(C₆₀) = 4,787·10^-21 g

U jediničnoj ćeliji se molekule C₆₀ međusobno dodiruju, tako da dimenzije ćelije možemo odrediti korištenjem sljedeće skice:

Dimenzije ćelije

Fotografija prikazuje mjerenje dimenzija ćelije korištenjem Pitagorinog teorema.

Stranice jedinične ćelije (kocke) računamo korištenjem Pitagorinog teorema:

$(4r)^{2} = d^{2} + d^{2}$

$d = 2r\sqrt{2}$

Uvrštavanjem i sređivanjem dobivamo:

d = 1,440·10^-7 cm

Volumen kocke je:

V = d³ = 2,984·10^-21 cm³

Sad to jednostavno uvrstimo u dobro poznatu formulu za gustoću:

$\rho = \frac{m}{V}$

i dobivamo:

ρ = 1,60 g cm^-3

Povežite strukture na slikama s odgovarajućim opisom

Fotografija prikazuje ilustraciju polikristalne strukture.

kristalna

Fotografija prikazuje ilustraciju amorfne strukture.

polikristalna

Fotografija prikazuje ilustraciju kristalne strukture.

amorfna

Veza makroskopskih i mikroskopskih svojstava metala i glavne karakterizacijske metode

Fotografija je umna mapa o vezi makroskopskih i mikroskopskih svojstava metala i glavnim karakterizacijskim metodama.

Metali su materijali u kojima su atomi međusobno vezani metalnom vezom. Zato je njihov najmanji građevni element atom, tako da o svojstvima metala na najnižoj strukturnoj razini saznajemo primjenom atomskih spektroskopija. Vrste atoma i veze među njima određuju optička, električka i glavna mehanička svojstva metala.

Višu strukturnu razinu čini kristalna struktura, tj. način slaganja etoma u metalima, što nam je dostupno primjenom metoda difrakcije X-zraka. Te metode nam omogućuju i analizu mikrodefekata, kao što su dislokacije, praznine, mikropukotine itd. To je dodatno poboljšano primjenom elektronskih mikroskopija, kao i mikroskopije atomskih sila.

Na još višoj razini kristali se nakupljaju u zrna, koja proučavamo metalografskom analizom. Struktura na toj razini određuje mehanička, ali i neka magnetska svojstva metala, njihovu teksturu i druga svojstva izvan domene kemije.

Veza makroskopskih i mikroskopskih svojstava stakala i keramika te glavne karakterizacijske metode

Fotografija je umna o Vezi makroskopskih i mikroskopskih svojstava stakala i keramika te glavnim karakterizacijskim metodama.

Stakla i keramike su nemetalni materijali, obično anorganski spojevi, u kojima su atomi međusobno povezani kovalentnim i, barem djelomično, ionskim vezama. Molekulske spektroskopije daju podatke od neprocjenjive važnosti o njihovoj strukturi i najosnovnijim svojstvima na najnižoj razini. Molekule od kojih su građena, ali i njihovo uređenje određuje većinu optičkih, električkih i termičkih svojstava tih materijala.

Stakla su nemetalni materijali amorfne strukture, tako da za njihovo proučavanje općenito nisu podesne metode difrakcije X-zraka.

No, keramike su kristalinične, pa su u proučavanju njihovih struktura te metode nezamjenjive. Tim metodama saznajemo kako su međusobno složene molekule u trodimenzionalnim kristalima, koji čine strukturu keramike. Kao i kod metala, te metode, uz elektronsku mikroskopiju i mikroskopiju atomskih sila, nam omogućuju i analizu mikrodefekata, kao što su dislokacije, praznine, mikropukotine, uklopine itd. Velika je važnost i termičkih metoda u ispitivanju tih materijala.

Na još višoj razini kristali se nakupljaju u zrna, a o naravi tih zrna uvelike ovisi lomljivost, odnosno mehanička otpornost keramike, ali i teksturu i druga svojstva izvan domene kemije. To proučavamo optičkom mikroskopijom.

Veza makroskopskih i mikroskopskih svojstava polimera i glavne karakterizacijske metode

Fotografija je umna mapa o vezi makroskopskih i mikroskopskih svojstava polimera i glavnim karakterizacijskim metodama.

Polimeri su nemetalni materijali, najčešće organski, ali mogu biti i anorganski spojevi, u kojima su male molekule monomera međusobno povezane u duge polimerne lance. Ti lanci se na višoj razini isprepliću ili čine pravilne snopove, što ovisi o svojstvima monomera, najviše o njihovoj sposobnosti stvaranja međumolekulskih interakcija.

Molekulske spektroskopije, uz termičke metode analize, nam zato daju ključne podatke ne samo o molekulama monomera ili polimera, nego i o načinu uređenja polimernih lanaca na višoj strukturnoj razini.

Polimeri mogu amorfni, ali i u većoj ili manjoj mjeri kristalinični, pa nam u njihovom proučavanju pomažu i metode difrakcije X-zraka, kao i mikroskopije.

Nanomaterijali

U suvremenom životu sve veću važnost imaju nanomaterijali. Radi se o materijalima čija se funkcija odvija na nanometarskoj ljestvici. Konkretno, barem jedna od dimenzija tih materijala mora biti na nanometarskoj ljestvici, obično između 1 i 100 nm.

S obzirom na dimenzionalnost, oni se dijele na:

nanočestice
jednodimenzionalni (1D) nanomaterijali
dvodimenzionalni (2D) nanomaterijali
mikroporozni materijali.

Nanočestice

S obzirom na dimenzionalnost, nanočestice možemo nazivati bezdimenzionalnim (0D) nanočesticama, jer se ni jedna od njihovih dimenzija ne ističe. Ti nanomaterijali su našli vrlo široku primjenu u svim područjima, od medicine, biotehnologije i poljoprivrede, preko nanoelektronike i konverzije i pohrane energije sve do kozmetike, sporta, tekstila i dr. Kao i kod drugih nanomaterijala, njihova reaktivnost se znatno razlikuje od reaktivnosti makroskopskih čestica istih kemijskih spojeva, što proizlazi iz njihove ekstremno velike aktivne površine, ali i vrlo malih dimenzija.

Jednodimenzionalni (1D) nanomaterijali

Fotografija prikazuje jednodimenzionalne nanomaterijale.

Jednodimenzionalni (1D) nanomaterijali su oni kojima je jedna dimenzija znatno veća od ostale dvije. To su nanocijevčice, nanovlakna i sl. Ti materijali se najčešće koriste u naprednim tekstilima, kao i za mehaničko ojačavanje ultralaganih konstrukcija. Međutim, naročito u kombinaciji s nanočesticama, našli su široku primjenu i u konverziji energije, naročito u solarnim fotonaponskim sustavima.

U upotrebi su mnoga nanovlakna prirodnog porijekla, po kemijskom sastavu uglavnom polisaharidi ili polipeptidi. No, stalno nastaju nova sintetska polimerna nanovlakna. Među nanocijevčicama su najpoznatije ugljikove nanocijevčice, ali i cijevčice od titanovog oksida TiO₂, cinkovog oksida ZnO itd.

Dvodimenzionalni (2D) nanomaterijali

Fotografija prikazuje dvodimenzionalne nanomaterijale.

Dvodimenzionalni (2D) nanomaterijali su oni kojima su dvije dimenzije znantno veće od treće. To su, dakle, listićaste strukture ili tanki slojevi, naneseni na neki nosivi materijal. Mnogi prirodni materijali imaju lističastu strukturu, u kojoj su pojedinačni listići složeni jedan iznad drugoga, otprilike kao listovi papira u knjizi, a na okupu ih drže slabe van der Waalsove sile.

Ti pojedinačni listići se mogu relativno jednostavno razdvojiti (eksfolirati) djelovanjem mehaničke sile ili primjenom nekih kemijskih sredstava, koja se ugrađuju između listića (interkalacija) i time smanjuju silu među njima.

Najpoznatiji primjer dvodimenzionalnog materijala je grafen, koji je zapravo listić grafita. To je vodljiv 2D materijal, koji je našao vrlo široku primjenu u najrazličitijim područjima. Drugi važni predstavnici su poluvodljiv molibdenov disulfid MoS₂ i njemu srodni dihalkogenidi prijelaznih metala, te borov nitrid BN, koji je izolator.

Tanki slojevi se nanose na različite supstrate (nosive materijale), a oni služe za različite primjene, od antiseptičkih, preko antirefleksijskih, pa do izrade nanoelektroničkih elemenata.

Mikroporozni materijali

Fotografija prikazuje mikroporozne nanomaterijale.

Mikroporozni, kao i ostali porozni materijali, su makroskopskih dimenzija. Međutim, za njihovu funkciju su ključne nanometarske dimenzije njihovih pora, tako da bi ih s obzirom na dimenzionalnost mogli nazvati trodimenzionalnim (3D) nanomaterijalima. Oni su našli vrlo široku primjenu u naprednim separacijskim tehnologijama, u skladištenju različitih kemikalija, a nezaobilazni su u katalizi. Poroznost im osigurava vrlo veliku, pa i ekstremnu dostupnu površinu, a makroskopske dimenzije laganu manipulaciju. Često su nosači drugih nanočestica.

Danas postoji mnogo različitih vrsta prirodnih i umjetnih mikroporoznih materijala.

Sinteza materijala

Kako bi se priredili materijali, koriste se sve raspoložive metode kemijske sinteze, ali i različite metalurške i fizikalne metode. Osim toga, stalno se razvijaju nove metode, koje omogućuju dobivanje sve sofisticiranijih materijala, vrlo precizno ugođenih ciljanih svojstava.

Problemski zadatak

Radom u paru, iz sljedećeg popisa, odaberite jedan materijal po želji i proučite kako se proizvodi:

goretex
gorilla staklo
LCD ekran
grafen
printerska tinta
cement
volfram
porculan
laboratorijsko staklo
ugljikovim vlaknima ojačani polimeri.

Svoja saznanja predstavite prezentacijom, koju možete izraditi u PowerPointu, a nakon izlaganja potaknite raspravu u razredu o obrađenoj temi.

Materijali i okoliš

Jasno je da su nam materijali nezaobilazni u svakodnevnom životu, te da su oni u velikoj mjeri oblikovali naš suvremeni način života. No, sirovine za dobivanje svih tih materijala crpimo iz prirode. Te sirovine industrijski prerađujemo u materijale spremne za upotrebu, a onda od njih stvaramo upotrebne predmete. Svi ti predmeti imaju svoj životni vijek, a nakon njegovog isteka, pretvaraju se u otpad, kojega treba zbrinuti.

Svaka od tih karika u tehnološkom ciklusu utječe na okoliš, a u interesu nam je taj utjecaj smanjiti na najmanju moguću mjeru.

Naime, sirovine za materijale u prirodi se ne nalaze u neograničenim količinama. Osim toga, metode njihovog crpljenja (ekstrakcije) često imaju vrlo jak utjecaj na okoliš. Pri osmišljavanju produkata treba uzeti u obzir te utjecaje. Osim toga, danas neke od kemijskih elemenata već smatramo i ugroženime, jer je neodgovorna ekstrakcija i zbrinjavanje otpada dovela do zabrinjavajućeg smanjenja njihove dostupnosti. Ako postoji neki kompromisni materijal, ekstrakcija čijih sirovina ima manji utjecaj na okoliš, treba odabrati takav materijal.

Materijali i zelena kemija

Potpuno opravdano, danas se sve više pažnje pridaje okolišnom utjecaju materijala u svim fazama njihovih "životnih" ciklusa. Iz takvih razmišljanja proizašla je zelena kemija, koja obuhvaća niz koncepata, temeljenih na 12 načela. Naime, zelena kemija konceptualno proizlazi iz pitanja:

Koji bi bio energetski najučinkovitiji te okolišno najprihvatljiviji način dobivanja određenog produkta?
Ako životni ciklus nekog materijala ima znatan negativan utjecaj na okoliš, može li se taj materijal zamijeniti nekim drugim, okolišno prihvatljivijim?

Dosljedna implementacija načela zelene kemije dovodi do znatnih napredaka prema održivijoj i ekološki prihvatljivijoj kemiji, pa onda i kemijskoj industriji. No, primjena načela zelene kemije u kemičarskoj praksi suočava suvremenog kemičara s izazovima nalaženja novih metoda, ali i promišljanju svog laboratorijskog posla daleko izvan okvira kemije, prema okolišnoj, ali i društvenoj odgovornosti te održivosti i pravdi.

Sa zelenom kemijom i njenim načelima ćemo se detaljnije upoznati na drugom mjestu.

Problemski zadatak

Proučite koji su kemijski elementi ugroženi! S kojima od njih se susrećete u proizvodima koje koristite? Svoja saznanja predstavite prezentacijom, koju možete izraditi u PowerPointu, a nakon izlaganja potaknite raspravu u razredu o obrađenoj temi.

Sirovine se u konačne materijale mogu prerađivati na mnogo različitih načina. Treba nastojati da se nađe energetski najefikasnija metoda s minimalnim štetnim emisijama. U korištenju produkata treba biti racionalan i svjesni pojedinci bi trebali voditi računa o izvorima materijala i načinu njihove proizvodnje.

Naravno, kad produktu istekne životni vijek, treba ga odgovorno zbrinuti, a najbolje je omogućiti recikliranje materijala od kojih je proizvod napravljen.

Slika 1.

Recikliranje otpada

Fotografija prikazuje šest posuda za recikliranje. Prva je zelene boje i namijenjena je za biootpad, druga je crvene boje za plastiku, treća sive boje za baterije, četvrta je plave boje za staklo, peta je ljubičasta za metal i šesta je žute boje i namijenjena je za papir.

Reciklirajte sve što možete!

Problemski zadatak

Okolišna prihvatljivost bilo kojeg produkta može se analizirati razmatranjem njegovog životnog ciklusa (eng. Life Cycle Assessment - LCA).

Istražite na mrežnim stranicama što je LCA i pokušajte razmotriti životni ciklus mobitela. Svoja saznanja predstavite prezentacijom, koju možete izraditi u nekom vama poznatom prezentacijskom alatu. Uz pomoć nastavnika, potaknite ostale učenike u razredu da se osvrnu i na ekološku stranu prikupljanja i zbrinjavanja EE otpada.

Slika 2.

Unutrašnjost mobitela

Fotografija prikazuje unutrašnjost pametnog telefona.

Promislite i odgovorite

Povežite proizvod s najpogodnijim materijalom za njegovu izradu.

utikač

bakelit

izolacija električnih kablova

bakar

dalekovod

čelik

električni vodovi

polivinil-klorid

Dopunite kratki tekst o ugljiku.

Elementarni ugljik dolazi u više

. Crna tvar, koja se nalazi u olovkama, ali koja služi i kao odlično mazivo je

. Ta tvar je

strukture. Njeni

se lako odvajaju i zato ga koristimo za pisanje i kao mazivo.
Osim toga, on je električki

.
Drugi oblik u kojem ugljik dolazi u prirodi nastaje u uvjetima velikih temperatura i tlakova. Nastala tvar je vrlo tvrda, ima veliki indeks loma.
Nazivamo je

. On je vrlo vrijedan, a izuzetna tvrdoća je posljedica strukture, koja se sastoji od

. Ta tvar je električki

.
Treći važan oblik u kojem dolazi elementarni ugljik je tek nedavno otkriven.
Njegovu strukturu opisujemo formulom C₆₀, C₇₀ itd., a čine je

.
Ta tvar je našla veliku primjenu u

.

Povežite proizvod s najpogodnijim materijalom za njegovu izradu.

hladnjak procesora

silicij

zaslon računala

zlato

jezgra procesora

aluminij

priključci na USB štapiću

tekući kristali

Potražite svojstva (gustoću, tvrdoću, kemijsku reaktivnost, zastupljenost i cijenu) sljedećih metala pa odaberite jedan među njima koji bi bio najpogodniji za izgradnju aviona.

Kalcij.

Magnezij.

Berilij.

Rubidij.

Povežite materijal sa skupinom u koju ga svrstavamo.

teflon

polimer

grafen

metal

drvo

nanomaterijal

aluminij

prirodni polimeri

kamen

keramika

4.1. Vrste i funkcije materijala

Uvod

Zadatak

Povijesni razvoj materijala

Vrste i funkcije materijala

Veza fizikalnih i kemijskih svojstava materijala s njihovom primjenom

Mehanička svojstva

1. riješeni primjer

Termička svojstva

2. riješeni primjer

Elektromagnetska svojstva

Kemijska svojstva

Veza mikroskopskih i makroskopskih svojstava materijala

Video 1.

3. riješeni primjer

Nanomaterijali

Sinteza materijala

Problemski zadatak

Materijali i okoliš

Materijali i zelena kemija

Problemski zadatak

Slika 1.

Problemski zadatak

Slika 2.

Promislite i odgovorite