Ilmu material
Ilmu material adalah bidang interdisipliner untuk meneliti dan menemukan material. Rekayasa material adalah bidang rekayasa untuk menemukan penggunaan material di bidang dan industri lain.
Asal-usul intelektual ilmu material berasal dari Zaman Pencerahan, ketika para peneliti mulai menggunakan pemikiran analitis dari kimia, fisika, dan teknik untuk memahami pengamatan fenomenologis kuno dalam metalurgi dan mineralogi. Ilmu material masih menggabungkan unsur-unsur fisika, kimia, dan teknik. Dengan demikian, bidang ini telah lama dianggap oleh institusi akademik sebagai sub-bidang dari bidang-bidang terkait ini. Dimulai pada tahun 1940-an, ilmu material mulai dikenal lebih luas sebagai bidang sains dan teknik yang spesifik dan berbeda, dan universitas teknik besar di seluruh dunia membuat sekolah khusus untuk mempelajarinya.
Ilmuwan material menekankan pada pemahaman tentang bagaimana sejarah material (pemrosesan) memengaruhi strukturnya, dan dengan demikian sifat dan kinerja material tersebut. Pemahaman tentang hubungan pemrosesan-struktur-sifat disebut paradigma material. Paradigma ini digunakan untuk memajukan pemahaman di berbagai bidang penelitian, termasuk nanoteknologi, biomaterial, dan metalurgi.
Sejarah
Bahan pilihan dari era tertentu sering kali menjadi titik penentu. Fase-fase seperti Zaman Batu, Zaman Perunggu, Zaman Besi, dan Zaman Baja merupakan contoh yang bersejarah, jika diambil secara acak. Awalnya berasal dari pembuatan keramik dan metalurgi turunannya, ilmu material adalah salah satu bentuk tertua dari ilmu teknik dan ilmu terapan. Ilmu material modern berevolusi secara langsung dari metalurgi, yang dengan sendirinya berevolusi dari penggunaan api. Terobosan besar dalam pemahaman material terjadi pada akhir abad ke-19, ketika ilmuwan Amerika Serikat, Josiah Willard Gibbs, mendemonstrasikan bahwa sifat termodinamika yang terkait dengan struktur atom dalam berbagai fase berhubungan dengan sifat fisik suatu material. Elemen-elemen penting dari ilmu material modern merupakan produk dari Perlombaan Antariksa; pemahaman dan rekayasa paduan logam, serta bahan silika dan karbon, yang digunakan dalam membangun kendaraan antariksa yang memungkinkan penjelajahan ruang angkasa. Ilmu material telah mendorong, dan didorong oleh, pengembangan teknologi revolusioner seperti karet, plastik, semikonduktor, dan biomaterial.
Sebelum tahun 1960-an (dan dalam beberapa kasus beberapa dekade setelahnya), banyak departemen ilmu material yang akhirnya menjadi departemen metalurgi atau teknik keramik, yang mencerminkan penekanan abad ke-19 dan awal abad ke-20 pada logam dan keramik. Pertumbuhan ilmu material di Amerika Serikat dikatalisasi sebagian oleh Advanced Research Projects Agency, yang mendanai serangkaian laboratorium yang diselenggarakan oleh universitas pada awal 1960-an, "untuk memperluas program nasional penelitian dasar dan pelatihan ilmu material."Dibandingkan dengan teknik mesin, bidang ilmu material yang baru lahir difokuskan pada penanganan material dari tingkat makro dan pada pendekatan bahwa material dirancang berdasarkan pengetahuan tentang perilaku pada tingkat mikroskopis. [Karena pengetahuan yang diperluas tentang hubungan antara proses atom dan molekuler serta sifat keseluruhan material, desain material menjadi didasarkan pada sifat spesifik yang diinginkan. Bidang ilmu material sejak saat itu diperluas hingga mencakup setiap kelas material, termasuk keramik, polimer, semikonduktor, material magnetik, biomaterial, dan material nano, yang secara umum diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok yang berbeda: keramik, logam, dan polimer. Perubahan yang menonjol dalam ilmu material selama beberapa dekade terakhir adalah penggunaan simulasi komputer secara aktif untuk menemukan material baru, memprediksi sifat, dan memahami fenomena.
Dasar-dasar
Material didefinisikan sebagai zat (paling sering berupa padatan, tetapi fase terkondensasi lainnya dapat disertakan) yang dimaksudkan untuk digunakan untuk aplikasi tertentu. Ada banyak sekali material di sekitar kita; mereka dapat ditemukan dalam berbagai bentuk, mulai dari material baru dan canggih yang sedang dikembangkan termasuk nanomaterial, biomaterial, dan material energi.
Dasar dari ilmu material adalah mempelajari interaksi antara struktur material, metode pemrosesan untuk membuat material tersebut, dan sifat material yang dihasilkan. Kombinasi yang kompleks dari semua ini menghasilkan kinerja material dalam aplikasi tertentu. Banyak fitur di berbagai skala panjang yang memengaruhi kinerja material, mulai dari elemen kimia penyusun, struktur mikro, dan fitur makroskopis dari pemrosesan. Bersama dengan hukum termodinamika dan kinetika, para ilmuwan material bertujuan untuk memahami dan meningkatkan material.
Struktur
Struktur adalah salah satu komponen terpenting dalam bidang ilmu material. Definisi bidang ini menyatakan bahwa bidang ini berkaitan dengan penyelidikan "hubungan yang ada antara struktur dan sifat-sifat material."Ilmu material meneliti struktur material dari skala atomik, hingga skala makro.
Struktur atom
Struktur atom berhubungan dengan atom-atom bahan, dan bagaimana atom-atom tersebut disusun untuk menghasilkan molekul, kristal, dll. Sebagian besar sifat listrik, magnetik dan kimiawi bahan muncul dari tingkat struktur ini. Skala panjang yang terlibat adalah dalam angstrom (Å). Ikatan kimia dan susunan atom (kristalografi) merupakan hal yang mendasar untuk mempelajari sifat dan perilaku material apa pun.
Ikatan
Untuk mendapatkan pemahaman penuh tentang struktur material dan bagaimana hal itu berkaitan dengan sifat-sifatnya, ilmuwan material harus mempelajari bagaimana atom, ion, dan molekul yang berbeda diatur dan terikat satu sama lain. Hal ini melibatkan studi dan penggunaan kimia kuantum atau fisika kuantum. Fisika zat padat, kimia zat padat, dan kimia fisik juga terlibat dalam studi ikatan dan struktur.
Kristalografi
Kristalografi adalah ilmu yang meneliti susunan atom dalam padatan kristal. Kristalografi adalah alat yang berguna bagi para ilmuwan material. Salah satu konsep mendasar mengenai struktur kristal suatu bahan meliputi sel satuan, yaitu unit terkecil dari kisi kristal (kisi ruang) yang berulang untuk membentuk struktur kristal makroskopik. Bahan struktural yang paling umum termasuk jenis kisi paralelpipa dan heksagonal. Bahan baru dan canggih yang sedang dikembangkan termasuk bahan nano. Dalam kristal tunggal, efek dari susunan kristal atom sering kali mudah dilihat secara makroskopis, karena bentuk alami kristal mencerminkan struktur atom. Lebih jauh lagi, sifat fisik sering kali dikontrol oleh cacat kristal. Pemahaman struktur kristal merupakan prasyarat penting untuk memahami cacat kristalografi. Contoh cacat kristal terdiri dari dislokasi termasuk tepi, sekrup, kekosongan, inter-stitial, dan banyak lagi yang merupakan jenis cacat linier, planar, dan tiga dimensi. Material baru dan canggih yang sedang dikembangkan termasuk nanomaterial, biomaterial.
Struktur nano
Material yang atom dan molekulnya membentuk konstituen dalam skala nano (yaitu membentuk struktur nano) disebut material nano. Nanomaterial menjadi subjek penelitian yang intens dalam komunitas ilmu material karena sifat unik yang mereka tunjukkan.
Nanostruktur berhubungan dengan objek dan struktur yang berada dalam kisaran 1 - 100 nm. Dalam banyak bahan, atom atau molekul menggumpal bersama untuk membentuk objek pada skala nano. Hal ini menyebabkan banyak sifat listrik, magnetik, optik, dan mekanik yang menarik.
Dalam menggambarkan struktur nano, perlu dibedakan antara jumlah dimensi pada skala nano. Permukaan bertekstur nano memiliki satu dimensi pada skala nano, yaitu hanya ketebalan permukaan suatu benda antara 0,1 dan 100 nm.Tabung nano memiliki dua dimensi pada skala nano, yaitu diameter tabung antara 0,1 dan 100 nm; panjangnya bisa jauh lebih besar.
Terakhir, nanopartikel bulat memiliki tiga dimensi pada skala nano, yaitu partikel berukuran antara 0,1 dan 100 nm di setiap dimensi spasial. Istilah nanopartikel dan partikel ultra halus (UFP) sering digunakan secara sinonim meskipun UFP dapat mencapai kisaran mikrometer. Istilah 'struktur nano' sering digunakan, ketika mengacu pada teknologi magnetik. Struktur berskala nano dalam biologi sering disebut ultrastruktur.
Struktur mikro
Struktur mikro didefinisikan sebagai struktur permukaan yang disiapkan atau lapisan tipis bahan yang terlihat oleh mikroskop di atas perbesaran 25×. Ini berkaitan dengan objek dari 100 nm hingga beberapa cm. Struktur mikro suatu bahan (yang secara luas dapat diklasifikasikan menjadi logam, polimer, keramik, dan komposit) dapat sangat memengaruhi sifat fisik seperti kekuatan, ketangguhan, keuletan, kekerasan, ketahanan terhadap korosi, perilaku suhu tinggi/rendah, ketahanan terhadap keausan, dan sebagainya. Sebagian besar bahan tradisional (seperti logam dan keramik) memiliki struktur mikro.
Pembuatan kristal yang sempurna dari suatu bahan secara fisik tidak mungkin dilakukan. Sebagai contoh, setiap bahan kristal akan mengandung cacat seperti endapan, batas butir (hubungan Hall-Petch), kekosongan, atom interstisial atau atom substitusi. Struktur mikro bahan mengungkapkan cacat yang lebih besar ini dan kemajuan dalam simulasi telah memungkinkan peningkatan pemahaman tentang bagaimana cacat dapat digunakan untuk meningkatkan sifat material.
Disadur dari: en.wikipedia.org