materialeforskning

Materialeforskningens oprindelse er forhistorisk. De første materialer var træ, skind, ben, sten, metaller og andre af naturens stoffer, som har krævet minimal forarbejdning. Arkæologiske fund fra Japan vidner om fremstilling af et holdbart keramisk materiale ved at brænde tørret ler ca. 10.500 f.Kr. Ild har også været brugt til at fjerne deformationshærdning under smedning af guld, sølv, kobber og meteorjern. Den første legering, bronze, menes fremstillet omkring 3000 f.Kr., og hærdning af rødglødende stål ved bratkøling i vand har været brugt siden 1000 f.Kr. Der er i Egypten fundet perler af farvet glas fremstillet 2500 f.Kr., og et kompositmateriale som papir baseret på cellulosefibre blev opfundet i Kina mellem 200 f.Kr. og 100 e.Kr.

Den moderne materialeforskning udspringer af rationalismens og oplysningstidens Europa og har udviklet sig med rivende hast gennem 1900-t. Den adskiller sig fra årtusinders empiriske undersøgelser dels gennem inddragelse af materialernes kemiske sammensætning og fysiske struktur, dels ved anvendelse af systematiske eksperimentelle og teoretiske metoder. De tidligste opdagelser skete sent i 1600-t. inden for geologi og biologi, hvor Niels Stensen målte de karakteristiske kantvinkler mellem krystallers ydre vækstflader, mens Robert Hooke omtrent samtidig observerede korks cellestruktur i et lysmikroskop.

Opdagelsen i 1910 af de krystallinske stoffers diffraktion af røntgenstråler åbnede for et væld af kvantitative bestemmelser af materialers atomare og molekylære strukturer med Bragg-diffraktion. Nu kunne man fx skelne helt klart imellem glasser og krystaller. Glasserne måtte betragtes som ekstremt tyktflydende væsker, idet de viste sig at være amorfe stoffer uden periodisk atomar orden. I modsætning hertil viste det sig, at de krystallinske materialers atomer eller molekyler er periodisk ordnet i krystalgitre. Keramiske materialer, glasser, halvledere, metaller, legeringer og polymermaterialer som gummi, cellulose eller plast kunne således stort set klassificeres som enten amorfe eller krystallinske. Derimod måtte cellemembranerne i levende organismer i en vis forstand opfattes som både væsker og krystaller. Deres makromolekyler er ordnet i særlige strukturer, de såkaldte flydende krystaller, der anvendes til funktioner som display af tal på digitale armbåndsure.

Materialeforskernes problemstillinger omfatter videnskabelige, praktiske og industrielle sammenhænge, som rent fagligt spænder lige fra geologi til biologi. Således bruges teoretiske modeller af de atomare mekanismer bag materialers plasticitet fx også i studier af bjergarternes deformation i geologiske processer eller isens flydning i gletsjere. På den anden side grænser fx udviklingen af optiske polymermaterialer til holografisk lagring af store informationsmængder op imod bioteknologiens modificering af genetisk materiale til brug i produktion af fødevarer og lægemidler. Formålet med forskningen er at skabe nye teknologiske muligheder med stærkere, lettere, sejere og mere holdbare konstruktions- og funktionsmaterialer med interessante nye egenskaber.

Den store faglige bredde følger af selve materialeforskningens formålsrettethed, som kræver tværdisciplinær vekselvirkning imellem traditionelle fagområder som materialefysik, -kemi, -mekanik og -teknologi. Eksempelvis var opfindelsen i 1980'erne af nye keramiske materialer med evne til såkaldt højtemperatursuperledning et resultat af materialefysik og kemisk syntese. Som andre keramiske materialer har de nye superledere imidlertid tendens til skørt brud. Det giver både materialemekaniske og -teknologiske problemer, som må løses, når disse potentielt revolutionerende nye materialer skal udnyttes.

Der udvikles hele tiden nye eller forbedrede materialer, fremstillingsprocesser og metoder til materialeprøvning og strukturbestemmelse på mikroskopisk og atomart niveau. Forskellige materialetyper kombineres til kompositmaterialer med helt nye kombinationer af egenskaber. Konstruktionsmaterialers overflader hærdes med ionstråling, som også har fået stor industriel betydning, bl.a. til ionimplantering i halvledermaterialer. I kernereaktorer og synkrotronacceleratorer frembringes neutronstråler og røntgenstråler med subatomare bølgelængder og stor indtrængningsdybde og intensitet for at skaffe stadig bedre information bl.a. om materialers magnetiske egenskaber og indre struktur. Moderne transmissions- eller scanning-elektronmikroskoper giver atomar opløsning og et bredt område af forstørrelser i undersøgelser af strukturer og lokale kemiske sammensætninger i materialers indre eller på deres grænseflader. Med rastertunnelmikroskoper, som blev opfundet i begyndelsen af 1980'erne, kan materialeforskerne følge kemiske processer på materialers overflader helt ned til bevægelser af de enkelte atomer.

Tilsvarende er materialeforskningens udvikling præget af en hastigt voksende teoretisk indsigt i de fysiske strukturer og mekanismer, som ligger til grund for fremstillingsprocesser, anvendelses- og genanvendelsesmuligheder. Undersøgelser af overvejende empirisk karakter erstattes derfor af kvantitative strukturanalyser og udvikling af stringente matematiske modeller.

Kvantemekaniske elektronmodeller kan bl.a. forudsige materialers krystalstrukturer og beskrive, hvordan atomer eller molekyler holdes sammen af forskellige typer bindinger. Imidlertid kan de færreste materialeegenskaber og fremstillingsprocesser beskrives alene med elektronteori. De styres af et hierarki af mekanismer og strukturer, som spænder fra faststoffysikkens elektronstrukturer og atomare fejl i krystalgitteret (fx dislokationer) over komplekse mikroskopiske strukturer til de makroskopiske dimensioner. For at klare disse enorme spring i længdeskala og de tilsvarende spring i tidsskala beskrives materialer og processer med passende kombinationer af eksperimentel strukturanalyse, atomare og molekylære modeller, modeller for mikrostrukturer og kontinuummodeller. Materialemodeller anvendes i stigende grad direkte i industrien, og deres udvikling og integrering er tæt forbundet med den stadige vækst i computerkraft, som muliggøres ikke mindst af materialeteknologiske fremskridt.