Egoerasolidoa edogotorradeformazioarekiko etabolumen aldaketekiko erresistentea denmateriaren egoera bat da.Presioa konstante mantenduz etatenperatura baxuan, solidoek gehienetankristal-egiturak osatzen dituzte[1]. Horri esker,indarrak jasan ditzake itxura batean deformatu gabe. Hortaz, multzo zurrunak, konprimiezinak, gogorrak eta erresistenteak izan ohi dira. Bolumen konstantea daukate eta ez dira hedatzen.
Materialen zientzia batez ere solidoen propietateez arduratzen da, hala nola egitura eta fase-transformazioez[4].
Egoera solidoaren kimika material berrien sintesian espezializatzen da.
Ezagutzen den solidorik arinena material artifizial bat da:aerogela, 3 mg/cm3 edo 3 kg/m3-kodentsitatearekin;beira, 1,9 g/cm3-ko dentsitatearekin; dentsitaterik trinkoena duena, berriz,metal bat da:osmioa (Os), 22,6 g/cm3-ko[5].
Kristalino solido baten barruan estuki lotutako atomoen eredua.
Atomoak,molekulak edoioiak osatzen dituzten solidoak errepikapen-eredu ordenatu batean, edo modu irregularrean egon daitezke. Osagaiak eredu erregular batean dituzten materialeikristalak esaten zaie. Kasu batzuetan, ordenamendu erregularrak eskala handian jarrai dezake etengabe,diamanteetan adibidez, non diamante bakoitza kristal bakarrekoa den. Ikusteko eta manipulatzeko bezain handiak diren objektu solidoak gutxitan izaten dira kristal bakar batez osatuak, normalean, kristal indibidual ugariz osatuak izaten dira,klasto izenaz ezagutzen direnak, eta horien tamainananometro gutxi batzuetatikmetro batzuetaraino alda daitezke. Material horiei polikristal deitzen zaie. Metal arrunt gehienak etazeramiko asko polikristalinoak dira.
Ausazko sare baten (ezkerrekoa) eta konposizio kimiko bereko kristal-sare ordenatu baten (eskuinekoa) irudikapen eskematikoa.
Beste material batzuetan, ez dago irismen luzeko ordenarik atomoen posizioan. Solido horiei solido amorfo esaten zaie; adibide batzuekpoliestirenoa eta beira dira.
Solido bat kristalinoa edo amorfoa izatea kasuan kasuko materialaren eta hura eratzeko baldintzen araberakoa da. Hozte geldoaren bidez sortzen diren solidoek kristalinoak izateko joera dute, eta azkar izozten direnak, berriz, amorfoak izateko joera handiagoa dute. Era berean, solido kristalino batek hartzen duenkristal-egitura espezifikoa material horren eta hura sortzeko moduaren araberakoa da.
Objektu komun asko, izotz-kubitu bat edo txanpon bat kasu, kimikoki guztiz berdinak diren bitartean, beste material komun asko elkarren artean lotutako substantzia ezberdinez osatuta daude. Adibidez,harri tipiko batmineral etamineraloide ezberdinen agregatua da, konposizio kimiko espezifikorik gabe. Zura material organiko naturala da, batez erelignina organikoaren matrize batean txertatutakozelulosazko zuntzez osatua. Materialen zientzian, material konposatzaile bat baino gehiagokokonpositeak nahi diren propietateak izateko diseina daitezke.
Elastikotasuna: Solido bat deformatzen denean, jatorrizko forma berreskuratzen du[6]. Malguki batean ikus dezakegu propietate hori, jatorrizko formara itzultzen baita.
Hauskortasuna: Solido bat zati askotan hauts daiteke (hauskorra)[7].
Gogortasuna: Gogortasuna da materialek hainbat alteraziori eskaintzen dieten aurkakotasuna, hala nola sartzeari, urratzeari, marratzeari, ebakitzeari eta deformazio iraunkorrei, besteak beste.Diamantea gogortasun handiko solidoa da.
Forma zehaztua: Forma zehaztua dute; nahiko zurrunak dira, eta ez dira isurtzengasak etalikidoak bezala, ingurunearen muturreko presiopean izan ezik.
Dentsitate handia: Solidoek dentsitate altu samarrak dituzte molekulen hurbiltasunagatik. Horregatik esaten daastunagoakdirela.
Flotagarritasuna: Solido batzuek ezaugarri hori betetzen dute baldin eta bere dentsitatea kokatzen den likidoarena baino txikiagoa bada.
Inertzia: sistema fisiko batek edo sistema sozial batek izan ditzakeen aldaketen aurka jartzen duen zailtasuna edo erresistentzia da; solidoen kasuan, bere atseden-egoera aldatzeko erresistentzia jartzen du.
Irmotasuna: Materialen zientzian, irmotasun edo tinkotasuna material batek pitzadurak edo artesituak hedatzearen aurka egiten duen erresistentzia da.
Xaflakortasuna: Materiaren propietatea da, gorputzak deformazioz lantzen dituena. Xaflakortasunak material-xafla meheak lortzeko aukera ematen du, hautsi gabe, eta elkarren artean duten ezaugarria da ez dagoela horiek kuantifikatzeko metodorik.
Harikortasuna: Harikortasuna dagokio solidoetatik hariak lortzeko duten gaitasunari.
Zurruntasuna: Solido batzuek beste batzuek baino gehiago eutsi diezaiekete tolestura eta bihurdurei.
Deformazioa: Solido batzuk deformatu daitezke hautsi gabe, eta beste forma bat har dezakete.
Aleagarritasuna: Aleagarritasuna da aleazioak osatzeko materialek duten gaitasuna material berriak sortzeko eta prestazioak hobetzeko.
Solido batenatomoen arteko indarrek forma desberdinak har ditzakete. Adibidez,sodio klorurozko kristala (gatz arrunta)sodio etakloroioiek osatzen dute, etalotura ionikoen bidez lotuta mantentzen dira[8].Diamantean[9] edosilizioan, atomoek elektroiak partekatzen dituzte, etalotura kobalenteak osatzen dituzte[10]. Metaletan, elektroiaklotura metaliko bidez partekatzen dira[11]. Solido batzuk, bereziki konposatu organiko gehienak,Van der Waalsen indarrarekin elkartuta mantentzen dira, molekula bakoitzean karga elektronikoko hodeia polarizatzearen ondorioz. Solido-moten arteko desberdintasunak haien loturen arteko desberdintasunen ondorio dira.
New Yorkeko pinakulua [Chrysler eraikina], altzairuz eutsitako adreiluzko eraikinik altuena, altzairu herdoilgaitzez apaindua dago.
Metalak indartsuak, trinkoak eta eroale onak izaten dira, bai elektrizitatearenak, bai beroarenak[12][13]. Taula periodikoko elementu gehienak,borotikpoloniora doan lerro diagonal baten ezkerraldean daudenak metalak dira. Osagai nagusia metal bat duten bi elementuren edo gehiagoren nahasketei aleazioak esaten zaie.
Historiaurretik, gizakiak hainbat helburutarako erabili ditu metalak. Metalenindarrak eta fidagarritasunak, orokorrean, eraikinen eta bestelako egituren eraikuntzan erabiltzera eraman ditu, baita ibilgailu gehienetan, aparatu eta erreminta askotan, hodietan, trafiko-seinaleetan eta trenbideetan ere.Burdina etaaluminioa dira gehien erabiltzen diren egitura-metalak.Lurrazalean ere metal ugarienak dira. Burdina, batez erealeazio moduan erabiltzen da,altzairua, % 2,1 artekokarbonoa duena, eta horrek burdina purua baino askoz gogorragoa egiten du.
Metalak elektrizitatearen eroale onak direnez, baliotsuak dira tresna elektrikoetan eta energia gutxi galdu edo desegiten duten korronte elektrikoa distantzia luzeetan garraiatzeko. Horrela, sare elektrikoak kable metalikoetan oinarritzen dira elektrizitatea banatzeko. Etxeko sistema elektrikoak, adibidez, kobrez kableatzen dira propietate eroale onak dituztelako eta mekanizazio erraza dutelako. Metal gehienen eroankortasun termiko handiak sukaldeko tresnetarako ere balio du.
Elementu metalikoen eta horienaleazioen azterketa egoera solidoaren kimikaren, fisikaren, materialen zientziaren eta ingeniaritzaren zati garrantzitsua da.
Solido metalikoak elektroi partekatu eta deslokalizatuen dentsitate handi batek lotzen ditu,lotura metaliko gisa ezagutzen dena. Metal batean, atomoek erraz galtzen dituzte kanpokoelektroiak (balentzia) ioi positiboak osatuz. Elektroi askeak solido osoan zehar banatzen dira, eta solido hori ioien eta elektroi-hodeien arteko interakzio elektrostatikoen bidez lotzen da[14]. Elektroi askeen kopuru handiak eroankortasun elektriko eta termikoko balio handiak ematen dizkie metalei. Elektroi libreek ere argi ikusgaiaren transmisioa eragozten dute metalak opakoak, dirdiratsuak etadistiratsuak izan daitezen.
Metalen propietateen eredu aurreratuenek ioi-nukleo positiboek elektroi deslokalizatuetan duten eragina hartzen dute kontuan. Metal gehienek kristal-egitura dutenez, ioi horiek sare periodiko batean egoten dira. Matematikoki, nukleo ionikoen potentziala hainbat ereduren bidez trata daiteke, errazena izanik elektroi ia libreen eredua.
Mineralak solido naturalak dira, presio handiko prozesu geologikoen bidez sortuak[15]. Benetako mineral gisa sailkatua izateko, substantzia batekkristal-egitura bat izan behar du, eta propietate fisiko guztiak uniformeak izan behar ditu. Mineralen osaeraelementu puru etagatz sinplenetatik milaka forma ezagun dituztensilikato oso konplexuetara aldatzen da. Aldiz, arroka-lagin bat mineralen eta/edomineraloideen ausazko agregatua da, eta ez du konposizio kimiko espezifikorik.Lurrazaleko arroka gehienakkuartzoz (SiO2 kristalinoa),feldespatoz, mikaz,kloritaz,kaolinitaz,kaltzitaz,epidotaz,olibinoaz,augitaz,hornblendaz,magnetitaz,hematitez,limonitaz eta beste mineral batzuez osatuta daude. Mineral batzuk (kuartzoa, mika edo feldespatoa adibidez) ohikoak dira, eta beste batzuk, berriz, munduko leku gutxi batzuetan baino ez dira aurkitu. Mineral multzo handiena silikatoena da, alde handiarekin (harri gehienak ≥% 95 silikato dira), neurri handi bateansilizioz etaoxigenoz osatuak,aluminio,magnesio,burdina,kaltzio eta beste metal batzuenioiak gehituz.
Solido zeramikoak konposatu ez-organikoz osatuta daude, normalean elementu kimikoenoxidoz[16]. Kimikoki inerteak dira, eta, sarritan, ingurune azido edo kaustiko batean sortzen den higadura kimikoa jasateko gai dira. Zeramikazko materialek, oro har, tenperatura altuak jasan ditzakete, 1000 eta 1600° C artean (1800 eta 3000° F bitartean). Salbuespenak herdoildu gabeko material ez-organikoak dira, hala nolanitruroak,boruroak etakarburoak.
Lehengai zeramiko tradizionalen artean, buztinezko mineralak daude, hala nolakaolinita; material berrienen artean,aluminio oxidoa dago (alumina). Zeramika aurreratu gisa sailkatutako zeramikazko material modernoek, silizio-karburoa eta tungsteno-karburoa hartzen dituzte. Biak urradurarekiko erresistentziagatik baloratzen dira, eta horregatik erabiltzen dira meatze-eragiketetan birrintze-ekipoen higadura-plakak bezalako aplikazioetan.
Zeramikazko material gehienak, hala nolaalumina eta bere konposatuak, hauts finetatik sortzen dira, eta ale fineko polikristalino bat sortzen da,argia barreiatzeko erdigunez beteta dagoena etaargi ikusgaiarenuhin-luzerarekin aldera daitezkeenak. Beraz, material opakoak izaten dira materialgardenak ez bezala. Hala ere, nanoeskalako teknologia berriak (adibidez, sol-gel)zeramika garden polikristalinoak ekoiztea ahalbidetu du, hala nola alumina gardena eta alumina konposatuak, potentzia handiko laserrak bezalako aplikazioetarako. Zeramika aurreratua medikuntzan eta industria elektriko eta elektronikoan ere erabiltzen da.
Zeramika teknikoa da egoera solidoan dauden material, pieza eta gailu zeramikoak sortzeko zientzia eta teknologia. Hori beroaren eraginez, edo, tenperatura baxuagoetan, soluzio kimikoetatik abiatuzprezipitazio-erreakzioak erabiliz egiten da. Terminoaren barruan sartzen dira: lehengaiak garbitzea, konposatu kimikoak aztertzea eta ekoiztea, osagaietan eratzea eta horien egitura, osaera eta propietateak aztertzea.
Ikuspegi mekanikotik, zeramikazko materialak dira: hauskorrak, gogorrak, konpresioarekiko indartsuak eta ahulak zizaila eta tentsiorako. Material hauskorrektrakzioarekiko erresistentzia handia izan dezakete, karga estatikoa jasaten baitute.Gogortasunak material batek mekanikoki huts egin aurretik zenbat energia xurgatu dezakeen adierazten du, eta hausturarekiko tinkotasunak (KIc denotatua) deskribatzen du berezko akats mikroestrukturalak dituen material batek pitzadurak hazi eta hedatuz hausturari aurre egiteko duen gaitasuna. Material batek hausturarekiko erresistentzia-balio handia badu,hausturaren mekanikaren oinarrizko printzipioek iradokitzen dute litekeena dela haustura harikorra izatea. Haustura hauskorra oso bereizgarria dazeramikazko etabitrozeramikazko material gehienetan, eta KIc-ren balio baxuak (eta sendotasunik gabeak) izaten dituzte.
Zeramikaren aplikazioen adibide gisa, zirkonioaren muturreko gogortasuna labana-orriak fabrikatzeko erabiltzen da, baita ebaketa industrialeko beste erreminta batzuetan ere.Alumina, boro-karburoa eta silizio-karburoa bezalako zeramikak erabili dirabalen aurkako txalekoetan kalibre handiko errifleen tiroei aurre egiteko. Silizio nitrurozko piezakzeramikazko bola-errodamenduetan erabiltzen dira, gogortasun handia dutenez higadurarekiko erresistenteak baitira. Oro har, zeramikak ere kimikoki erresistenteak dira, eta altzairuzko kojineteek oxidazioa (edo herdoila) izan dezaketen ingurune hezeetan erabil daitezke.
80ko hamarkadaren hasieran, zeramikaren aplikazioen beste adibide bat daToyotak 6.000 °F-tik (3.300 °C-tik) gorako funtzionamendu-tenperatura zuen zeramikazko motoradiabatiko baten ekoizpena ikertu zuela. Zeramikazko motorrek ez dute hozte-sistemarik behar, eta, beraz, pisua nabarmen murriztea, eta, ondorioz, erregaia eraginkorragoa izatea ahalbidetzen dute. Motor metaliko konbentzional batek, erregaiak askatutako energiaren zati handi bat hondar-bero gisa desegin behar du pieza metalikoen fusioa saihesteko. Gas motorrekoturbinarako ere zeramikazko piezak garatzen ari dira. Zeramikaz fabrikatutako turbina-motorrek modu eraginkorragoan funtziona dezakete, hegazkinei autonomia eta karga erabilgarri handiagoa emanez erregai kopuru jakin baten truke. Hala ere, motor horiek ez dira fabrikatzen zeramikazko piezak behar besteko zehaztasunez eta iraunkortasunez fabrikatzea zaila eta garestia delako. Prozesatze-metodoek akats mikroskopikoen banaketa zabala eragin ohi dute, eta, sarritan, zeregin kaltegarria izaten dute sinterizazio-prozesuan; ondorioz, pitzadurak ugaritu egiten dira, eta azken akats mekanikoa gertatzen da.
Erresistentzia handiko bitrozeramika-plaka bat, hedapen termiko hutsala duena.
Bitrozeramikazko materialek propietate asko dituzte, bai beira ez-kristalinoekin, baimaterial kristalinoekin etamaterial zeramikoekin. Beira bat bezala eratzen dira, eta, ondoren, partzialki kristalizatzen dira tratamendu termiko baten bidez, faseamorfoak zeinkristalinoak sortuz. Horrela, ale kristalinoak ale arteko fase ez-kristalino batean txertatuta daude.
Bitrozeramika sukaldeko tresnak egiteko (jatorrianCorningWareizenez ezagutzen direnak), eta talka termikoarekiko erresistentzia handia eta likidoekiko iragazkortasun oso txikia duten sukaldeko plakak egiteko erabiltzen da. Zeramika kristalinoaren faseko hedapen termiko negatiboaren koefizientea beira fasearen koefiziente positiboarekin oreka daiteke. Puntu jakin batean (~% 70 kristalinoa), bitrozeramikak zero inguruko hedapen termikoko koefiziente garbia du. Bitrozeramika mota horrek propietate mekaniko bikainak ditu, eta tenperatura-aldaketa errepikatuak eta azkarrak jasan ditzake, 1.000 °C-rainokoak.
Bitrozeramika modu naturalean ere gerta daiteketximista batekHondartza-harea gehienetan dauden ale kristalinoak jotzen dituenean (kuartzoarenak, adibidez). Kasu horretan, tximistaren muturreko eta berehalako beroak (~2.500 °C) sustrai moduko egitura hutsal eta adarkatuak sortzen ditufusio bidez etafulgurita deritzenak.
Solido kristalinoagelaxka-unitate deritzon egitura elementaletik eratorritako solidoa da. Solido haueksistema kristalino ezberdinetatik eratortzen dira etakristalografia da sistema hauek aztertzen dituen zientziaren arloa. Laburki, solido kristalinoa partikulak ordenatuta dituen solidoa da.
Ezagutzen diren elementu guztietatik, hiru laurdenmetalak dira. Dena den, nahiz eta elementu batzuen metal-izaera argia izan, beste batzuena ezin da esan guztiz metala direnik.Taula periodikoa hartuta, metalak dira:
B-Si-As-Te-At elementuetatik diagonal bat eginez gero, eskualdeko elementuak ez-metalak dira eta ezkerraldekoa metalak; diagonaletik gertu dauden substantzia batzuk erdimetalak dira: Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At.
Metalak taula periodikoan
Beste kasu batzuetan- elementuen forma alotropikoaren arabera aldatzen da metal-izaera:
Elementuaren forma alotropikoaren araberako sailkapena
Atomo elektropositibo batek, atomo elektronegatibo batekin elkartzean, balentzia elektroiak ematen dizkio etakonposatu ioniko solido bat lortzen da. Elementu elektropositiboaoxidatzen dakatioia sortuz eta elementu elektronegatiboa berriz,erreduzitzen daanioi bihurtuz. Katioia eta anioiaerakarpen elektrostatikoaren bidez lotzen dira. Lotura horrilotura ioniko deritzo.
Lotura ionikoak ekarpen elektrostatikoa duenez, sendoa da, eta ez du norabide nagusirik, izaera kobalente oso handia ez bada. Lotura ionikoaren sendotasuna ioien tamaina eta kargarekin aldatzen da. Zenbat eta ioiak txikiagoak izan, elkarrengana gehiago hurbil daitezke eta indar elektrostatikoa sendotu egiten da. Ondorio bera duioienkarga handitzeak.
Solido kobalenteen partikula osagaiakatomo elektronegatiboak dira,ez-metalak, etalotura kobalenteen bitartez lotzen dira. Lotura horiek kristal osoan zehar hedatzen dira, ez dagomolekula isolaturik, eta kristal osoa molekulatzat har dezakegu. Lotura kobalentea lotura zuzendua da, hau da, atomoen posizioak lotura kobalenteak mugatzen ditu (lotura metalikoak etaionikoak ez dute norabide nagusirik), eta horri esker solido kobalenteen propietateak oso bereziak dira.
Ez daude solido kobalenteen kasu asko; batez ere, sistema periodikoarenkarbono taldekoelementuetan, eta elementu horien konposatu batzuetan aurkitzen dira. Taula honetan solido kobalenteak eratzen dituzten elementuak eta formaalotropikoak daude.
Solido kobalenteak eratzen dituzten elementuak eta forma alotropikoak
Kristal molekularretan errepikatzen den unitatea kargarik gabeko molekula osoa da (gas nobleen kasuan izan ezik, non atomoak diren). Kristal-egituran molekulak molekulen arteko interakzioen bidez lotzen dira: van der Waalsen indarrak edo hidrogeno-loturak. Oro har, indar horiek ahulagoak dira beste solido motetan aurkitzen ditugunak baino.
Elementuen artean, inguruneko tenperaturan gas diren elementuek solido molekularrak ekoizten dituzte, zeinetan molekula, gas nobleetan izan ezik, X2 formakoa baita. Likido edo solido diren beste elementu batzuk solido molekular moduan lortzen dira: bromo, iodoa, astatoa, fosforo zuria (P4) eta sufrea (S8).
Konposatuei begiratzen badiegu, giro-tenperaturan gasak edo likidoak diren ia konposatu guztiek solido molekularrak sortzen dituzte: CO2, SO2, NH3, HCl, CH4, besteak beste, eta baita konposatu organiko guztiak ere.
Zura material organiko naturala da, batez erelignina matrize batean txertatutakozelulosazko zuntzez osatua. Propietate mekanikoei dagokienez, zuntzak gogorrak dira tentsioan, eta lignina matrizeak konpresioari eusten dio. Horregatik, zura eraikuntzako material garrantzitsua izan da gizakia babeslekuak eraikitzen eta ontziak erabiltzen hasi zenetik. Eraikuntzarako erabiltzen den zurari, egurra edoeraikuntzarako zura esaten zaio. Eraikuntzan, zura egiturazko materiala izateaz gain, hormigoiaren moldea osatzeko ere erabiltzen da.
Zuretik eratorritako materialak ere asko erabiltzen diraontzietarako (adibidez,kartoia) etapapererako, pulpa finduarekin sortzen direnak. Ore kimikoa fabrikatzeko prozesuek tenperatura altuko konbinazio bat eta produktu kimiko alkalinoak (kraft) edoazidoak (sulfitoa) erabiltzen dituzte ligninaren lotura kimikoak erre aurretik hausteko.
STM irudia, kate supramolekularren auto-muntatutakoa kinakridone erdieroale organikoarengrafitoan
.
Kimika organikoan,karbonoaren propietate garrantzitsu bat da konposatu jakin batzuk osa ditzakeela eta horienmolekula indibidualak elkarrekin batzeko gai direla, horrelakate edo sare bat eratuz. Prozesuaripolimerizazioa esaten zaio, eta, kateei edo sareei,polimeroak; jatorrizko konposatua, berriz,monomeroa da. Bi polimero multzo nagusi daude: artifizialki fabrikatutakoei polimero industrial edo polimero sintetiko (plastikoak) deitzen zaie, eta jatorri naturalekoeibiopolimero.
Monomeroek hainbat ordezkatzaile kimiko edo talde funtzional izan ditzakete, konposatu organikoen propietate kimikoei eragin diezaieketenak, hala nola disolbagarritasunari eta erreaktibotasun kimikoari, baita propietate fisikoei ere, esaterako gogortasunari, dentsitateari, erresistentzia mekanikoari edo trakzioari, urradurarekiko erresistentziari, beroarekiko erresistentziari, gardentasunari, koloreari eta abarri.Proteinetan, desberdintasun horiek polimeroari egiturabiologikoki aktibo bat hartzeko gaitasuna ematen diote, beste batzuen aurretik.
Gizakiak mendeak daramatza polimero organiko naturalak erabiltzen argizari eta laka-goma moduan, polimero termoplastiko gisa sailkatzen dena. Zelulosa izeneko landare-polimero batek zuntz eta soka naturalen trakzioarekiko erresistentzia ematen zuen, etaXIX. mendearen hasierankautxu naturala erabilera orokorrekoa zen. Polimeroak dira plastikoak deritzona fabrikatzeko erabiltzen diren lehengaiak (erretxinak). Plastikoak azken produktua dira, prozesatzean erretxina bati polimero edo gehigarri bat edo gehiago gehitu ondoren sortzen dena eta azken forma ematen zaiona. Gaur egun modu orokorrean erabiltzen diren polimeroakpolietilenoa,polipropilenoa,polibinilo kloruroa,poliestirenoa, niloiak,poliesterra,akrilikoak,poliuretanoa etapolikarbonatoa eta silikonazkosilikona dira. Plastikoak, oro har, plastikooinarrizkoetan,berezietan etaingeniaritzakoetan sailkatzen dira.
