מדע החומרים הוא, פשוטו כמשמעו, מדע העוסק בחומרים. לכן השאלה המרכזית אינה “מהו מדע החומרים?” אלא “מהו חומר?”
חומר הוא, בעצם, כל דבר שנמצא סביבנו — שאפשר למשש אותו, לראות אותו, לעשות בו שימוש. חומרים יש רבים מאוד, ולא כולם מעניינים אותנו בהקשר של מדע החומרים.
מדע החומרים קרוב מאוד להנדסת חומרים: שניהם עוסקים בשימוש בחומרים בתחומים שונים של ההנדסה — בנייה של מתקנים, מכונות, בניינים, גשרים וכדומה. כאשר אנו מדברים על בנייה, עלינו להגביל את עצמנו ולבחור מתוך מגוון החומרים את חומרי הבנייה — שהם כמובן מוצקים. במדע החומרים אנו עוסקים בעיקר בחומרים מוצקים, אם כי חלק מהקורס יוקדש גם לגזים ולנוזלים.
סיווג החומרים: מבט של ילד ומבט של מדען
שלוש קבוצות אינטואיטיביות
נתבונן על עולם החומרים דרך עיניו של ילד בן שלוש. הילד מזהה שלוש קבוצות:
ברזל — חזק, מבריק, קר למגע אך מתחמם במהירות, מוליך חשמל (ולכן מסוכן).
אבן — כבדה ומסיבית, אינה מוליכה חשמל, מתחממת לאט. לא רק אבן ברחוב — גם קירות, לבנים, מדרכות.
חומרים חמים ורכים — בדים, עץ, נייר, גומי וכדומה. שונים לחלוטין משתי הקבוצות הראשונות, ואין להם שם כולל בשפת הילד.
המינוח המדעי
כשאנו עוברים מעולמו של הילד לעולם המדע, שלוש הקבוצות נשארות — רק השמות משתנים:
| שם אינטואיטיבי | מינוח מדעי | הערה |
|---|---|---|
| ברזל | מתכות (metals) | ברזל הוא רק אחת מתוך כ-40 מתכות |
| אבן | חומרים קרמיים (ceramics) | “אבן” היא דוגמה אחת מרבות |
| חומרים חמים/רכים | פולימרים (polymers) |
קבוצות מיוחדות
מעבר לשלוש הקבוצות הבסיסיות, קיימות מספר קבוצות בעלות חשיבות מיוחדת:
חומרים מרוכבים (קומפוזיטים) — מורכבים ממינימום שני חומרים שונים. דוגמה קלאסית: בטון מזוין, המשלב מוטות מתכת (ברזל) עם חומר קרמי (בטון). תכונות הקומפוזיט שונות מתכונות כל אחד מרכיביו בנפרד — הסכום אינו שווה לחלקיו.
מוליכים למחצה (semiconductors) — מבחינת אופי הקשר הכימי והתכונות שלהם הם קרובים יותר לחומרים הקרמיים ולאל-מתכות מאשר למתכות. השימוש הייחודי שלהם באלקטרוניקה הוא כה חשוב עד שנהוג לבודד אותם כקבוצה נפרדת.
ביוחומרים (biomaterials) — חומרים המסוגלים לתפקד בתוך גוף חי, כלומר בעלי תאימות ביולוגית (biocompatibility). השם עלול להטעות: אין מדובר בחומרים ממקור ביולוגי, אלא בחומרים המיועדים לשתלים ולשימושים רפואיים. ביוחומרים יכולים להיות מתכות (כגון פלדת אל-חלד, סגסוגות טיטניום), חומרים קרמיים מסוימים, ופולימרים.
רמות המבנה של חומר
כאשר אנו מאפיינים חומר, חשוב לזכור שניתן לבחון אותו ממספר רמות מבנה שונות. הדבר דומה לבחינת הגוף האנושי: ברמה הגסה אנו רואים את היד, בהגדלה קלה נראה רקמות ושערות, בהגדלה חזקה יותר — תאים ואברוני תא, ובהגדלה עוד יותר — מולקולות.
בעולם החומרים מקובל לדבר על חמש רמות מבנה:
- רמת המקרו — מה שאנו רואים בעין בלתי מזוינת.
- רמת המיקרו — דורשת מיקרוסקופ או לפחות זכוכית מגדלת; נחשפים פרטים שאינם נראים בעין.
- רמת הננו (תת-מבנה) — גרגרים, פאזות וגבולות ביניהם; מבנה פנימי שנחשף רק בהגדלות גבוהות מאוד.
- רמה קריסטלוגרפית — סידור האטומים במרחב; נלמד עליה בהמשך הקורס.
- רמה אטומית — טבע הקשרים הכימיים ומבנה האטום עצמו; גם עליה נדון בהמשך.
חשוב: בכל פעם שמדברים על מבנה של חומר, יש לציין במפורש באיזו רמת מבנה מדובר — כל רמה חושפת עולם שונה לגמרי.
