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 הם 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, אך ניתן לכופף אותו, מבריק, קר למגע אך מתחמם במהירות, מוליך חשמל (ולכן מסוכן).
אבן — כבדה ומסיבית, נשברת אך לא מתכופפת, אינה מוליכה חשמל, מתחממת לאט. לא רק אבן ברחוב — גם קירות, לבנים, מדרכות.
חומרים חמימים 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 שתיארנו לעיל 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. חלוקה זאת לא משלימה ולא מבטלת את הקבוצות שתיארנו, היא יישומית לגמרי, ודווקא בשל כך היא נפוצה ומועילה:
חומרים מרוכבים (קומפוזיטים) — מורכבים מלפחות שני חומרים שונים. כל מרכיב משלים ומחזק את התכונות של המרכיב השני, כך שהתוצאה שונה מכל אחד ממרכיביה. דוגמה קלאסית שלחומרים מרוכבים היא 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 העור של היד, בהגדלה קלה נראה מרקם מיוחד ושערות, בהגדלה חזקה יותר — תאים ואברוני תא, בהגדלה עוד יותר — מולקולות. ואפשר להמשיך ולהגיע לאטומים, חלקיקים תתאטומיים ו… אנחנו לא כל כך יודעים מה יהיה אחרי זה, אך חושדים שעוד לא הגענו לסוף ההבנה.
בעולם הדומם 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) — גרעיני מבנה, 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.
