Кіріспе

Материалдық ғылым адамзат тамырынан бері өркениеттің дамуына ықпал етіп келеді. Құралдар мен қару-жарақтар үшін жақсы материалдар адамдарға таралып, жаулап алуға мүмкіндік берді, ал болат және алюминий сияқты материалдарды өңдеудегі жетістіктер бүгінгі қоғамға әсерін тигізуде. Тарихшылар материалдарды өркениеттің өте маңызды аспектісі деп санады, сондықтан тарихи кезеңдердің өзі басым қолданылған материалдармен анықталған (Тас дәуірі, Қола дәуірі, Темір дәуірі). Қадағаланған тарихтың көп бөлігінде материалдарды бақылау алхимия немесе тәжірибелік тәсілдер арқылы жүзеге асырылды. Химия мен физиканың зерттелуі мен дамуы материалдарды зерттеуге көмектесті, нәтижесінде осы ғылымдардың бірігуінен материалдар ғылымының пәнаралық саласы пайда болды. Материалдар ғылымының тарихы – Жер тарихында әртүрлі материалдардың қалай қолданылғанын және дамытылғанын, сондай-ақ олардың Жер бетіндегі халықтардың мәдениетіне тигізген әсерін зерттейтін ғылым. "Кремний дәуірі" термині кейде 20 ғасырдың соңы мен 21 ғасырдың басындағы қазіргі тарихи кезеңді білдіру үшін қолданылады.

Тарихқа дейінгі дәуір

Көп жағдайда әр түрлі мәдениеттер өздерінің материалдық мәдениетін жалғыз жазба ретінде қалдырады; антропологтар мұндай мәдениеттердің бар екенін анықтауға пайдалана алады. Материалдарды үнемі жетілдіріп қолдану археологтарға халықтарды сипаттауға және ажыратуға мүмкіндік береді. Бұл, ішінара, мәдениетте қолданылатын негізгі материалға және оның артықшылықтары мен кемшіліктеріне байланысты. Тас дәуірі мәдениеттері жергілікті жерлерде қандай тау жыныстарын таба алатынына және сауда арқылы қандай тастарды алуға болатынына байланысты шектелген. Б.з.д. 300,000 жыл шамасында кремнийдің қолданылуы кейде керамиканың пайда болуының бастауы болып саналады. Жылыштатылған тас балқыларды қолдану маңызды жетістік, себебі құрал ретінде тастардың көптеген түрлерін пайдалануға болады. Қола дәуірінде металдарды балқыту және құю инновациясы мәдениеттердің дамуын және бір-бірімен өзара әрекеттесуін өзгерте бастады. Б.з.д. 5500 жыл шамасынан бастап, ерте теміршілер отты пайдаланбастан, құралдар мен қарулардың көмегімен мыс пен алтынның жергілікті металдарын қайта өңдеуге кірісті. Мысты қыздыру және оны балғамен пішіндеу шамамен б.з.д. 5000 жылдары басталды. Балқыту және құю б.з.д. 4000 жылдары қолға алынды. Металлургияның алғашқы қадамдары б.з.д. 3500 жыл шамасында кеннен мыс алумен байланысты. Алғашқы қоспа – қола – б.з.д. 3000 жыл шамасында қолданыла бастады.

Тас дәуірі

Материалдарды қолдану тас дәуірінде басталды. Көбінесе қару-жарақ, құрал-саймандар, әшекейлер және тұрақтар жасау үшін сүйек, талшықтар, қауырсындар, қабықтар, жануар терісі және саз сияқты материалдар қолданылды. Ең алғашқы құралдар палеолит дәуірінде, Олдован деп аталды. Бұл – қабыршақтап жасалған тастардан құралдар, олар қалдықтарды іздеу үшін пайдаланылды. Тарих мезолит дәуіріне қарай дамығанда, құралдардың пішіні күрделірек және симметриялы болып, жиектері өткірледі. Неолит дәуірінде егіншілік дами бастады, өйткені шаруашылыққа арналған құралдар жасаудың жаңа тәсілдері ашылды. Тас дәуірінің соңына жақындағанда адамдар мыс, алтын және күміс қолдана бастады. Аталған металдардың жұмсақтығына байланысты, олар көбінесе салтанатты мақсаттарда және әшекейлер жасау үшін қолданылды, ал құралдарда қолданылатын басқа материалдарды толығымен алмастырмады. Сол кездегі адамзаттың қарапайым түсінігі қолданылған құралдардың қарапайымдылығынан көрінді.

Қола дәуірі

Мыс цивилизацияларға өте жақсы белгілі болды, оның икемділігі және пластикалық қасиеттері оны пайдалы нысандарға созуға, ал ерітіп, күрделі пішіндерге құюға мүмкіндік берді. Мыстың көп артықшылықтары болғанымен, материал ірі көлемде пайдалану үшін тым жұмсақ еді. Тәжірибелер немесе жай ғана сәйкес келу арқылы, мысқа қосымша заттар қосу, қола деп аталатын жаңа металл қорытпасының қаттылығын арттырды. Алғашқы қола мыс пен сурьмадан тұрды, сурьма қоласын құрады.

Темір дәуірі

Темір өңдеу шамамен б.з.д. 1200 жылдан бастап маңызға ие болды. Біздің заманымыздан бұрынғы 10 ғасырда ежелгі Таяу Шығыста шыны өндірісі басталды. Біздің заманымыздан бұрынғы 3 ғасырда ежелгі Үндістан халқы вуцтз болатты, алғашқы круцибель болатын жасады. Біздің заманымыздан бұрынғы 1 ғасырда шыны үрлеу өнері Финикияда гүлденді. 2 ғасырда, біздің заманымызда Қытайдың Хан әулеті кезеңінде болат жасау кеңінен тарады. 4 ғасырда біздің заманымызда Делидің темір бағанасы жасалды, ол тотқа тұруға төзімді болаттан жасалған ең көне сақталған мысал.

Ежелгі дәуір

Ағаш, сүйек, тас және топырақ – Рим империясының құрылыстарында қолданылған материалдардың бірнешесі. Кейбір құрылыстар сол жердің ерекшеліктерінің арқасында мүмкін болды. Римдіктер цемент пастасын жасау үшін ұнтақталған әк тасын, Везувий тауынан алынған жанартау күлін және суды қостырды. Кристалдық материалдары бар тас және конгломераттардан тұратын жанартау түбектерінде жұмсақ, шөгінді тау жыныстары мен құмнан өзгеше ауа райына төзімді материал пайда болады. Цемент пастасын ашқаннан кейін, құрылыстарды дұрыс пішіндегі тастармен салуға және қатты құрылымды жасау үшін бос кеңістіктерді толтыруға болады. Цемент сумен араласқанда күшейеді, уақыт өте келе байланыс нығайып, беріктігі артады. Батыс Рим империясының құлауымен және Византияның көтерілуімен, бұл білім көбінесе жоғалып кетті, тек католик монахтары ғана Витрувийдің латын тіліндегі жазбаларын оқи және бетон пастасын қолдана алды. Римдегі бетон Пантеонның 1850 жыл бойы сақталуының себебі осы, ал Рембрандт салған Голландиядағы шатырлы үйлердің уақыт өте келе бұзылуының себебі де сонда. Асбест ежелгі Грецияда, әсіресе оның отқа төзімді қасиеттері ашылғанда кеңінен қолданылды. Көптеген ғалымдар «асбест» сөзі грек тіліндегі «sasbestos» сөзінен шыққан деп санайды, ол «сөнбес» немесе «өшпес» дегенді білдіреді. Асбест талшықтарынан жасалған матадан ақсүйектерге арналған киім, үстел жамылғылары және пештерді безендіретін әшекейлер жасалды, себебі оларды тікелей отқа тастап тазарта берді. Бірақ бұл материалдың кемшіліктері де болды. Плиний Ескі асбест кенішінде жұмыс істеген құлдардың тез қаза табуының себебін атап көрсетті. Ол осы ортада жұмыс істейтін құлдарға тыныс алу үшін малдың көпіршегін қолдануды ұсынды. Ертедегі аңшы-жинақшылардың жамбас сүйектерінен жасалған пышақтар ағаш және тас балталармен, содан кейін римдік цивилизацияның мыс, қола және темір құралдарымен алмастырылғаннан кейін, одан да құнды материалдарды іздеуге және жинауға мүмкіндік болды. Осылайша, ортағасырлық алтын шебер Бенвенуто Челлини герцогтар мен папалар үшін жасалған заттарға айналдыруға тиіс алтынды іздеуге және қорғауға мәжбүр болды. Бенвенуто Челлинидің «Өмірбаяны» металлургиялық процестің алғашқы сипаттамаларының бірін қамтиды. Материалдар ғылымы саласына жақында қосылған пробка туралы алғашқы мәліметтер Гораций, Плиний және Плутархтың еңбектерінде кездеседі. Ол ежелгі дәуірде балық аулау, қауіпсіздік құрылғылары, өйткені оның жүзу қабілеті, ою-өрнек салу, сандал табанына қолданылып, бойды ұзартуға, ыдыс қаптарын жабуға және жылуды сақтауға пайдаланылды. Екінші ғасырда шаштың түсуіне қарсы ем ретінде де қолданылды. Ежелгі Рим дәуірінде шыны үрлеу өнерге айналды, оған әшекейлер мен бояулар қосылды. Қалыптарды пайдалану арқасында күрделі пішіндер жасауға мүмкіндік болды. Бұл технология оларға асыл тастарды имитациялауға мүмкіндік берді. Терезе шынысын жалпақ саз балшықтан жасалған қалыпқа құйып, содан кейін алып тастап, тазартып шығарды.

Орта ғасырлар

Неолит дәуірінен бастау алатын прото-фарфор материалдары табылды, Қытайдағы Шығыс Хан дәуірінен археологиялық қазбаларда осы материалдың сынықтары кездеседі. Бұл бұйымдардың 1260 °C-тан 1300 °C-қа дейін қыздырылғаны болжанып отыр. 8 ғасырда, Қытайдағы Тан әулеті кезінде фарфор өнері пайда болды. Қытайда фарфор өндірісі, оны кеңінен қолданылатын пештерде сапалы және көптеп шығаруға мүмкіндік беретін әдістемелік дамуға әкелді. Керамиканы қалайымен жабу технологиясын араб химиктері мен керамисттері Ирактың Басра қаласында ойлап тапты. Ерте орта ғасырларда терезе жасау техникасы түссіз шыны шарларын үрлеуге қарай бағытталды, олар кейін жалпақталды. Бірақ орта ғасырдың соңында бұл әдіс бірнеше түзетулермен, металл роликтерді қолданумен бірге ежелгі технологияға қайта оралды. 11 ғасырда Таяу Шығыста Дамаск болат жасау дамыды. 15 ғасырда Иоганн Гутенберг қалыптасуға арналған металл қорытпасын жасады, ал Анджело Баровиер кристаллоны – мөлдір содалы шыныны ойлап тапты.

Ерте заманауи кезең

1540 жылы Ваннокцио Бирингуччо металлургия бойынша алғашқы жүйелі кітабы – «De la pirotechnia» атты еңбегін жариялайды, 1556 жылы Георг Агрикола металлургия және тау-кен өндірісі саласындағы маңызды «De Re Metallica» кітабын жазады, ал Нидерландыда шыны линзалар жасалып, алғаш рет микроскоптар мен телескоптарда қолданысқа кіреді. 17 ғасырда Галилейдің «Екі жаңа ғылым» (материалдардың беріктігі және кинематика) еңбегі материалдар ғылымындағы алғашқы сандық тұжырымдамаларды ұсынады. 18 ғасырда Уильям Чемпион каламине мен көмірден дистилляция арқылы металл мырыш өндіру процесін патенттейді, Брайан Хиггинсқа сыртқы қаптама ретінде қолдануға арналған гидравликалық цемент (стукко) патенті беріледі, ал Алессандро Вольта мыс немесе мырыш қышқылынан жасалған батарея құрастырады. 19 ғасырда Томас Иоганн Зебек терможұпты ойлап табады, Джозеф Аспин Портленд цементін, Чарльз Гудиер вулканизацияланған резеңке, Луи Дагер және Уильям Фокс Талбот күміс негізіндегі фотографиялық процестерді жасайды, Джеймс Клерк Максвелл түсті фотографияны көрсетеді және Чарльз Фриттс селен пластиналарын пайдаланып алғашқы күн батареяларын шығарады. 1800 жылдардың басына дейін алюминий жеке металл түрінде өндірілмеген. 1825 жылға дейін Ханс Кристиан Орстед алюминий хлоридін тотығудан өткізу арқылы элементтік алюминийді алудың жолын тапқанша күте тұруға тура келді. Алюминий жеңіл және жақсы механикалық қасиеттеріне ие болғандықтан, күміс пен алтын сияқты ауыр, тиімсіз металдарды алмастыру мақсатында кеңінен іздестірілді. Наполеон III өзінің ардагер қонақтарына алюминийден жасалған табақтар мен ыдыстар ұсынса, қалғандарына күміс берді. Дегенмен, бұл процесс әлі де қымбатқа түсті және металлді көп мөлшерде өндіруге мүмкіндік бермеді. 1886 жылы америкалық Чарльз Мартин Холл мен француз Пауль Героль электролиз арқылы алюминий оксидінен алюминий өндіру үшін бір-бірінен тәуелсіз әдіс ойлап тапты. Бұл процесс алюминийді бұрынғыдан гөрі арзанрақ өндіруге мүмкіндік берді және элементті құнды металдан қолжетімді тауарға айналдыруға негіз салды. Осыған қатар 1888 жылы Карл Йозеф Байер Санкт-Петербургте (Ресей) тоқыма өнеркәсібі үшін таза алюминий алуминийін өндіру әдісін жасап шығарды. Бұл процесте баксит минералынан алюминий оксидін ерітіп, гиббсит алынды, одан кейін оны шикі алюминийге тазартуға болады. Байер және Холл-Героль процестері бүгінгі күнге дейін әлемдегі алюминийдің басым бөлігін өндіру үшін қолданылып келеді.

Материалдық ғылымның зерттеу саласы

Зерттеулердің көп бөлігінің негізін қалаушысы болады, мысалы, физикада Ньютон және химияда Лавуазье. Ал материалтанудың орталық тұлғасы жоқ. 1940 жылдары, соғыс кезіндегі технологиялық жетістіктерді жасау мақсатындағы бірнеше зерттеу салаларының ынтымақтастығы, кейін материалтану және инженерия деп аталатын болашақ зерттеу саласының негізін қалады. 1950 жылдары, «суық соғыс» кезеңінде, АҚШ Президентінің Ғылыми кеңесшілер комитеті (PSAC) материалдардың ғарыш және әскери технологиялардағы жетістіктердің шектеуші факторы екенін түсінгенде, материалдарды басымдыққа қойды. 1958 жылы президент Дуайт Д. Эйзенхауэр Advanced Research Project Agency (ARPA) құрды, ол 1996 жылдан бері Қорғаныс саласындағы ғылыми-зерттеулер агенттігі (DARPA) деп аталады. 1960 жылы ARPA университеттерде материалдарды зерттеуге, сондай-ақ студенттерді материалтану зерттеуін қалай жүргізуге үйретуге арналған пәнаралық зертханалар (IDL) құруға ынталандырды. ARPA университеттерге 4 жылдық IDL келісімшарттарын ұсынды, бастапқыда Корнелл университеті, Пенсильвания университеті және Солтүстік-Батыс университетіне, соңынан тағы тоғыз келісімшарт берді. ARPA енді IDL бағдарламасын басқармаса да (1972 жылы Ұлттық Ғылым қоры бағдарламаны қабылдады).

Заманауи материал ғылымдары

ХХ ғасырдың басында инженерлік мектептердің көпшілігінде металлургия және, мүмкін, керамика кафедралары болған. Болат өндірісінің негізін құрайтын темір-көміртегі фазалық диаграммасында кездесетін аустенит, мартензит, цементит фазаларын қарастыруға көп күш жұмсалды. Басқа материалдарды түбегейлі түсіну оларды академиялық пәндер ретінде қарастыру үшін жеткілікті деңгейде дамымаған еді. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейінгі кезеңде полимерлерді жүйелі зерттеу айтарлықтай жылдамдады. Инженерлік мектептерде полимер ғылымының жаңа бөлімдерін құрудың орнына, әкімшілер мен ғалымдар материалдар ғылымын өз алдына жаңа, пәнаралық сала ретінде қарастыра бастады, ол инженерлік маңызы бар барлық заттарды біртұтас көзқараспен қарастыратын еді. Солтүстік-Батыс университеті 1955 жылы алғашқы материалдар ғылымы бөлімін құрды. Ричард Э. Тресслер жоғары температуралы материалдарды дамытуда халықаралық деңгейде жетекші болды. Ол жоғары температуралы талшықтарды сынау және қолдану, термоқұрылымдық материалдар үшін жетілдірілген құралдар мен сынақ әдістерін, сондай-ақ жоғары температуралы аэроғарыш, өнеркәсіптік және энергетикалық салаларда керамика мен композиттердің жобалау және өнімділігін растауды ұлттық деңгейге көтерді. Ол Жер және минералдық ғылымдар колледжінің, Эберли ғылымдар колледжінің, Инженерлік колледжінің, Материалдарды зерттеу зертханасының және Пенсильвания штатының қолданбалы зерттеу зертханаларының көптеген оқытушылары мен студенттерін жоғары температуралы материалдар бойынша қолдаған Үздік материалдар орталығының (CAM) құрылтайшы директоры болды. Оның пәнаралық зерттеулерге бағытталған көзқарасы Материалдарды зерттеу институтын құруда маңызды рөл атқарды. Тресслердің материалдар ғылымына қосқан үлесі оның құрметіне аталған Пенсильвания штатының лекциясымен еске алынады. Материалдарды зерттеу қоғамы (MRS) АҚШ-тағы осы жас саланың ерекшеленуіне және бірігуіне үлкен үлес қосты. MRS – Пенсильвания штаты университетінің зерттеушілерінің бастамасы болды және 1970 жылы профессор Рустам Рой ұйымдастырған талқылаулардан өркендеді. MRS-тің алғашқы жиыны 1973 жылы өтті. 2006 жылға қарай MRS халықаралық қоғамға айналды, ол көптеген жылдық жиындарды өткізеді және 13 000-нан астам мүшесі бар. MRS Америка физикалық қоғамы немесе IEEE сияқты ұйымдар ұйымдастыратын, көбінесе нақтырақ бағытталған жиындарға қарағанда, көптеген тақырыптар бойынша симпозиумдарды қамтитын жиындарды ұйымдастырады. MRS жиындарының негізінен пәнаралық сипаты ғылымның дамуына, әсіресе биология, химия, физика, механикалық және электр инженериясының тоғысқан жеріндегі жұмсақ материалдарды зерттеудің танымалдылығына күшті әсер етті. Интегративті оқулықтардың, материалдарды зерттеу қоғамдарының және әлемнің барлық аймандарындағы университет кафедраларының, бакалавр, магистр және докторлық бағдарламалардың және басқа да пәндік құрылымның көрсеткіштерінің болуына байланысты, материалдар ғылымын (және инженерияны) пән деп санау орынды.

Кремний дәуірі

Рентген сәулелері қатты материалдың кристалдары арқылы өткізілетін кристаллография саласын Уильям Генри Брэгг және оның ұлы Уильям Лоуренс Брэгг Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде және одан кейін Физика институтында құрды. Кремний дәуірі мен Ақпараттық дәуірдің басталуынан кейін материалдар ғылымы маңызды, қалыптасқан ғылым саласына айналды. Бұл заманауи компьютерлердің, содан кейін ұялы телефондардың дамуына әкелді, оларды кішірейту, жылдамдату және қуаттырақ ету қажеттілігі материалдар ғылымын кішкентай, жеңіл және күрделі есептеулерді орындай алатын материалдарды жасауға бағытталды. Бұл өз кезегінде компьютерлерді күрделі кристаллографиялық есептеулерді шешуге және кристаллографиялық эксперименттерді автоматтандыруға мүмкіндік берді, соның арқасында зерттеушілер дәлірек және қуатты әдістерді жобалай алды. Компьютерлер мен кристаллографиямен бірге, 1960 жылдан бастап лазерлік технологияның дамуы жарықдиодтардың (DVD ойнатқыштар мен смартфондарда қолданылады), оптикалық талшықты байланыстың (жаһандық телекоммуникацияларда қолданылады) және материалдар ғылымындағы маңызды құрал – конфокалды микроскопияның дамуына ықпал етті.