고체
| 연속 체력학 | ||||||||
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고체(오고 싶은, 영: solid)는 물질 상태의 하나.고체내의 원자는 서로 강하게 결합하고 있어, 규칙적인 기하학적 격자모양에 줄선 경우(금속이나 통상의 얼음등의 결정)와 불규칙하게 줄선 경우(유리등의 아몰퍼스)가 있다.
액체나 기체와 비교하고, 변형 혹은 체적 변화가 매우 작다.변형이 전혀 일어나지 않는 강체는 이상화된 고체의 하나이다.연속 체력학에 대해서는, 고체는 정지 상태에 대해도 전단 응력의 발생하는 물체라고 파악할 수 있다.액체와 같이 용기의 형태에 맞추어 유동하는 것이 없고, 기체와 같이 확산해 용기 전체를 차지할 것도 없다.
고체를 취급하는 물리학은 고체 물리학으로 불려 물성 물리학의 한 분야이다.또 물질 과학은 원래, 강도나 상변화라고 하는 고체의 성질을 취급하는 학문이며, 고체 물리학과 겹치는 부분이 많다.한층 더 고체 화학의 영역도 이러한 학문과 겹치지만, 특히 새로운 물질의 개발(화학 합성)에 중점이 놓여져 있다.
지금까지 알려져 있는 가장 가벼운 고체는 에어로 겔이며, 그 중 가장 가벼운 것으로는 밀도는 약 1.9 mg/cm3와 물의 밀도의 530분의 1 정도이다.
목차
미시적 특성
고체를 구성하는 원자, 분자, 이온은, 정연하게 반복하는 패턴으로 나란해지는 경우와 불규칙하게 줄선 경우가 있다.규칙적 패턴으로 나란해져 구성되어 있는 물질은 결정으로 불린다.규칙적인 배열이 큰 스케일로 계속 되는 경우도 있어, 예를 들면 다이아몬드의 알갱이는 단결정이다.눈에 보이고 손으로 잡을 수 있는 크기의 고체가 단결정이라고 하는 것은 분별없게 않고, 무수한 크리스타릿트로 불리는 단결정으로 구성되는 다결정이라고 하는 것이 많다.대부분의 금속이나 많은 세라믹은 다결정이다.
그것들 이외의 물질에는 원자의 배열에 큰 규칙성이 없다.그러한 고체를 아몰퍼스라고 불러, 예를 들면 폴리스티렌이나 유리등이 있다.
고체가 결정이 될까 아몰퍼스가 될까는, 그것이 형성될 때의 조건에 의존한다.천천히 냉각되어 응고하면 결정이 되는 경향이 강하고, 급속히 냉각되면 아몰퍼스가 되는 경향이 강하다.이와 같이 형성시의 요인에 의해서 어떤 결정 구조를 취할지도 정해진다.
얼음이나 동전이라고 하는 물체는 전체가 같은 화학 조성이지만, 일반적인 소재는 몇개의 다른 물질로 구성되어 있다.예를 들면, 암석은 몇개의 광물이나 준광물로 되어 있어, 화학 조성은 일정은 아니다.유기 소재의 하나인 목재는, 셀룰로오스 섬유가 유기성의 리그닌의 기질에 파묻힌 형태가 되어 있다.재료 과학으로는, 복수의 물질을 조합한 복합재료로 필요한 특성의 재료를 생산한다.
고체의 미시적인 특성은 다음과 같은 것이다.
- 고체를 구성하는 원자 또는 분자는, 열진동(격자 진동)보다 강한 힘으로 결합해, 조밀하게 차 있다.
- 원자나 분자는 상대적인 위치 관계가 공간적으로 고정되고 있다.이것이 단단한 성질의 원인이 된다.광물학이나 결정 학문적으로는, 고체 중(안)에서 독특한 원자 배열을 가진 것이 결정 구조로 불린다.결정 구조는 삼차원의 유닛 단위의 주기적인 반복이다.결정의 구조나 대칭성은, 벽개나 전자적, 광학적인 성질을 결정한다.
- 충분히 큰 힘이 더해지면, 이러한 특징은 없어진다.
- 고체는 열에너지를 가지기 위해, 원자는 진동하고 있다.그러나, 이 움직임은 매우 작고, 통상 상태로는 관측할 수 없다.그러나, 열진동이 원자간의 결합에 이기게 되면, 액체, 기체로 상전이 해 나간다.
여러가지 고체
고체에 있어서의 원자간의 힘에는 여러가지 것이 있다.예를 들면, 염화 나트륨(식염)의 결정은 나트륨과 염소의 이온 결합으로 되어 있다.다이아몬드나 실리콘은 원자간에 전자를 공유하는 공유결합으로 되어 있다.금속으로는 금속 결합이라고 하는 형태로 전자를 공유하고 있다.유기 소재등에서는 개개의 분자에 대해 전하가 국재 하는 극성이 있어, 그것이 판데르워르스력을 낳고 있다.개체의 종류의 차이점은, 그러한 결합의 차이에 기인하고 있다.
금속
일반적으로 금속은 강하게 조밀로, 전기에 대해서도 열에 대해서도 양도체이다.주기표에 대해 붕소로부터 Polonium에 당긴 직선으로부터 좌측에 있는 원소는 대체로 금속이다.2이상의 원소를 포함해 주성분이 금속의 것을 합금이라고 한다.
선사시대로부터 사람들은 금속을 여러가지 용도로 사용해 왔다.금속은 강도와 신뢰성이 높은 것으로부터, 건물등의 건설이나 탈 것, 도구・관・표지・선로(궤도) 등에 사용되고 있다.이러한 용도로는 철과 알루미늄이 가장 잘 사용되고 있어 이것들은 지각에 가장 풍부하게 존재하는 금속이라고 말할 수 있다.일반적으로 합금의 형태로 사용하는 것이 많아, 강철에는 최대 2.1%의 탄소가 포함되어 있고, 거기에 따라 순수한 철보다 딱딱함이 늘어나고 있는 대표예가 공구강이다.
금속은 전기의 양도체이기도 하기 위해, 전기 기구에도 잘 사용되고 있어 전력의 장거리 전송에도 금속을 빠뜨릴 수 없다.송전망에는 금속으로 완성된 전선이 필수가 되고 있다.전기 전도율이 높게 가공이 용이한 것으로부터, 옥내 배선등에는 동이 잘 사용되고 있다.또 금속의 열전도율의 높이로부터, 조리로 화에 걸치는 용기의 상당수는 금속제가 되어 있다.
금속 원소나 합금의 연구는, 고체 화학/물리학, 재료 과학/공학이라고 하는 학문 분야의 큰 부분을 차지하고 있다.
금속의 고체는 비국재화한 전자를 공유하는 「금속 결합」으로 그 형태를 보관 유지하고 있다.금속의 원자는 그 가장 외측의 전자가 자유전자가 되어 떨어지고 양이온이 되어 있다.자유전자는 고체 전체에 확산해 존재해, 그 전자의 구름과 양이온이 된 금속 원자와의 사이의 정전 상호작용에 의해서 강하게 결합하는[1].자유전자가 다수 존재하기 위해(때문에), 금속은 전기와 열의 전도율이 높아진다.자유전자가 있기 위해, 금속은 가시광선을 통하지 않는 불투명한 물체가 되어, 동시에 표면이 광택을 띠게 된다.
보다 진행된 금속의 특성의 모델로는, 양이온핵의 비국재화한 전자군에의 영향을 고려한다.대부분의 금속이 결정 구조이며, 양이온은 격자모양에 배치되어 있는 것이 보통이다.수학적으로는 이온핵의 포텐셜은 여러가지 모델로 취급할 수 있어 가장 단순한 것으로 해 「거의 자유로운 전자」모델이 있다.
광물
광물은 자연계에 존재하는 고체이며, 고압의 지질학적 과정에 의해서 형성된다.진정한 광물로 분류되려면 , 전체에 균일한 물리 특성을 가져, 결정 구조로 되어 있지 않으면 안 된다.광물의 조성으로서는, 순수한 원소나 단순한 소금이라고 한 것으로부터 매우 복잡한 규산소금까지, 수천 종류가 알려져 있다.이것에 대해서 암석은 광물이나 준광물이 무작위로 집합한 것으로, 균일한 화학 조성으로는 되지 않았다.지각을 구성하는 주된 암석은, 석영(결정질의 SiO2), 나가이시, 운모, 녹니석, 카오리 나이트, 방해석, 녹렴석, 캔 런석, 보통 휘석, 보통 각섬석, 자철광, 적철광, 갈철광등의 광물로 구성되어 있다.그 중에서도 석영, 운모, 나가이시가 가장 일반적이고, 그 이외의 광물은 지구상이 한정된 장소 밖에 존재하지 않는다.광물에 있어서의 최대의 그룹은 규산소금 광물로(대부분의 암석은95%이상이 규산소금 광물로 되어 있다), 그 주성분은 규소와 산소이며, 거기에 알루미늄, 마그네슘, 철, 칼슘이라고 하는 금속이 더해지고 있다.
세라믹
세라믹은 무기 화합물로 되어 있어, 통상 산화물로 구성되어 있다.화확적으로 불활성이며, 산성이나 부식성의 화학물질에도 내성이 있는 것이 많다.일반적으로 1000℃에서 1600℃의 고온에도 참을 수 있다.예외로서 산화되어 있지 않은 무기물이 있어, 질화물, 호우 화물, 탄화물등이 있다.
전통적인 도자기의 원료는 카오리 나이트등의 점토 광물을 포함해, 최근의 세라믹으로는 알루미늄 산화물(산화 알류미늄)등을 포함한다.최근에는 고기능 세라믹으로서 탄화 규소나 탄화 텅스텐 등도 있다.이것들은 내마모성이 뛰어나고 있어 예를 들면 광산에서의 굴착기의 첨단 부분 등에 사용되고 있다.
산화 알류미늄이나 그 화합물과 같은 세라믹은 매우 세세한 분말이 원료이며, 매우 미세한 다결정 마이크로 구조가 되기 위해, 가시광선을 산란하는 것으로 불투명하게 된다.그러나 최근에는 졸 겔법등의 제법으로 다결정이면서 투명한 세라믹도 제조할 수 있어 고출력 레이저 기기의 부품 등에 사용되고 있다.고기능 세라믹은 의약품, 전자 부품 등에도 사용되고 있다.
세라믹 공학은, 세라믹의 제조나 응용을 연구하는 공학 분야이며, 거기에 대응한 산업분야가 요업이다.세라믹의 생산에는 열을 사용하는 경우나 화학 용액의 상온으로의 침강 반응을 사용하는 경우가 있다.원료의 정제, 관련하는 화합물의 제법등의 연구, 세라믹의 형성법, 그 구조・조성・특성의 연구등이 포함된다.
역학적으로는, 세라믹은 무르고, 딱딱하고, 압축에 강하지만, 절단과 끌어당기기에는 약하다.약한 소재여도, 정적인 부하에 대하고는 강도를 발휘하는 일이 있다.인성은 소재가 파괴 될 때까지 얼마나의 에너지에 견딜 수 있는지를 나타내, 파괴 인성(KIc)은 결함(갈라져)의 성장에 저항하는 소재의 능력을 의미한다.소재의 파괴 인성이 높은 경우, 파괴 역학의 기본 원칙에 의하면, 연성 파괴를 일으킬 가능성이 높다.세라믹이나 유리 세라믹은 사치성 파괴를 일으키는 것이 많아, 일반적으로 KIc은 낮다.
세라믹의 응용예로서 산화 지르코늄은 지극히 딱딱한 것으로부터 나이프의 연마나 산업용 절삭 공구 등에 사용되고 있다.산화 알류미늄, 탄화 붕소, 탄화 규소등의 세라믹은, 방탄 조끼에 사용되고 있다.질화 규소는 그 딱딱함과 내마모성으로부터 볼 베어링의 부품에 사용되고 있다.일반적으로 세라믹은 화확적인 내부식성이 뛰어나기 위해, 강철의 베어링으로는 산화(녹슬어)하는 습기가 많은 환경에서도 이용 가능하다.
세라믹의 다른 응용예로서 1980년대 초에 토요타 자동차는 약 3300оC로 동작하는 세라믹 엔진을 연구했던 적이 있다.세라믹 엔진은 냉각 기구가 불필요하기 때문에 경량화할 수 있어 연비가 향상하는 것이 기대되고 있었다.통상의 금속제의 엔진으로는 녹아 버리는 것을 막기 위해서 열을 항상 방출할 필요가 있다.비슷한 생각으로, 세라믹제의 가스 터빈 엔진의 부품도 개발되고 있다.터빈 엔진을 세라믹으로 만들면, 효율이 향상한다고 생각할 수 있었다.그러나, 세라믹의 부품을 충분한 정밀함과 내구성을 가지고 대량생산 하는 것이 어렵기 때문에, 양산에는 이르지 않았다.세라믹으로 완성된 부품에는 미시적인 금이 무수히 존재해, 엔진 부품과 같은 용도로는 그것이 큰 금으로 성장해 고장의 원인이 되기 쉽다.
유리 세라믹
유리 세라믹은, 비정질의 유리와 결정질의 세라믹의 양쪽 모두의 성질을 대면시켜 가지고 있다.우선 유리로서 형성해, 열처리 하는 것으로 부분적으로 결정화시켜, 아몰퍼스와 결정이 혼재한 상태로 한 것이다.
유리 세라믹은 내열성이 뛰어나 물이 스며 듦성이 낮은 것으로부터, 조리 기구(CorningWare)나 조리용 카미이타에 사용되고 있다.세라믹상은 열팽창율이 부이며, 유리상의 정의 열팽창율로 균형을 취할 수 있어 전체적으로 열팽창이 지극히 작아진다.세라믹상과 유리상의 비율을 잘 조정하면(결정질이 약70%), 전체의 열팽창율은 거의 제로가 된다.이러한 유리 세라믹은 역학적 특성도 뛰어나 약 1000℃까지의 급격하고 반복적인 온도 변화에도 견딜 수 있다.
자연계에서 모래 사장의 모래에 불벼락이 떨어졌을 때, 석영등의 결정질의 입자에 의해서 유리 세라믹이 생기는 일이 있다.낙뢰에 의한 급격한 가열( 약 2500℃)에 의해서 중천의 뿌리와 같은 형태로 형성되어 섬전바위로 불린다.
유기 고체
유기 화학은, 탄소와 수소를 주성분으로 해, 질소・산소・할로겐(불소, 염소, 취소, 옥소)을 포함한 화합물의 구조・조성・반응・합성등을 연구한다.인이나 유황등의 원소를 포함한 유기 화합물도 있다.유기 고체로서는, 목재, 파라핀, 나프타렌, 여러가지 집합체나 플라스틱등이 있다.
목재
목재는 천연의 유기 소재이며, 리그닌의 기질안에 셀룰로오스 섬유가 파묻힌 구조가 되어 있다.섬유는 끌어당기기에 강하고, 리그닌 기질은 압축에 강하다.그 때문에 목재는 옛부터 건재나 배의 재료로서 사용되어 왔다.건축에 사용되는 목재는 일반적으로 재목으로 불린다.건축에 대해서는, 구조재로서 뿐만이 아니고, 콘크리트의 거푸집으로서도 사용되어 왔다.
나무의 성질 재료는 골판지등의 포장 자재나 종이에도 잘 사용되고 있어 어느쪽이나 목재로부터 만들어진 펄프를 원료로 하고 있다.화학 펄프는 리그닌을 화학물질과 열을 사용해 분리해, 섬유만을 꺼낸 것이다.
집합체
유기 화학에 있어서의 탄소의 중요한 특성의 하나로서 개개의 분자가 서로 결합해 쇄장 또는 망상의 화합물을 형성할 수 있는 점을 들 수 있다.이것을 중합 반응이라고 불러, 단량체를 원료로서 집합체를 형성한다.집합체는 화확적으로 합성한 것과 자연계에 존재하는 것(생체 고분자)의 2 종류로 분류된다.
단량체에는 여러가지 치환기나 관능기의 것이 있어, 합성된 화합물의 화학 특성(가용성, 반응성)이나 물리 특성(딱딱함, 밀도, 강도, 내마모성, 내열성, 투명도, 색등)에 영향을 준다.단백질로는 그러한 차이가 입체 구조의 차이를 낳아, 생물학적 활성의 차이를 낳는다.
납이나 shellac등의 생체 고분자 물질은 옛부터 인간이 이용해 왔다.이것들은 열가소성의 집합체이다.식물 유래의 집합체로서는 셀룰로오스가 있어, 천연 섬유나 로프등의 인장 강도의 원천이 되고 있다.또, 19 세기초경부터 천연 고무가 넓게 사용되게 되었다.집합체는 이른바 합성 수지(플라스틱)의 원료이다.플라스틱은 1개이상의 집합체에 첨가물을 더해 처리되어 형성된다.현재 잘 사용되고 있는 집합체로서는, 탄소를 베이스로 하는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 나일론, 폴리에스텔, 아크릴 수지, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 실리콘을 베이스로 하는 실리콘이 있다.
복합재
복합재료는 2개 이상의 미시적상을 포함한다.세라믹을 미립자나 섬유의 형태로 사용하거나 한다.
복합재의 용도는, 철근 콘크리트와 같은 건축 요소로부터 NASA의 스페이스 셔틀의 외면을 가리고 있는 내열타일까지 다방면에 걸친다.예를 들면 1510оC의 열에 견딜 수 있는 탄소섬유 강화 탄소 복합재료(RCC)는 스페이스 셔틀의 노즈 캡과 날개의 전 단부분을 지키고 있다.RCC는 graphite・레이온의 옷감에 페놀 수지를 내뿜어 래미네이트 가공한 것이다.압력솥내에서 고온으로 경화 처리한 후, 래미네이트를 열분해해 수지로부터 탄소로 변환해, 진공실에서 furfural・알콜을 스며들게 해 한층 더 그것도 경화/열분해되어 탄소가 된다.산화에의 내성을 갖게하기 위해, RCC의 외층은 탄화 규소로 변환한다.
가정용품으로의 복합재료의 예로서는, 텔레비전이나 휴대 전화등의 플라스틱제 외장이 있다.그러한 플라스틱제 외장은 일반적으로 열가소성의 ABS 수지등을 기질로서 탄산칼슘, 활석, 유리 섬유, 탄소섬유등을 더하고 강도를 더해 정전기 대책을 베풀고 있다.
따라서, 기질이 되는 재료가 보강재를 둘러싸, 상대적 위치를 보관 유지한다.그렇게 하는 것으로 기질의 역학적・물리적 특성을 강화한다.그렇게 하는 것으로 개개의 소재로는 얻을 수 없는 성질을 낳는다.설계자는 여러가지 기질과 보강재를 선택해 최적인 조합을 얻을 수 있다.
반도체
반도체는, 금속 도체와 비금속 부도체의 중간의 전기 저항(전도율)을 가지는 물질이다.주기율표에 대해 붕소로부터 우로 비스듬히 아래의 선상에 있는 반금속이 거의 상당한다.그 좌측이 전기 전도체(금속)이며, 우측이 부도체이다.
반도체는 라디오, 컴퓨터, 전화기등의 전자기기에 잘 사용되고 있다.반도체 디바이스로서는, 트랜지스터, 태양전지, 다이오드, 집적회로등이 있다.태양전지 패널은 큰 반도체 디바이스이며, 빛을 직접 전기 에너지로 변환한다.
금속 도체로는 전류는 전자의 흐름이지만, 반도체로는 그 물질의 밴드 구조에 있어서의 전자 및 정공이 전하 담체가 된다.주된 반도체 소재로서는, 실리콘, 게르마늄, 히화 갈륨이 있다.
나노 소재
많은 고체는 나노미터 레벨에까지 작아지면, 통상과는 다른 성질을 나타내게 된다.예를 들면 규소는 통상 회색이지만, 나노 입자가 되면 붉어진다.돈의 나노 입자는 금괴(융점은 1064оC)보다 쭉 저온(2.5 nm의 크기로 300оC)으로 녹기 시작하는[2].금속의 나노 와이어는 같은 원소의 금속의 덩어리보다 강도가 우수한[3][4].또 나노 입자는 체적에 대해서 상대적으로 표면적이 크기 때문에, 에너지장의 특정 용도에 있어서 매우 매력적이다.예를 들어 백금의 나노 입자는 자동차 연료의 촉매를 개량해, 연료 전지의 이온 교환막(PEM)에도 사용되고 있다.또, 랜턴, 세륨, 망간, 니켈의 세라믹 산화물은 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)에 사용되고 있다.리튬 이온 2차 전지로는, 리튬, 티탄산리튬, 탄 탈등의 나노 입자를 사용하는 것도 있다.규소의 나노 입자나 나노 와이어는 리튬 이온 2차 전지의 수명을 극적으로 늘리는 것이 판명되어 있다.규소의 나노 입자는 태양전지에도 사용되고 있다.얇은 막 상태의 규소 료코닷을 태양전지의 다결정 규소의 기판상에 두는 것으로, 입사 한 빛에 대응해 나노 입자(박막)가 형광을 발해, 출력전압이 최대로60%도 증강된다.여기에서도 나노 입자의 표면적이 큰 것이 도움이 되고 있다.
생체 재료
자연계에는 특이한 역학적 특성을 가지는 생물 유래의 복잡한 화합물이 많이 존재한다.수억년의 진화에 의해서 태어난 그러한 복잡한 구조를 연구하는 것으로, 새로운 소재가 만들어지고 있다.생체 재료는, 구조적 계층성, 다기능성, 자기 회복 기능등을 특징으로 한다.자체 조직화도 생체 재료의 기본적 특징이며, 분자 레벨로부터 구조가 구성되어 있어 구.거기서, 고기능 생체 재료의 화학 합성에 대해 자체 조직화가 새로운 전략으로서 주목받고 있다.
분자 자체 조직화는 생체에 잘 볼 수 있어 여러가지 생체의 구조의 기초가 되고 있다.예를 들면, 상온 상압으로 무기 소재를 결정화시킨다고 했던 것이 생체내에서 보통으로 행해지고 있어 지극히 정밀하고 복잡한 구조를 만들어낸다.그러한 무기 소재를 성장시키는 과정을 생명이 어떻게 제어하고 있는지를 이해하는 것으로, 재료 과학이 크게 진보해, 나노 스케일의 복합재를 합성하는 기법을 낳는 계기가 되었다.
생체에 있어서의 구조의 기본적인 재료는 20 종류의 아미노산에 시작해, 폴리펩티드, 다당, 폴리펩티드 당류등이 있다.이것들로부터 기본적인 단백질이 만들어져 그것이 세포의 주요한 구성요소가 되어 있어, 많은 바이오 미네랄에도 존재한다.단백질은 콜라겐, 키친질, 각질, 에라스틴 등 1000 종류 이상 있다.딱딱한 생체 재료는 주로 광물을 사용하고 있어 생체내의 환경에서 크기・형상・개개의 결정의 배치등을 제어되어 성장해 간다.생체로 중요한 광물로서는, 하이드록시 어퍼타이트(수산 인회석), 실리카, 싸라기눈석이 있다.예를 들면, 하이드록시 어퍼타이트는 뼈의 주성분이다.
자주(잘) 연구된 생체 재료로서 전복등의 조개로 보여지는 진주층의 미세 구조가 있다.천연 소재로서는 금속 이외로는 가장 역학적 강도와 파괴 인성이 높다.전자현미경에 의한 관찰로, 광물로 완성된 타일이 유기 소재의 시트를 사이에 두어 무슨층도 거듭할 수 있었던 미세 구조가 분명해지고 있다.초기의 연구로 진주층을 구성하는 유기 성분은5%에 지나지 않는 것을 알 수 있고 있다.그런데도 복잡한 계층적 구조에 의해서, 무기의 CaCO3 결정과 비교하면 3000배의 역학적 강도가 있는 것을 알 수 있고 있는[5][6].
물리적 성질
수상한, 색, 체적, 밀도, 융점, 비점, 비열 용량, 상온으로의 물리 형상(고체・액체・기체의 구별, 결정 구조 등), 딱딱함, 공극률, 반사율이라고 하는 물체의 물리 특성은, 그 화학 조성이나 원소를 특정하는 확증을 제공한다.여기에서는 고상의 물질의 물리적 성질의 일부를 해설한다.
역학적 성질
역학적 성질이란, 개개의 고체 소재의 강도나 변형에의 내성이라고 하는 성질이다.예를 들면, 강재는 강도가 높고 변형하기 어려운 것으로부터 건재로서 잘 사용되고 있다.
역학적 성질로서는, 탄성, 소성, 인장 힘, 압축 힘, 전단 힘, 파괴 인성, 전연성, 오시고메 딱딱함등이 있다.고체 역학은 여러가지 고체 소재가 외력이나 온도등의 외적 조건아래에서 어떻게 행동하는지를 연구한다.
고체는 액체와 같은 유동성을 나타내지 않는다.원래의 형태로부터 변화하는 것을 변형(deformation)이라고 불러, 원형으로부터의 변형의 비율을 폐해(strain)라고 부른다.더해진 응력이 충분히 낮으면, 거의 모든 고체로 폐해와 응력은 비례한다(훅의 법칙).그 비례 계수를 탄성률 또는 신장 탄성률이라고 부른다.훅의 법칙이 성립되는 변형의 범위를 「탄성역」이라고 부른다.고체가 응력에 대해서 어떻게 반응할까에 대해서는, 3개의 모델이 있다.
- 탄성-더해진 응력이 없어지면, 원의 형상으로 돌아온다.
- 점탄성-탄성적으로 행동하지만, 그 때에 약간의 마찰과 같은 시간차이가 있다.더해진 응력이 없어지면, 천천히 원래의 형태로 돌아오려고 해, 그 때에 열이 발생한다.응력과 폐해를 그래프에 나타내면, 일종의 히스테리시스가 나타난다.또, 그 역학 응답은 시간 의존성을 가진다.
- 가역성-항복치보다 낮은 응력을 더했을 경우는 탄성을 나타낸다.응력이 항복치를 넘으면 가역성을 나타내, 원의 형태로 돌아오지 않게 된다.즉 항복에 의해서 불가역인 소성변형을 일으켜, 그 상태가 쭉 계속 된다.
많은 소재는 고온으로는 약해진다.고온에서도 높은 강도를 나타내는 소재를 내화물이라고 불러, 여러가지 용도에 사용되고 있다.예를 들면 유리 세라믹은 1000оC정도까지의 급격한 온도 변화의 반복에도 강도를 유지하는 성질이 있다.항공기나 우주기의 외장에는 열충격에 강한 고기능 소재가 사용되고 있다.유기 고분자나 복합재료로 완성된 합성 섬유등이 그렇게 말한 용도 전용으로 설계되고 있다.
열적 성질
고체는 열에너지를 가지고 있기 위해, 그 원자는 격자내의 평균 위치를 중심으로 진동하고 있다.결정질이나 유리질의 네트워크에 있어서의 격자 진동의 스펙트럼은, 고체 분자 운동론의 기초가 되고 있다.이 운동은 원자 레벨로 일어나고 있어 분광법등의 매우 전문적인 기기가 아니면 관찰・검출할 수 없다.
고체의 열적 성질로서는 열전도율이 있어, 개개의 소재의 열전도 능력을 나타낸다.또, 비열 용량은 그 소재가 열(격자 진동)의 형태로 에너지를 저축하는 능력을 나타낸다.
전기적 성질
전기적 성질로서는, 전기 전도율, 저항값, impedance치, 정전 용량치등이 있다.금속이나 합금등의 도체도 있으면, 유리나 세라믹등의 절연체도 있다.반도체는 그러한 중간의 성질을 나타낸다.금속의 전기 전도성은 전자에 의하는 것이지만, 반도체로는 거기에 더해 정공도 전류를 담당하고 있다.또, 고체 전해질로는 양이온도 전류를 담당한다.
극저온 상태로 초전도를 나타내는 물질도 많이 존재한다.주석이나 알루미늄등의 금속 원소, 각종 합금, 대량으로 도핑 한 반도체, 어떤 종류의 세라믹등이 초전도를 나타낸다.많은 도체(금속)의 저항값은 온도를 낮게 하면 저하되어 가지만, 유한의 값을 계속 나타낸다.그러나 초전도체로는, 임계 온도 이하가 되면 돌연 저항값이 제로가 된다.초전도체의 환에 전류를 흘리면, 전원 없이 무한하게 전류가 계속 흐른다.
유전체나 절연체는 전류에 대해서 큰 저항을 나타낸다.플라스틱등의 유전체는 전기장이 인가되면 그것을 저축하는 성질이 있어, 콘덴서에 그 성질이 사용되고 있다.콘덴서는 약간 틈새를 비운 전극간의 전기장에 에너지를 저축하는 디바이스이다.콘덴서에 전압을 인가하면, 양쪽 모두의 전극에 서로 반대의 극성의 비례한 전하를 저축할 수 있다.콘덴서는 전기 회로에 있어서의 에너지 축적 장치로서 사용될 뿐만 아니라, 고주파와 저주파의 신호를 구별하는 필터 회로에도 사용되고 있다.
전기-역학적 성질
압전 효과란, 결정에 역학적 응력을 더하면 전위차를 발생하는 현상이다.압전 효과를 나타내는 결정에 전압을 인가하면, 반대로 결정의 형태가 약간 변화한다.고무, 양모, 머리카락, 비단 등 집합체는 전석으로서 행동하는 것이 많다.예를 들면 폴리 훅화 비닐리덴(RDVF)은 수정(SiO2의 결정)보다 수배 강한 압전성을 나타낸다.약 0.1%의 변형으로 큰 압전 효과를 얻을 수 있는 것부터, 고전압원, 스피커, 레이저, 각종 센서나 트란스듀서에 응용되고 있다.
광학적 성질
고체에는 유리와 같이 투명한 것과 금속과 같이 불투명한 것이 있다.
특정의 파장만을 투과 시키는 소재도 많다.예를 들면, 유리창은 가시광선을 투과 시키지만, 자외선의 주파수대는 그만큼 투과 하지 않는다.이러한 성질은 주파수 선택성의 광학 필터 등에 사용되고 있다.
용도에 따라서는, 광학적 성질과 역학적 성질의 양쪽 모두가 중시되는 경우도 있다.예를 들면, 적외선 추적식(열탐지식)의 미사일로는, 적외선 센서의 커버는 적외선을 투과 시키는 소재가 아니면 안된다.이 때문에 현상의 적외선 추적식 미사일로는 사파이어의 단결정이 그 용도에 사용되고 있다.사파이어는 안적외선 대역(3□5μm)을 전부 투과 하는 것은 아니고, 상온으로는 4.5μm보다 긴 파장을 투과 하지 않는다.그러나 상온으로 적외선을 투과 하는 물질 중(안)에서는 가장 강도가 높고, 600оC이상이 될 때까지 강도가 유지된다.이와 같이 강도와 광학 특성을 양립시키는 것은 오랜 세월의 과제가 되고 있어 투명 세라믹이나 광학 나노 복합재라고 하는 신소재가 보다 좋은 성능을 나타낼 가능성이 있다.
도파광전파로는, 광섬유등을 사용해 여러가지 주파수의 빛으로 복수의 신호를 동시에 전파 한다.광도하지는 광집적회로나 광통신 시스템의 광전송 매체로서 사용되고 있다.
빛-전자 공학적 성질
태양전지는 빛을 전기로 변환한다.기본적으로는 2개의 기능이 필요하다.1개는 빛을 흡수하는 소재로 빛으로부터 전하 담체(전자와 정공)를 생성할 수 있는 것으로, 이제 1개는 전극에 그것들 전하 담체를 극성에 의해서 분리해 이동시켜 전류를 발생시키는 것이다.이것을 광전 효과라고 불러, 태양전지에 관련되는 연구 분야로서는 광기전력학(photovoltaics)이 있다.
태양전지에는 여러가지 용도가 있다.벽지나 우주 공간 등 전력망이 없는 장소에서의 전력원으로서 사용되고 있어 그 밖에도 계산기, 손목시계, 무선 전화, 펌프 등에 짜넣어지고 있다.최근에는 주택 등에 태양전지를 설치해 발전해, 그 전력을 전력망에 공급하는 것도 행해지고 있다.
광자를 흡수하는 것으로 자유전자를 발생시키고 있기 때문에, 태양전지에는 빛을 흡수하는 소재가 필요하게 된다.태양전지의 원료에는 지구의 지표에 도달하는 태양광의 파장을 흡수하는 특성의 것이 우선적으로 채용되고 있지만, 안에는 대기권외에서의 발전에 최적화된 태양전지도 있다.
각주・출전
- ^ Mortimer, Charles E. (1975). Chemistry: A Conceptual Approach (3rd ed.). New York:: D. Van Nostrad Company.
- ^ Buffat, Ph.; Burrel, J.-P. (1976). "Size effect on the melting temperature of gold particles". Physical Review A 13 (6): 2287. doi:10.1103/PhysRevA. 13.2287.
- ^ Walter H. Kohl (1995). Handbook of materials and techniques for vacuum devices. Springer. pp. 164□167. ISBN 1563963876.
- ^ Shpak, Anatoly P; Kotrechko, Sergiy O; Mazilova, Tatjana I; Mikhailovskij, Igor M (2009). "Inherent tensile strength of molybdenum nanocrystals"(free-download pdf). Science and Technology of Advanced Materials 10: 045004. doi:10.1088/1468-6996/10/4/045004.
- ^ Lin, A.; Meyers, M.A. (2005). "Growth and structure in abalone shell". Materials Science and Engineering A 390: 27. doi:10.1016/j.msea. 2004.06. 072.
- ^ Mayer, G. (2005). "Rigid biological systems as models for synthetic composites". Science 310 (5751): 1144. doi:10.1126/science. 1116994. PMID 16293751.
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