De materiaalwetenschap heeft vanaf het begin van de menselijke geschiedenis tot nu een belangrijke rol gespeeld en de overgang naar de steen-, brons- en ijzertijd mogelijk gemaakt. Tegenwoordig vormt materiaalkunde de basis van veel technische disciplines, en in de toekomst zal het innovaties op het gebied van nanotechnologie, groene materialen, gezondheidszorg, telecommunicatie en meer aandrijven. Deze vooruitgang zal het menselijk leven verrijken en bijdragen aan de opbouw van een duurzamere samenleving.
Van het verleden naar de toekomst. De titel van dit artikel is zo clichématig dat je het waarschijnlijk minstens één keer in je leven hebt gezien. Als je moeite hebt met het bedenken van een duidelijk antwoord, denk dan eens aan de tijdspanne vanaf de geboorte van onze soort tot de dag van vandaag. Als je zou worden gevraagd om de belangrijkste technische prestaties in de geschiedenis van de mensheid te noemen, wat zouden mensen dan vandaag de dag zeggen? Het antwoord ligt uiteraard niet in steen gebeiteld. Ondanks het ontbreken van een antwoord kan ik met zekerheid zeggen dat de techniek die de grootste impact heeft gehad op de menselijke geschiedenis de materiaaltechniek is. Dit komt niet noodzakelijkerwijs doordat ik gespecialiseerd ben in materiaalkunde. Materialen hebben historisch en sociaal een zeer belangrijke rol gespeeld.
Zoals studenten in de geestes- en sociale wetenschappen heel goed weten, worden perioden in de geschiedenis van de mensheid op basis van bepaalde criteria over het algemeen in drie perioden verdeeld. Dat criterium is materieel. Steen, brons en ijzer (en nog steeds). Dit kan enkele vragen oproepen. Hoe komt het dat de moderne mens zo intelligent is, zoveel materialen kent en heeft ontwikkeld, en toch nog steeds vastzit aan ijzer, vergeleken met de overgang van steen naar brons of brons naar ijzer? Ter vergelijking: de overgang van steen naar brons wordt geschat op rond de 20e eeuw voor Christus, en de overgang van brons naar ijzer vindt plaats rond de 4e tot de 5e eeuw voor Christus. Met andere woorden: we gebruiken metalen materialen nog maar een paar duizend jaar, maar we gebruiken steen al tienduizenden jaren. We ontdekten ijzer, een materiaal dat uiterst waardevol is geworden. Tegenwoordig zijn metalen zoals koper en aluminium superieur aan ijzer in termen van elektrische geleidbaarheid, dichtheid en corrosieweerstand, maar ze moeten het nog volledig vervangen in termen van materiaaleigenschappen zoals sterkte en taaiheid, evenals in termen van economie.
In het vorige gedeelte hebben we gezien hoe materialen zo'n diepgaande impact hebben gehad op ons verleden en hoe ze zijn geëvolueerd. Het is een onmiskenbaar historisch feit dat de ontwikkeling van materialen tot veel vooruitgang in de menselijke kennis heeft geleid. De geschiedenis van de mensheid is verrijkt door de ontwikkeling van materialen in het verleden, en dit zal in de toekomst niet veranderen. Hoe dichter we bij de moderne tijd komen, hoe sneller het tempo van de kennis zich ontwikkelt. Vooral in de 20e eeuw is een enorme hoeveelheid kennis verzameld en georganiseerd, niet alleen op het gebied van de natuurkunde, maar ook op het gebied van de wetenschap in het algemeen. Naarmate de wetenschappelijke vooruitgang voortduurde, nam ook de technologische vooruitgang toe, vooral op het gebied van materialen, waar veel ontdekkingen en uitvindingen werden gedaan. Toen mensen bijvoorbeeld voor het eerst vliegtuigen uitvonden en de lucht in gingen, waren het de lichtheid en sterkte van de gebruikte materialen die deze mogelijk maakten. Deze vooruitgang bracht al snel een revolutie teweeg in de manier waarop we leven en de structuur van de samenleving.
Tegenwoordig zijn er veel verschillende takken van techniek. Werktuigbouwkunde, elektrotechniek, computertechniek, chemische technologie, biologische techniek, scheepsbouw, luchtvaarttechniek, bouwkunde, milieutechniek, enzovoort, die allemaal te belangrijk zijn om op te noemen en te beschrijven. En materiaalkunde kan worden gezien als de basis van al deze vakgebieden. Mechanische, elektrische, chemische, biomaterialen, architectonische, scheepsbouw- en luchtvaarttechniek vereisen allemaal materialen, en materialen spelen een zeer belangrijke rol als basis voor hun techniek. De discipline materiaalkunde is verdeeld in drie hoofdtakken: metallurgie, keramiek en vezelpolymeren, wat ook een manier is om de materialen die in de wereld bestaan te categoriseren.
Laten we eens kijken naar de materialen die tot nu toe zijn ontdekt. Sommige zijn eenvoudige materialen, terwijl andere optische vezels, halfgeleiders, legeringen zoals duraluminium, LCD-schermen en biomaterialen omvatten die als kunstmatige organen worden gebruikt. En dan zijn er nog de stoffen waar je waarschijnlijk wel van hebt gehoord, zoals amoled, dat wordt gebruikt in onlangs gecommercialiseerde mobiele telefoons, en grafeen, een materiaal dat niet alleen belangrijk is in de natuurkunde, maar ook in de materiaalkunde en -techniek, dat werd bestudeerd door de Nobelprijswinnaars voor de natuurkunde van vorig jaar. De laatste twee worden vaak ‘opkomend’ genoemd omdat ze relatief nieuw zijn in vergelijking met andere materialen, ook al zijn ze al een tijdje ontdekt en bestudeerd. Om deze reden gebruiken andere universiteiten vaak de term ‘new-material engineering’ om te verwijzen naar majors die soortgelijke onderwerpen bestuderen. Bovendien weten niet-technische studenten vaak niet eens wat 'materialen' betekent in de naam van materiaalkunde. Aan de andere kant is de betekenis van materiaal, wanneer het in het Engels wordt uitgelegd, beperkter dan materiaal, en wordt het dus gemakkelijker geaccepteerd dan materiaalkunde. In feite is het woord materiaal veel breder dan nieuwe materialen en omvat het niet alleen techniek en technologie, maar ook fundamentele wetenschap, dus ik denk dat materiaalwetenschap en techniek de juiste positie is om op dit gebied te studeren en onderzoek te doen.
Ik heb hierboven vermeld dat er drie hoofdtypen materialen zijn. Ze worden in principe onderverdeeld in metalen, keramiek en polymeren, die allemaal verschillende materiaaleigenschappen hebben en op verschillende manieren worden gebruikt. Van het verleden tot het heden zijn er overal om ons heen veel materialen ontdekt of uitgevonden, die ons leven verrijken en verrijken, ons in staat stellen meer te leren en meer dingen mogelijk te maken. Als we bijvoorbeeld meer microscopische dingen zouden willen observeren, zouden we gereedschappen moeten maken om ze te observeren, en om die gereedschappen te maken, zouden we de juiste materialen ervoor moeten kunnen maken. Als we satellieten de ruimte in willen sturen, moeten we materialen ontwikkelen die stabiel kunnen blijven in de ruimte, en als we de oceaanbodem op grote diepte willen verkennen, moeten we materialen uitvinden die duurzaam genoeg zijn om extreem hoge waterdruk te weerstaan. niet worden aangetast door zeewater. Dit is de manier waarop de mensheid materialen heeft onderzocht en ontwikkeld, en dat zal ook in de toekomst zo blijven.
De toekomst van de materiaalkunde zal de grenzen verleggen en de mogelijkheden van nieuwe materialen verkennen. Materiaalkunde in combinatie met nanotechnologie kan bijvoorbeeld materialen creëren met eigenschappen die nog nooit eerder zijn bedacht. Dit zal een revolutie teweegbrengen op vele terreinen, waaronder de gezondheidszorg, het milieu en de telecommunicatie. Bovendien zal de ontwikkeling van milieuvriendelijke materialen met duurzaamheid in het achterhoofd ons leven gezonder en veiliger maken. Materiaalkunde zal een sleutelrol spelen bij de opslag en conversie van energie, milieubescherming, biotechnologie en meer, en zal bijdragen aan het oplossen van enkele van de belangrijkste problemen van de toekomst.
Het gebied van materiaalkunde en -techniek bestaat al sinds het begin van onze soort en zal in de toekomst alleen maar belangrijker worden. De ontwikkeling van nieuwe materialen is een natuurlijke vooruitgang, vooral in het licht van de energie- en milieu-uitdagingen van vandaag. Het vakgebied materiaalkunde wint aan belang in de academische wereld, en niet te vergeten in het echte leven. Zoals de titel suggereert, is materiaalkunde van het verleden tot de toekomst de basis van alle techniek, leidt het andere disciplines en zal het blijven evolueren totdat we in staat zijn te realiseren wat de mensheid zich kan voorstellen. En ik denk dat dit is wat ik, als ingenieursstudent met als hoofdvak materiaalkunde, in de toekomst zou moeten doen.
