miniatura|Diferents disciplines de la ciència de materials La ciència de materials és un camp multidisciplinari que estudia coneixements fonamentals sobre les propietats físiques macroscòpiques dels materials i els aplica en diverses àrees de la ciència i l'enginyeria, aconseguint que aquests puguin ser utilitzats en obres, màquines i eines diverses, o convertits en productes necessaris o requerits per la societat.

La ciència de materials investiga la relació entre l'estructura i les propietats dels materials. Inclou elements de la física aplicada i la química, així com les enginyeries química, mecànica, civil i elèctrica. En els últims anys també s'hi ha afegit la nanociència i la nanotecnologia, gràcies a les investigacions i als avenços tecnològics. D'altra banda, l'enginyeria de materials, es fonamenta en les relacions propietats-estructura i dissenya o projecta l'estructura d'un material per aconseguir un conjunt predeterminat de propietats. És a dir, que la ciència és descriptiva mentre que l'enginyeria inclou la ciència, però per a aplicacions al món. La tecnologia de materials és l'estudi i posada en pràctica de tècniques d'anàlisi, estudis físics i desenvolupament de materials. Així, l'estudi des del punt de vista de l'enginyeria inclou la viabilitat tècnica, econòmica i social, la tecnologia, la tècnica, la practicitat, el temps, l'eficiència, la rendibilitat financera i social, les alternatives, el medi ambient, l'ergonomia, la mercadotècnia, etc. Convé matisar aquesta diferència, donat que sovint es presta a confusió.

Tot i els espectaculars progressos en el coneixement i en el desenvolupament dels materials en els últims anys, el constant desafiament tecnològic requereix materials cada cop més sofisticats i especialitzats.

Història Històricament, el desenvolupament i l'evolució de les societats han estat íntimament vinculats a la capacitat dels seus membres per produir i conformar els materials necessaris per satisfer llurs necessitats. En efecte, les primeres civilitzacions es coneixen amb el nom del material característic que utilitzaven (Edat de Pedra, Edat de Bronze)

L'home primitiu només tingué accés a un nombre molt reduït de materials presents en la naturalesa: pedres, fustes, fang, cuir... Amb el transcurs del temps, va descobrir tècniques per produir materials amb noves propietats superiors a les dels naturals (principalment aliatges).

Fa relativament poc temps que els científics han arribat a comprendre la relació entre elements estructurals dels materials i llurs propietats. Aquest coneixement, adquirit en els últims 200 anys aproximadament, els ha capacitat per modificar o adaptar les característiques dels materials. Potser un dels científics més rellevants en aquest camp hagi estat Willard Gibbs al demostrar la relació entre les propietats d'un material i llur estructura.

S'han desenvolupat desenes de milers de materials diferents amb característiques molt especials per satisfer les necessitats de la nostra moderna i complexa societat, es tracta de metalls, plàstics, vidres i fibres.

Es pot afirmar que una de les grans revolucions d'aquesta ciència ha estat el descobriment de les diferents fases tèrmiques dels metalls, i en especial de l'acer.

Actualment els avenços electrònics més sofisticats es basen en components denominats materials semiconductors.

Classificació miniatura|Exemple de l'estructura d'un polímer, concretament el polietilè La ciència de materials classifica a tots els materials en funció de les seves propietats i la seva estructura atòmica. Són els següents:

Metalls, alguns d'ells són semiconductors, tots són inorgànics. Ceràmics, de tipus inorgànic, n'hi ha de molt antics, però també s'utilitzen a la tecnologia més puntera. Polímers, materials de tipus orgànic, inclou, per exemple, els plàstics. Materials composts o composites, formats per diverses capes de diferents materials, i que s'usen per exemple a les quilles de les barques. Són els més nous.

Alguns autors fan classificacions més exhaustives, tot i que amb aquestes qualsevol element es pot classificar.

Aplicacions i relació amb la indústria miniatura|Una de les tècniques relacionades amb aquesta ciència és el fabricar lingots.

Els avenços radicals en els materials poden conduir a la cració de nous productes o noves indústries, però les indústries actuals també necessiten científics de materials per incrementar les millores i localitzar les possibles averíes dels materials que estan en ús. Les aplicacions industrials de la ciència de materials inclouen l'elecció del material, llur cost-benefici per obtenir el material, les tècniques de processat i les tècniques d'anàlisi.

A més de la caracterització del material, el científic o enginyer de materials (encara que hi hagi diferència, molts cops l'enginyer és científic i viceversa) també ha de tractar l'extracció i llur posterior conversió en materials útils. L'emmotllament de lingots, tècniques de fosa, extracció en alt forn, extracció electrolítica, etc., son part del coneixement requerit en un enginyer metal·lúrgic per exemple.

Deixant a banda els metalls, polímers i ceràmiques són també molt importants en aquesta ciència. Els polímers són un material primari usat per conformar o fabricar plàstics. Els plàstics són el producte final després que diversos polímers i additius hagin estat processats i conformats en la seva forma final. El PVC, polietilè, etc., són exemples de plàstics.

I pel que respecta a les ceràmiques, es pot citar l'argila, així com el seu modelat, assecament i cuita per obtenir un material refractari.

Fonaments miniatura|upright=1.14|El paradigma dels materials representat en forma de tetraedre. Un material es defineix com una substància (en la majoria dels casos un sòlid, però es poden incloure altres fases condensades) que es destina a determinades aplicacions. Hi ha una miríada de materials al nostre voltant; es poden trobar a qualsevol cosa, des d'edificis i cotxes fins a naus espacials. Les principals classes de materials són metalls, semiconductors, ceràmiques i polímers.Callister, Jr., Rethwisch. "Ciencia e ingeniería de materiales - Una introducción" (8ª ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.5-6 Entre els materials nous i avançats que s'estan desenvolupant es troben els nanomaterials, els biomaterials,Callister, Jr., Rethwisch. Ciencia e ingeniería de materiales - Una introducción (8ª ed.). John Wiley and Sons, 2009 pp.10-12 i materials energètics per nomenar-ne alguns.

La base de la ciència dels materials és l'estudi de la interacció entre l'estructura dels materials, els mètodes de processament per fabricar aquest material i les propietats resultants del material. La complexa combinació d'aquests factors produeix el rendiment d'un material en una aplicació específica. El rendiment d'un material depèn de moltes característiques al llarg de moltes escales de longitud, des dels elements químics que el componen fins a la microestructura i les característiques macroscòpiques del processat. Juntament amb les lleis de la termodinàmica i la cinètica, els científics de materials pretenen comprendre i millorar els materials.

Àmbits miniatura|L'estructura cristal·lina és una part essencial en aquesta ciència. Aquesta per exemple pertany al sistema ortoròmbic. La ciència de materials abasta molts temes, des de l'estructura atòmica, propietats dels diferents materials, processos i tractaments.

Aquest seria un resum a gran escala:

Estructura atòmica i enllaços interatòmics Estructura de sòlids cristal·lins Imperfeccions en estructures cristal·lines Processos de difusió atòmica Propietats dels materials Dislocacions i mecanismes d'enduriment Trencament Diagrames de fases Transformacions de fases Tractaments tèrmics Aliatges

Propietats dels materials Propietats mecàniques Duresa: és la resistència d'un cos en ser ratllat per altre. Oposat a dur, és tou. Resistència: es referix a la propietat que presenten els materials per a suportar les diverses forces. Plasticitat: es referix a la propietat que presenten els materials de deformar-se permanentment i irreversiblement. Ductilitat: es referix a la propietat que presenten els materials de deformar-se sense trencar-se, de manera que s'obtenen fils. Mal·leabilitat: es referix a la propietat que presenten els materials de deformar-se sense trencar-se, de manera que s'obtenen làmines. Rigidesa: es referix a la propietat que presenten els materials de no deformar-se quan s'hi aplica una força. Elasticitat: es referix a la propietat que presenten els materials de tornar al seu estat inicial quan s'hi aplica una força.

Propietats òptiques Els materials poden ser: Opacs: no deixen passar la llum. Transparents: deixen passar la llum. Translúcids: deixen passar part de la llum.

Propietats acústiques Materials transmissors o aïllants.

Propietats elèctriques Materials conductors o dielèctrics

Propietats tèrmiques Materials conductors o aïllants tèrmics

Propietats magnètiques Materials magnètics. En física es denomina permeabilitat magnètica a la capacitat d'una substància o medi per a atraure i fer passar a través de si els camps magnètics, la qual està donada per la relació entre la intensitat de camp magnètic existent i la inducció magnètica que apareix en l'interior del dit material.

Investigació La ciència dels materials és una àrea de recerca molt activa. Juntament amb els departaments de ciència de materials, física, química i molts departaments d'enginyeria estan involucrats en la investigació de materials. La investigació de materials cobreix una àmplia gamma de temes; la llista no exhaustiva següent destaca algunes àrees de recerca importants.

Nanomaterials

miniatura|upright=0.9|Una imatge de microscòpia electrònica d'escombrada de feixos de nanotubs de carboni. Els nanomaterials descriuen, en principi, materials dels quals una sola unitat té una mida (en almenys una dimensió) entre 1 i 1000 nanòmetres (10−9 metre), però normalment és d'1-100 nm. La investigació de nanomaterials adopta un enfocament basat en la ciència dels materials per a la nanotecnologia, utilitzant avenços en la metrologia i la síntesi de materials, que s'han desenvolupat en suport de la investigació de la microfabricació. Els materials amb estructura a nanoescala sovint tenen propietats òptiques, electròniques o mecàniques úniques. El camp dels nanomaterials està vagament organitzat, com el camp tradicional de la química, en nanomaterials orgànics (basats en carboni), com els fullerens, i nanomaterials inorgànics basats en altres elements, com el silici. Exemples de nanomaterials inclouen fullerens, nanotubs de carboni, nanocristalls, etc.

Biomaterials

miniatura|upright=0.9|esquerra|L'iridiscent nacre dins d'una petxina de nautilus. Un biomaterial és qualsevol matèria, superfície o construcció que interactua amb els sistemes biològics. L'estudi dels biomaterials s'anomena “ciència dels biomaterials”. Ha experimentat un creixement constant i fort al llarg de la història, amb moltes empreses invertint grans quantitats de diners en el desenvolupament de nous productes. La ciència dels biomaterials abasta elements de medicina, biologia, química, enginyeria de teixits i ciència dels materials.