ویژگی مواد و مواد هوشمند (علوم هفتم)

فصل 04 (علوم تجربی هفتم)

این فصل درباره‌ی موادی است که هر روز با آن‌ها سروکار داری: از کجا می‌آیند، چه ویژگی‌هایی دارند، و چطور می‌شود ماده‌های بهتری ساخت.

مواد از کجا می‌آیند؟

مواد از نظر منشأ دو دسته‌اند:

مواد طبیعی مستقیم و بدون تغییر از طبیعت به دست می‌آیند: گوگرد (بلورهای زرد در دهانه‌ی آتشفشان‌های خاموش)، طلا (رگه‌های درخشان لای سنگ)، الماس، نمک خوراکی (از تبخیر آب دریا) و گازهای اکسیژن و نیتروژن در هوا.

مواد مصنوعی با تغییر فیزیکی یا شیمیایی روی مواد طبیعی ساخته می‌شوند:

بیشتر موادی که در زندگی روزمره استفاده می‌کنیم از دسته‌ی دوم‌اند. نکته‌ی مهم این است که «طبیعی‌بودنِ ماده‌ی خام» به معنی طبیعی‌بودنِ محصول نیست — ماسه طبیعی است، ولی شیشه مصنوعی است.

ویژگی‌های مواد

هر ماده ویژگی‌های مشخصی دارد که آن را از بقیه جدا می‌کند:

سختی: ماده‌ای از ماده‌ی دیگر سخت‌تر است اگر بتواند روی آن خراش بیندازد یا آن را ببرد. الماس شیشه را می‌برد، پس از شیشه سخت‌تر است؛ الماس سخت‌ترین ماده‌ی طبیعیِ شناخته‌شده است. (دانشمندان سختی را با مقیاسی به نام «موس» از ۱ تا ۱۰ می‌سنجند: تالک ۱، الماس ۱۰.)

انعطاف‌پذیری: توانایی خم‌شدن یا کشیده‌شدن زیر نیرو و برگشتن به حالت اول بعد از برداشتن نیرو — مثل کش لاستیکی. شیشه و سرامیک انعطاف‌ناپذیرند: به‌جای خم‌شدن، می‌شکنند.

چکش‌خواری: توانایی فلز برای تغییر شکل زیر ضربه، بدون شکستن. چرا فلزها چکش‌خوارند؟ چون لایه‌های اتمی‌شان می‌توانند روی هم بلغزند بدون اینکه پیوند اتم‌ها کاملاً بگسلد. به همین دلیل می‌شود طلا را به ورقه‌های خیلی نازک تبدیل کرد.

استحکام: مقاومت ماده در برابر پاره یا گسسته شدن. ترتیب استحکامِ رشته‌ها:

فلزها استحکام بیشتری دارند چون پیوندِ بین اتم‌هایشان قوی‌تر است؛ کاربردش در پل و اسکلت ساختمان دیده می‌شود.

چگالی (یادآوری فصل ۲): $\rho = \dfrac{m}{V}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. چگالی فلزها با هم برابر نیست:

چون چگالی آلومینیم خیلی کمتر از فولاد است، به آن «فلز سبک» می‌گویند و برای ساختن چیزهای محکمِ سبک (بدنه‌ی هواپیما، قوطی نوشیدنی) به کار می‌رود.

ویژگی‌های دیگر: رسانایی الکتریکی و گرمایی (فلزها رسانا، پلاستیک و چوب نارسانا)، شفافیت، آب‌دوستی و خاصیت آهن‌ربایی.

حواست باشد: همه‌ی فلزها آهن‌ربا را جذب نمی‌کنند — فقط آهن، کبالت و نیکل؛ طلا، نقره، مس و آلومینیم چنین خاصیتی ندارند.

انتخاب ماده برای ساخت وسیله

هنگام ساختن هر وسیله، سه چیز تعیین‌کننده است:

چند نمونه: مغز سیم برق از مس (رسانای عالی و چکش‌خوار) و روکشش از پلاستیک (نارسانا، ارزان، انعطاف‌پذیر)؛ قوطی نوشیدنی از آلومینیم (سبک و ضدزنگ)؛ اسکلت ساختمان از فولاد. آهن از بقیه‌ی فلزها ارزان‌تر است و برای همین کاربرد صنعتیِ گسترده‌ای دارد.

چطور ماده‌ای با ویژگی بهتر بسازیم؟

روش اول: افزودن ماده به ماده. گِل به‌تنهایی استحکام کمی دارد؛ با افزودن آهک محکم‌تر می‌شود — همان چیزی که ارگ بم را ساخته است. نمونه‌ی دیگر مغز مداد است: گرافیت خیلی نرم است، ولی با افزودن خاک رس سخت‌تر می‌شود؛ خاک رسِ بیشتر ← مداد سخت‌تر (H)، کمتر ← نرم‌تر (B).

روش دوم: آلیاژسازی. آلیاژ ماده‌ای تازه است که از ذوب‌کردن و مخلوط‌کردن دو یا چند فلز — و گاهی افزودن نافلزی مثل کربن — ساخته می‌شود. اتم‌های سازنده کاملاً لابه‌لای هم پخش می‌شوند و ویژگی‌هایی کاملاً جدید پدید می‌آید که هیچ‌کدام از اجزا به‌تنهایی ندارند. این با مخلوط معمولی فرق دارد: در مخلوط، تکه‌ها جدا از هم می‌مانند و ویژگی خودشان را نگه می‌دارند.

چرا فولاد زنگ‌نزن زنگ نمی‌زند؟ چون کرومِ موجود در آن با اکسیژن هوا یک لایه‌ی محافظِ نازک روی سطح می‌سازد و همین لایه نمی‌گذارد اکسیژن و رطوبت به آهن برسند. (آلومینیم هم به همین دلیل زنگ نمی‌زند.)

مواد هوشمند

ماده‌ی هوشمند ماده‌ای است که زیر نیرو، گرما یا عامل محیطی تغییر شکل می‌دهد، ولی بعد از حذف آن عامل به‌خودی‌خود به شکل اولش برمی‌گردد. نمونه‌ی معروفش قاب عینکی است که کاملاً مچاله می‌شود و بعد بدون هیچ کمکی صاف می‌شود.

فرقش با ماده‌ی انعطاف‌پذیرِ معمولی در اندازه‌ی تغییر شکل است: کش فقط کمی کشیده می‌شود، ولی ماده‌ی هوشمند می‌تواند به‌شدت تغییر شکل بدهد و باز هم برگردد. کاربردهایش: قاب عینک، لوازم دندان‌پزشکی، هوافضا، پزشکی و تجهیزات ورزشی.

یک نکته‌ی فراتر: الماس و گرافیتِ مغز مداد هر دو فقط از اتم کربن ساخته شده‌اند؛ تفاوتشان فقط در آرایش اتم‌هاست — در الماس اتم‌ها با پیوند قویِ چهارطرفه به هم قفل شده‌اند، ولی در گرافیت لایه‌لایه‌اند و لایه‌ها روی هم می‌لغزند.

اشتباه‌های رایج

• یکی گرفتن سختی و استحکام. سختی یعنی مقاومت در برابر خراش، استحکام یعنی مقاومت در برابر پاره‌شدن. شیشه سخت است ولی استحکام کمی دارد و با یک ضربه می‌شکند. این دو ویژگیِ مستقل‌اند.
• یکی گرفتن انعطاف‌پذیری و چکش‌خواری. ماده‌ی انعطاف‌پذیر بعد از حذف نیرو به شکل اول برمی‌گردد؛ ولی فلزِ چکش‌خوار زیر ضربه برای همیشه تغییر شکل می‌دهد و برنمی‌گردد، فقط نمی‌شکند.
• «سنگین‌تر یعنی چگال‌تر». چگالی به جرمِ واحدِ حجم مربوط است، نه جرمِ کل. یک تنه‌ی چوب از یک میخ آهنی سنگین‌تر است، ولی چگالی آهن بیشتر است.
• «آلیاژ یعنی کنار هم گذاشتن دو فلز». نه — فلزها باید در حالت مذاب مخلوط شوند تا اتم‌ها لابه‌لای هم بروند. کنارِ هم چیدنِ تکه‌های جامد فقط یک مخلوط معمولی است.
• «هر چیزی که خم شود و برگردد ماده‌ی هوشمند است». معیارْ اندازه‌ی بازگشت‌پذیری است؛ کش صرفاً انعطاف‌پذیر است، نه هوشمند.

نمونه سؤال با پاسخ

سؤال ۱: کدام گزینه نمونه‌ای از یک «ماده‌ی مصنوعی» است؟
۱) طلا ۲) اکسیژن ۳) شیشه ۴) نمک خوراکی

پاسخ: گزینه‌ی ۳. طلا از معدن، اکسیژن از هوا و نمک از تبخیر آب دریا مستقیم به دست می‌آیند، پس هر سه طبیعی‌اند. اما شیشه با ذوب‌کردن ماسه در دمای بسیار بالا ساخته می‌شود؛ ماده‌ی خامش طبیعی است، ولی خودش مصنوعی است.

سؤال ۲: یک مهندس می‌خواهد سه شیء با جرم برابر (هرکدام ۱۰۰ گرم) از آلومینیم (چگالی ۲.۷)، آهن (۷.۸) و طلا (۱۹.۳) بسازد. کدام‌یک بزرگ‌ترین حجم را خواهد داشت؟ با محاسبه نشان بده.

پاسخ: از رابطه‌ی چگالی داریم $V = \dfrac{m}{\rho}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی؛ یعنی وقتی جرم ثابت است، هرچه چگالی کمتر باشد حجم بیشتر می‌شود.

پس شیء آلومینیمی بزرگ‌ترین حجم را دارد — تقریباً ۷ برابرِ شیء طلا.

جمع‌بندی

• ماده‌ی طبیعی مستقیم از طبیعت می‌آید؛ ماده‌ی مصنوعی از تغییر در آن ساخته می‌شود
• سختی = مقاومت در برابر خراش | استحکام = مقاومت در برابر پاره‌شدن (این دو یکی نیستند)
• انعطاف‌پذیری = برگشت به شکل اول | چکش‌خواری = تغییر شکلِ ماندگار بدون شکستن
• آلومینیم «فلز سبک» است؛ آهن ارزان‌ترین فلزِ پرکاربرد
• آلیاژ = ذوب و اختلاطِ فلزها ← ویژگی‌های کاملاً تازه (فولاد، چدن، برنز، برنج، فولاد زنگ‌نزن)
• ماده‌ی هوشمند خودبه‌خود به شکل اولش برمی‌گردد
• انتخاب ماده = ویژگی فیزیکی + قیمت + فراوانی