Розділ 8.9: Характеристика матеріалів: мікроскопія, спектроскопія та рентгенівська дифракція

Історія визначення характеристик матеріалів сягає початку 17 століття, коли голландський вчений Антоні ван Левенгук винайшов мікроскоп і відкрив існування мікроорганізмів. У наступні століття прогрес мікроскопії та спектроскопії призвів до відкриття та характеристики нових матеріалів та їхніх властивостей.

Наприкінці 19-го та на початку 20-го століть рентгенівська дифракція стала важливим інструментом для визначення характеристик матеріалів. Британський фізик Вільям Генрі Брегг і його син Вільям Лоуренс Брегг у 1912 році розробили техніку рентгенівської кристалографії, яка дозволила визначити атомну структуру кристалів. Це призвело до кращого розуміння властивостей матеріалів та їх поведінки на атомному рівні.

У середині 20 століття була розроблена електронна мікроскопія та інші прогресивні методи мікроскопії. У 1931 році німецький фізик Ернст Руска побудував перший електронний мікроскоп, який використовував пучок електронів замість світла для збільшення об’єктів. Це дозволило отримати набагато більше збільшення та роздільну здатність, ніж це було можливо за допомогою світлових мікроскопів. У наступні десятиліття були розроблені просвічуюча електронна мікроскопія, скануюча електронна мікроскопія та інші передові методи мікроскопії, що дозволило вивчати матеріали на нанорозмірі.

У другій половині 20 століття були розроблені методи спектроскопії, такі як інфрачервона спектроскопія, спектроскопія раманівського розсіювання та спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Ці методи дозволили охарактеризувати хімічні та фізичні властивості матеріалів, включаючи їхній склад, структуру та зв’язок.

В останні роки характеристика матеріалів продовжувала прогресувати з розвитком нових методів і технологій. Наприклад, атомно-силова мікроскопія (АСМ) і скануюча тунельна мікроскопія (СТМ) дозволяють досліджувати матеріали в атомному масштабі, тоді як синхротронне випромінювання та лазери на вільних електронах дозволяють досліджувати матеріали в субатомному масштабі.

Сьогодні характеристика матеріалів є важливим інструментом для матеріалознавства та інженерії, а також для багатьох інших галузей, включаючи хімію, фізику, біологію та медицину. Він використовується для вивчення широкого спектру матеріалів, включаючи полімери, метали, кераміку, напівпровідники та біологічні матеріали. Розуміючи властивості матеріалів на атомному та нанорівні, вчені та інженери можуть проектувати та розробляти нові матеріали з індивідуальними властивостями та застосуванням.