Επιστήμη των Υλικών Ενότητα Ε: Χρώμα Κεφάλαιο Ε-1: Εισαγωγή στις βασικές έννοιες Όνομα Καθηγητή: Αικατερίνη Πομόνη Τμήμα Φυσικής

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

Σκοποί ενότητας 4 Μια σύντομη αναφορά στην Επιστήμη των Υλικών και την ταξινόμηση των υλικών ανάλογα με τη χημική τους σύσταση και την ατομική τους δομή. Εισαγωγή στην προέλευση του χρώματος.

Περιεχόμενα ενότητας 5 Αναφορά στις Ιδιότητες των υλικών Μηχανικές- Ηλεκτρικές- Θερμικές- Μαγνητικές- Οπτικές Ταξινόμηση των υλικών Μέταλλα- Κεραμικά- Πολυμερή Σύνθετα Υλικά- Ημιαγωγοί- Βιοϋλικά- Προηγμένα Υλικά Προέλευση του χρώματος

ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Επιστήμη των Υλικών: Διερευνά τις σχέσεις μεταξύ των δομών και των ιδιοτήτων των υλικών. Τεχνολογία των Υλικών: Με βάση τη σχέση δομής - ιδιότητας ασχολείται με τη σχεδίαση ή/και την τεχνολογία σχεδίασης της δομής των υλικών, ώστε να παράγει υλικά με προκαθορισμένο σύνολο ιδιοτήτων.

Η δομή του υλικού σχετίζεται με την οργάνωση των συστατικών του. Υποατομική δομή: ηλεκτρόνια στα επιμέρους άτομα και τις αλληλεπιδράσεις με τον πυρήνα τους. Σε ατομικό επίπεδο: οργάνωση ατόμων ή μορίων σε σχέση με άλλα άτομα ή μόρια. Μία δομή με μεγάλες ομάδες ατόμων, συνήθως συσσωματωμένων μεταξύ τους, ονομάζεται μικροσκοπική όταν μπορεί να παρατηρηθεί με τη χρήση κάποιου είδους μικροσκοπίου.

Τα δομικά στοιχεία που μπορούν να παρατηρηθούν με γυμνό οφθαλμό ονομάζονται μακροσκοπικά. Ιδιότητα είναι η έννοια που χαρακτηρίζει το υλικό και εκφράζει το είδος και το μέγεθος της απόκρισής του σε κάποιο συγκεκριμένο εξωτερικό ερέθισμα. Π.χ. ένα δοκίμιο στο οποίο ασκούνται δυνάμεις θα υποστεί παραμόρφωση ή μια λειασμένη μεταλλική επιφάνεια θα ανακλά το φως.

Όλες οι σημαντικές ιδιότητες των στερεών υλικών μπορούν ουσιαστικά να ομαδο- ποιηθούν στις παρακάτω κατηγορίες: Μηχανικές Ηλεκτρικές Θερμικές Μαγνητικές Οπτικές

Οι μηχανικές συσχετίζουν την παραμόρφωση με την ασκούμενη δύναμη. Στις ηλεκτρικές, όπως η ειδική αγωγιμότητα και η διηλεκτρική σταθερά, το ερέθισμα είναι το ηλεκτρικό πεδίο. Στις θερμικές, όπως η θερμοχωρητικότητα και ειδική θερμική αγωγιμότητα, το ερέθισμα είναι η παροχή θερμότητας. Στις μαγνητικές, η μαγνήτιση είναι η απόκριση του υλικού στην εφαρμογή μαγνητικού πεδίου.

Στις οπτικές, όπως ο δείκτης διάθλασης και η ανακλαστικότητα, το ερέθισμα είναι η ηλεκτρομαγνητική (ή φωτεινή) ακτινοβολία.

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ Ανάλογα με τη χημική τους σύσταση και την ατομική τους δομή τα στερεά ταξινομούνται σε τρεις κατηγορίες: Μέταλλα Κεραμικά Πολυμερή Υπάρχουν και 3 ακόμα ομάδες σημαντικών τεχνολογικά υλικών: Σύνθετα Υλικά Ημιαγωγοί Βιοϋλικά

Μέταλλα Περιέχουν μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων που δεν είναι συνδεδεμένα με συγκεκριμένα άτομα και πολλές από τις ιδιότητές τους αποδίδονται άμεσα σ’ αυτά τα ηλεκτρόνια. Είναι εξαιρετικά καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος και της θερμότητας και είναι αδιαφανή στο ορατό φως. Έχουν μεγάλη αντοχή αλλά και παραμορφώνονται εύκολα και επομένως κρίνονται κατάλληλα για διάφορες κατασκευές. Μειονέκτημα: διαβρώνονται γρήγορα αν δεν προστατευθούν.

Κεραμικά Είναι ενώσεις μεταξύ μεταλλικών και μη μεταλλικών στοιχείων και συνήθως είναι οξείδια, νιτρίδια και καρβίδια. Το μεγαλύτερο μέρος τους αποτελούν οι ορυκτές άργιλοι, τα τσιμεντοκονιάματα και οι ύαλοι. Είναι μονωτικά υλικά όσον αφορά στο ηλεκτρικό ρεύμα και τη θερμότητα και σε υψηλές θερμοκρασίες είναι πιο ανθεκτικά από τα μέταλλα και τα πολυμερή. Δεν διαβρώνονται εύκολα και είναι ιδιαίτερα σκληρά υλικά. Μειονέκτημα: Είναι πολύ εύθραυστα.

Πολυμερή Σε αυτά ανήκουν τα γνωστά μας πλαστικά και ελαστικά υλικά. Είναι οργανικές ενώσεις με μεγάλες μοριακές δομές που χημικά βασίζονται στον άνθρακα, το υδρογόνο και άλλα μη μεταλλικά στοιχεία. Έχουν συνήθως χαμηλή πυκνότητα και μπορεί να είναι εξαιρετικά εύκαμπτα.

Μειονέκτημα(;): Οι ιδιότητές τους εξαρτώνται σημαντικά από τη θερμοκρασία. Π.χ. ένα πολυμερές ισχυρό και ευλύγιστο στη θερμοκρασία περιβάλλοντος μπορεί να είναι ψαθυρό στους -4 ο C (θερμοκρασία οικιακού καταψύκτη) και να γίνεται ελαστικό στους 100 ο C.

Σύνθετα Υλικά Τα σύνθετα υλικά είναι συνδυασμός δύο ή περισσοτέρων υλικών. Σχεδιάζονται ώστε ο συνδυασμός τους να αναδείξει τα καλύτερα χαρακτηριστικά από το καθένα από τα υλικά που τα απαρτίζουν. Για παράδειγμα, το fiberglass είναι σύνθετο υλικό το οποίο προκύπτει όταν ίνες υάλου ενσωματωθούν σε πολυμερές υλικό. Στο fiberglass ενισχύεται η αντοχή του λόγω του γυαλιού και η ευκαμψία του λόγω του πολυμερούς.

Ημιαγωγοί Η ειδική ηλεκτρική τους αγωγιμότητα ( Ω -1 m -1 ) παίρνει ενδιάμεσες τιμές μεταξύ των αντιστοίχων τιμών για τα μέταλλα (10 7 Ω -1 m -1 ) και τους μονωτές ( Ω -1 m -1 ) Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στην παρουσία έστω και ελάχιστων συγκεντρώσεων προσμίξεων από ξένα άτομα. Οι εφαρμογές τους στα ολοκληρωμένα κυκλώματα έφεραν τις τελευταίες δεκαετίες επανάσταση στη βιομηχανία των ηλεκτρονικών συσκευών και των υπολογιστών.

Βιοϋλικά Χρησιμοποιούνται σε συστατικά που εμφυτεύονται στο ανθρώπινο σώμα προκειμένου να αντικατασταθεί ένα προσβεβλημένο ή κατεστραμμένο τμήμα του σώματος. Πρέπει να μην είναι τοξικά και να είναι συμβατά με τους ιστούς του ανθρωπίνου σώματος. Πολλά από τα μέταλλα, τα κεραμικά, τα πολυμερή, τα σύνθετα και ημιαγώγιμα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοϋλικά.

Προηγμένα Υλικά Έτσι χαρακτηρίζονται υλικά που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας δηλ. σε συσκευές ή προϊόντα που χρησιμοποιούν περίπλοκες και εξελιγμένες αρχές (video, CD, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, συστήματα οπτικών ινών, διαστημόπλοια, αεροπλάνα, στρατιωτικούς πυραύλους κ.λ.π).

Είναι είτε παραδοσιακά υλικά με ενισχυμένες ιδιότητες είτε νέα υλικά υψηλής απόδοσης. Μπορούν να ανήκουν σε όλες τις κατηγορίες υλικών (μέταλλα, κεραμικά, πολυμερή) και είναι συνήθως πολύ ακριβά.

Υπερυλικά (Super Materials) aerogel 99.8% κενός χώρος, ημιδιαφανή εξαιρετικά μονωτικά υλικά, μελλοντικά πιθανή η κατασκευή κατοικιών από aerogel. Πηγή:wikimediawikimedia

Νανοσωλήνες άνθρακα Ισχυρότατοι οι δεσμοί στις μακρές αλυσίδες C, μήκος προς διάμετρο: 1.32 x 10 8, 300 φορές μεγαλύτερη αντοχή από το ατσάλι. Πηγή:wikimediawikimedia

Άμορφα μέταλλα Παράγονται μετά από ταχύτατη ψύξη λειωμένου μετάλλου Εμφανίζουν διπλάσια αντοχή από το ατσάλι. Πηγή:wikimediawikimedia

Διαφανής αλουμίνα Διαφανής, τριπλάσια αντοχή από το ατσάλι. Μελλοντικά πιθανή η κατασκευή κτηρίων από διαφανή αλουμίνα. Πηγή:wikimediawikimedia

Νανοαδάμας Προκύπτει από συμπίεση του γραφίτη. Είναι ελαφρύς, είναι το πιο σκληρό από όλα τα γνωστά μέχρι σήμερα υλικά. Είναι πολύ καλός αγωγός της θερμότητας και εμφανίζει το υψηλότερο σημείο τήξης.

Μεταϋλικά Συνδυασμός πολλών ξεχωριστών στοιχείων που διαμορφώνονται σε μικροσκοπική κλίμακα από συνήθη υλικά διατεταγμένα κατά περιοδικό τρόπο. Οι ιδιότητές τους προκύπτουν από τις σχεδιασμένες με εξαιρετική ακρίβεια δομές τους. Οδήγησε στην ανακάλυψη υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Πηγή:softpediasoftpedia

1. ΧΡΩΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1. ΧΡΩΜΑ ATOMIKH KAI MOΡΙΑΚΗ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΟΥ

Εισαγωγή Η κατανόηση της προέλευσης του χρώματος : κίνητρο και έμπνευση για την μελέτη των υλικών Εάν λάβουμε υπόψη τις αποχρώσεις, την λαμπρότητα και την ένταση, τότε μπορούμε να διακρίνουμε περί τα δέκα εκατομμύρια χρώματα με τα μάτια μας

Το χρώμα των υλικών οφείλεται στις αλληλεπιδράσεις των φωτεινών κυμάτων με άτομα και κυρίως με τα ηλεκτρόνια τους Από πρακτική άποψη το χρώμα ενός υλικού οφείλεται στη σχετική συνεισφορά φωτεινών κυμάτων διαφόρων μηκών κύματος Το φως είναι ΗΜΜ κύματα διαφόρων μ.κ. και η ενέργειά του δίνεται από: Ε=h ● ν=h ● c/λ

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΗΜΜ ΚΥΜΑΤΩΝ Περιοχή φάσματος Μήκος κύματος Συχνότητα Hz Ενέργεια Ραδιοκύματα> 10 cm < 3 x 10 9 < 2 x J Μικροκύματα10 cm - 1 mm 3x x x x J Υπέρυθρο1 mm-750 nm 3x x x x J Ορατό750 nm-450 nm 4x x eV - 3 eV Υπεριώδες 450 nm -10 nm7.5x x x x J Ακτίνες-Χ 10 nm nm3x x x x J Ακτίνες-γ < 0.01 nm> 3 x > 2 x J

ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ Πηγή:wikipediawikipedia

Τα χρώματα του ορατού φάσματος Χρώμα Περιοχή μηκών κύματος (nm) Περιοχή συχνοτήτων (Hz)Hz Ερυθρό ~ 630–700 ~ 476–429 x10 12 Πορτοκαλί ~ 590–630 ~ 510–476 x10 12 Κίτρινο ~ 560–590 ~ 535–510 x10 12 Πράσινο ~ 500–560 ~ 600–535 x10 12 Κυανό ~ 440–500 ~ 680–600 x10 12 Ιώδες ~ 400–440 ~ 750–680 x10 12

Ακτινοβολία πολύ μεγάλου μήκους κύματος, όπως τα ραδιοκύματα, περνά μέσα από το σώμα μας χωρίς να προκαλεί βλάβες, ενώ ακτινοβολίες με μικρό μήκος κύματος, όπως οι ακτίνες Χ, μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές αλλοιώσεις, δεδομένου ότι η υψηλή τους ενέργεια μπορεί να ξεκινήσει ανεπιθύμητες χημικές αντιδράσεις στο σώμα. Συχνά το χρώμα είναι το αποτέλεσμα μεταβάσεων μεταξύ ηλεκτρονικών σταθμών, πράγμα που συνεπάγεται εκπομπή ή απορρόφηση

Χρωματικά Μίγματα Βασικά χρώματα: κόκκινο, πράσινο, μπλε Βασικά χρώματα: κόκκινο, πράσινο, μπλε Σύνθετα χρώματα: με μείξη των βασικών σε κατάλληλες αναλογίες Σύνθετα χρώματα: με μείξη των βασικών σε κατάλληλες αναλογίες Πρόσθεση δύο βασικών χρωμάτων δίνει τρίτο χρώμα: Πρόσθεση δύο βασικών χρωμάτων δίνει τρίτο χρώμα: κόκκινο + πράσινο= κίτρινο κόκκινο + πράσινο= κίτρινο Αν προστεθεί και μπλε: κίτρινο+ μπλε= λευκό Αν προστεθεί και μπλε: κίτρινο+ μπλε= λευκό

Εάν στο δρόμο δέσμης λευκού φωτός παρεμβληθεί υλικό που απορροφά π.χ. το μπλε θα προκύψει κίτρινο χρώμα που προέρχεται από τη σύνθεση των εξερχομένων ακτινοβολιών Σύνθετα χρώματα με αφαίρεση Στην αφαιρετική διαδικασία, τα βασικά χρώματα είναι τα: πορφυρό, κίτρινο και γαλάζιο. Εδώ συμπληρωματικό χρώμα χαρακτηρίζεται εκείνο που όταν συνδυασθεί με άλλο βασικό χρώμα δίνει μαύρο. συμπληρωματικό χρώμασυμπληρωματικό χρώμα Μ ΥC

Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από τις προσωπικές σημειώσεις και το υλικό παρουσιάσεων του μαθήματος όπως δημιουργήθηκαν από την Αν. Καθηγήτρια κ. Αικατερίνη Πομόνη. Οι εικόνες, τα σχήματα και οι φωτογραφίες είναι δημιουργήματα της συγγραφέως, εκτός αν αναγράφεται διαφορετικά στις αντίστοιχες παραπομπές. Οι ιστότοποι προέλευσης όσων αναφέρονται ήταν ενεργοί κατά την 21η Ιουλίου 2015 οπότε και καταχωρήθηκαν οι παραπομπές.

Σημείωμα αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Αικατερίνη Πομόνη. «Επιστήμη των Υλικών. Ενότητα Ε-1». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: /PHY1947/ /PHY1947/

39 Σημείωμα αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφ’ όσον υπάρχει). Τέλος Ενότητας Διατήρηση σημειωμάτων