Материаловедение: 10 главных идей (3000,00 руб.)

Стр.5

Стр.7

Стр.8

Стр.9

УДК 620.22 ББК 30.3 С21 С21 Эдриан Саттон Материаловедение: 10 главных идей / пер. с англ. к. ф.-м. н. П. В. Михеева. – М.: ДМК Пресс, 2022. – 196 с.: ил. ISBN 978-5-93700-138-2 маВ книге описываются концепции, которые, по мнению автора, заниныют центральное место в науке о материалах. Адриан Саттон, почетна й профессор Имперского колледжа Лондона, показывает развитие учного подхода в материаловедении от классической термодинамиXXIки XVIII века к наноструктурам, метаматериалам и активной материи в их виды. Просто и доходчиво раскрывается роль квантовой механики ематики на школьном уровне. Книга может использоваться для с углубленной подготовки магистров и бакалавров естественно-научных пециальностей. века. На простых моделях объясняются причины стабильности маитериала, особенности фазовых переходов, влияние дефектов структуры науке о материалах. Читатель узнает о практических направлениях работы ученых по созданию материалов, которые не существуют в естественных условиях, метаматериалов и о том, какую роль играет материаловедение применительно к живой материи. матДля изучения ряда тем понадобится знание физики, химии и Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. ISBN 978-0-19284-683-9 (англ.) © Adrian P. Sutton, 2021 ISBN 978-5-93700-138-2 (рус.) © Оформление, перевод на русский язык, издание, ДМК Пресс, 2022

Стр.5

Оглавление Предисловие от издательства ............................................................................9 Об авторе ............................................................................................................ 10 Предисловие ....................................................................................................... 11 Глава 1. Когда материал стабилен?................................................................. 14 1.1. Концепция...............................................................................................14 1.2. Введение .................................................................................................14 1.3. Определения ...........................................................................................16 1.4. Первый закон термодинамики ..............................................................18 1.5. Второй закон термодинамики ...............................................................20 1.5.1. Необратимость и производство энтропии ...................................20 1.5.2. Энтропия с точки зрения микросостояний .................................25 1.5.3. Конфигурационная энтропия .......................................................27 1.5.4. Резюме раздела 1.5 ........................................................................30 1.6. Закрытые системы и тепловые резервуары .........................................30 1.7. Свободная энергия Гельмгольца ............................................................32 1.8. Свободная энергия Гиббса .....................................................................33 1.9. Химические потенциалы .......................................................................34 1.10. Уравнение Гиббса–Дюгема ..................................................................36 1.11. Правило фаз Гиббса ..............................................................................37 1.12. Заключительные замечания ................................................................38 Дополнительная литература ..................................................................39 Глава 2. Фазовые диаграммы .......................................................................... 40 2.1. Введение .................................................................................................40 2.2. Свободная энергия – кривые состава ...................................................43 2.3. От свободной энергии – кривые состава – до состояния равновесия ..... 45 2.4. Фазовая диаграмма для полной смешиваемости ................................48 2.5. Фазовые диаграммы для ограниченной растворимости в твердом состоянии .....................................................................................50 2.5.1. Эвтектические фазовые диаграммы ............................................50 2.5.2. Схема перитектических фаз..........................................................51 2.6. Заключительные замечания ..................................................................53 Дополнительная литература ..................................................................53 Глава 3. Непрерывное движение .................................................................... 54 3.1. Концепция...............................................................................................54 3.2. Доказательства непрерывного движения .............................................54 3.3. Колебания и термически активируемые процессы .............................55 3.4. Броуновское движение...........................................................................58 3.5. Теорема флуктуации-диссипации .........................................................60

Стр.7

Оглавление  7 3.6. Некоторые другие проявления непрерывного атомного движения в материалах .................................................................................................64 Дополнительная литература ..................................................................67 Глава 4. Дефекты ................................................................................................ 68 4.1. Концепция...............................................................................................68 4.2. Изменение в материалах .......................................................................68 4.3. Точечные дефекты ..................................................................................70 4.4. Дислокации .............................................................................................76 4.5. Границы зерен ........................................................................................82 Дополнительная литература ..................................................................84 Глава 5. Симметрия ............................................................................................ 85 5.1. Концепция...............................................................................................85 5.2. Введение .................................................................................................85 5.3. Законы сохранения ................................................................................88 5.4. Физические свойства кристаллов .........................................................89 5.5. Топологические дефекты .......................................................................92 5.6. Квазикристаллы......................................................................................96 Дополнительная литература ................................................................101 Глава 6. Квантовое поведение ....................................................................... 102 6.1. Концепция.............................................................................................102 6.2. Размер и идентичность атомов ...........................................................102 6.3. Эксперимент с двойной щелью ...........................................................104 6.4. Одинаковые частицы, принцип исключения Паули и спин..............110 6.5. Последствия принципа исключения Паули ........................................112 6.6. Туннелирование ...................................................................................118 6.7. Термические свойства твердых веществ.............................................118 6.8. Квантовая диффузия ............................................................................121 6.9. Заключительные замечания ................................................................123 Дополнительная литература ................................................................124 Глава 7. Особенности малого .......................................................................... 125 7.1. Концепция .............................................................................................125 7.2. Введение ................................................................................................125 7.3. Квантовые точки ...................................................................................128 7.4. Катализ ..................................................................................................132 7.5. Гигантское магнетосопротивление .....................................................132 7.5.1. Происхождение магнетизма .......................................................132 7.5.2. Магнетосопротивление в ферромагнитных металлах ..............137 7.5.3. Гигантский магниторезистивный эффект .................................137 7.6. Заключительные замечания ................................................................141 Дополнительная литература ................................................................142

Стр.8

8  Оглавление Глава 8. Коллективное поведение ................................................................ 143 8.1. Концепция.............................................................................................143 8.2. Отличается от всего ..............................................................................143 8.3. Три примера процессов, включающих несколько масштабов длины ...........................................................................................................146 8.3.1. Электронная проводимость ........................................................146 8.3.2. Пластичность ................................................................................149 8.3.3. Трещина ........................................................................................150 Дополнительная литература ................................................................153 Глава 9. Спроектированные материалы ....................................................... 154 9.1. Концепция.............................................................................................154 9.2. Введение ...............................................................................................154 9.3. Микроструктура ....................................................................................156 9.4. Пример замены «никеля» ....................................................................158 9.5. Самосборка ...........................................................................................159 9.5.1. Плот из пузырей ................................................................................160 9.5.2. Фотонные кристаллы ...................................................................161 9.5.3. Квантовые точки ..........................................................................162 9.6. Умные материалы ................................................................................166 9.6.1. Самовосстанавливающиеся материалы .....................................168 9.6.2. Самоочищающееся стекло ..........................................................168 9.7. Заключительные замечания ................................................................169 Дополнительная литература ................................................................169 Глава 10. Метаматериалы ............................................................................... 170 10.1. Концепция ...........................................................................................170 10.2. Введение ..............................................................................................170 10.3. Пример: метаматериал для упругих волн ........................................172 10.4. Электромагнитные метаматериалы и отрицательное преломление ...............................................................................................175 10.5. Плащи невидимости ..........................................................................180 10.6. Заключительные замечания ..............................................................182 Дополнительная литература ................................................................183 Глава 11. Биологическое вещество как материал ...................................... 184 11.1. Концепция ...........................................................................................184 11.2. Что такое жизнь? ................................................................................184 11.3. Активное вещество .............................................................................187 11.4. Синтетическая биология ....................................................................191 11.5. Заключительные замечания ..............................................................192 Дополнительная литература ................................................................193 Предметный указатель ................................................................................... 194

Стр.9