כחומר ביד היוצר
לאורך ההיסטוריה למד האדם להפיק חומרים מהטבע, והיום הוא מפיק אותם במעבדה - מבט אל העבר ואל העתיד

דנה אשכנזי 


המשך...


לרוב החומרים המוצקים מבנה גבישי, שבו אטומי החומר מסודרים באופן מחזורי, כך שקיים סדר אטומי לטווח הרחוק. לגביש האידאלי יש מחזוריות מושלמת, אולם במציאות אין חומרים מושלמים, וגבישים מכילים בתוכם ליקויים המכונים פגמים, והם משפיעים על תכונות החומר.  קיים קשר הדוק בין תהליכי הייצור שעבר החומר, מבנה החומר ברמה המיקרוסקופית (קשרים בין אטומים, צפיפות האטומים, סידור האטומים ופגמים בחומר)  ותכונות החומר.

לשם המחשה, זהב טהור צבעו צהוב אולם אפשר לשנות את צבעו על-ידי סגסוגו, כלומר הוספת יסודות שונים לזהב בריכוזים משקליים שבין אחוזים בודדים לעשרות אחוזים, בהתאם לתכונות הרצויות. למשל, שילוב נחושת בזהב מעניק לו גוון כתום-אדמדם ואילו הוספת כסף, פלדיום, פלטינה, ניקל ואבץ מעניקה לזהב גוון כסוף (זהב לבן). זיהומים אטומיים בריכוזים נמוכים מאוד משנים את התכונות החשמליות של חומרים מוליכים למחצה, ואילו פגמים קווים המכונים נקעים משפיעים על יכולתן של מתכות לעבור עיוות (דפורמציה) פלסטי. תכונות החומר יתקבלו בהתאם לקשרים הבין-אטומיים, לסידור האטומים בחומר ולפגמים שבו. תכונות אלה הן שיביאו את מהנדס החומרים להחלטה אם להשתמש בחומר מסוים ליישומים מסוימים או לניסיון לפתח חומרים חדשים בעלי תכונות משופרות. 


עולם נסתר מהעין

 

וכעת להפקת החומרים של היום, המתמקדת בעולם זעיר ונסתר מן העין. המיקרו-אלקטרו-מכנו-מערכות (MEMS) והננו-מערכות נולדו מרעיון שהעלה ריצ'רד פיינמן (Feynman), הפיזיקאי היהודי הנודע, בהרצאה שנשא בשנת 1959 שכותרתה היתה: "יש עוד שפע מקום בתחתית".  בהרצאתו טען פיינמן כי בעתיד אפשר יהיה לבצע מניפולציות באטומים בודדים, וכי חולה לא ינותח עוד בידי אדם, אלא יבלע "רובוט זעיר" שישוטט בגוף לשם ביצוע המשימה הרפואית. ואכן, המילה ננו (nano), שמקורה ביוונית, משמעותה "זעיר". זהו עולמם של נגיפים ומולקולות  הדנ"א. ייחודה של טכנולוגיית הננו בכך שהיא קטנה דיה למזער רכיבים במידה ניכרת. למעשה, תעשיית המיקרו-אלקטרוניקה נמצאת כיום בעידן הננו, זאת מאחר שגודלם של הקווים במעגלים המשולבים (אותם חוטי חשמל) מגיע לממדים של פחות מ-50 ננומטרים, ובפיתוח כבר קיימים קווים בגודל 30 ננומטרים.

מערכות ה-MEMS משלבות אלמנטים מכניים, חיישנים, מתגים, גלגלי שיניים, רכיבים אופטיים ורכיבים אלקטרונים המיוצרים על מצעי סיליקון בטכנולוגיות של חדר נקי, בממדים של מיקרונים בודדים (אלפית המילימטר). רכיבים אלו נבנים בטכנולוגיות "מלמעלה למטה", כלומר בשיטות של הסרת חומר. התהליכים מבוצעים באמצעים מכניים, כימיים ואלקטרוכימיים, והרכיבים משמשים במדי התאוצה של כריות אוויר במכוניות וכן במדפסות דיו. דוגמה יישומית למערכת מיקרו-אלקטרו-אופטית היא הקפסולות הרפואיות של חברת גיוון-אימג'ינג (Givenimaging) הישראלית, שנוסדה ב-1998. מדובר בקפסולה אנדוסקופית המכילה מצלמת וידאו זעירה לאבחון בעיות במערכת העיכול, ואורכה רק 26 המכילה בתוכה רכיבים אלקטרונים זעירים: מערך מקורות אור, סוללה, משדר ועוד רכיבים אלקטרונים. הקפסולה נבלעת בקלות ומוצאת את דרכה למערכת העיכול, תוך שהיא מאפשרת התבוננות במעי הדק.

היום מחליף ה-MEMS קידומת ועובר ממיקרו לננו − מערכות ננו-אלקטרו-מכניות (NEMS). ייחודן של מערכות אלו אינו רק בהיותן זעירות יותר ממערכות ה-MEMS, אלא גם בהיותן המכוֹנות האלקטרו-מכניות הזעירות ביותר שאפשר לבנות, זאת מאחר שהן בקנה מידה מולקולרי. בחקר הננו מדברים במושגים של בנית מערכות "מלמטה למעלה", כלומר התחלת הבנייה מהרמה האטומית והמולקולרית והתקבצותם וסידורם של האטומים יחדיו עד למוצר הסופי.

בתחום ה-NEMS קיימת השקה בין סדרי הגודל של רכיבי MEMS לעולם הננו הביולוגי והכימי. באזור השקה יש חשיבות רבה לרכיבי ה-NEMS שאמורים לשמש כמתאמים. לדוגמה, רכיבים ננו-ביולוגים אמורים לטפל בבעיות שונות בגוף האדם. לרכיבים הללו יש לעתים קרובות צורך לחבר משאבות וצינורות בסדרי גודל של MEMS, ולכאן נכנס ה-NEMS כממשק מתאם, מפני שלאביזרים בסדר גודל של מיקרו קשה לאחוז מכנית ולהתחבר לרכיבי הננו הביולוגים.

יש דוגמאות רבות למחקרים שנערכים כיום בתחום הננו, ונציין כמה דוגמאות. לדוגמה, שילוב בין חומרים ביולוגיים לחומרים אלקטרוניים: פרופ' יוסי שחם, מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל-אביב פיתח בשיתוף עם הביולוג פרופ' שמשון בלקין מהאוניברסיטה העברית מערכת לאיתור רעלים במים המיועדת להתמודד עם מצבים כגון פיגוע לא קונבנציונלי במאגרי המים. המערכת מבוססת על שילוב בין חיידקים בעלי רגישות גבוהה לרעלים למערכת ננו-אלקטרוניות. בלבה של המערכת ניצב חיידק שהונדס גנטית כדי שיוכל לשמש כחיישן ביולוגי לזיהום סביבתי, המזהה במהירות את הרעלים שבמים. מערכת ננו-טכנולוגית מתוחכמת הכוללת משאבות, מערכת בקרה למדידת טמפרטורה, טרנזיסטורים רבים ועוד רכיבים רבים, "מתקשרת" עם החיידקים, מבחינה באותות המצוקה שלהם ומשדרת על כך.

בעולם זה מסוגלים תא עצב (נוירון) ושבב אלקטרוני לתקשר זה עם זה, ליצירת נוירו-טכנולוגיה. באמצעות ננו-טכנולוגיה אפשר לבצע מניפולציות על אטומים בודדים ומולקולות, לנתקם מפני-השטח ולהזיזם ממקום למקום. המניפולציה הזאת מאפשרת סידור האטומים והמולקולות בצורות שונות, כך שאפשר לצייר או לכתוב עם אותם אטומים באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (STM), ואף לחבר אטומים ולבנות חומרים חדשים. 

פרופ' אורי סיוון, אוהד זוהר וד"ר אלכס להב מהטכניון העלו את טקסט התנ''ך על שכבה דקה של זהב (בעובי 20 ננו-מטר) המצפה מצע סיליקון ששטחו חצי מילימטר רבוע. לשם כך נעשה שיגור אלומת יונים ממוקדת אל מצע הזהב באמצעות מכשיר הקרוי פיב (FIB - Focused Ion Beam). המכשיר מאיץ יונים אל משטח הזהב ובעת פגיעתם הם מתיזים ממנו אטומים ובכך חורטים בו וחושפים את מצע הסיליקון שתחתיו. כאשר מתבוננים ב"ננו-תנ"ך" באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), אזורי הסיליקון הצרוב נראים כהים יותר מאשר הזהב שמסביבם.

 

   

עולם נסתר מהעין  - MEMS, NEMS  וננו.

 

עוד נושא חשוב בתחום הננו הוא פיתוחם של חומרים חדשים, בעלי תכונות מיוחדות, תוך כדי בקרת המבנה המולקולרי. משפחה מעניינת במיוחד של חומרים הם ה"פוּ‏לֶ‏רֶ‏נים", שהם מולקולות ענק הבנויות מאטומי פחמן. הפולרן הראשון שהתגלה במשפחה זו זכה לכינוי "פחמן 60" על שום 60 אטומי הפחמן המרכיבים מולקולה זו. הפולרנים מורכבים משילוב בין טבעות משושות לטבעות מחומשות. ננו-צינוריות פחמן (carbon nanotubes) הן מעין פולרן מוארך. הן מתקבלות על-ידי קיפול מישור יחיד של גרפיט, הבנוי ממשושי פחמן, והוספת חצי כדור פולרני מכל צד של המבנה הגלילי כך שנוצר מבנה חלול סגור. להבדיל ממבנה הגרפיט המישורי, בננו-צינוריות קיימים גם מחומשים ומשובעים עשויים אטומי פחמן המונעים מהשטח להיות מישורי. דוגמה מעשית למחקר מקורי בתחום הננו-צינוריות פחמן היא עבודה של פרופ' יעל חנין מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל-אביב, אשר פיתחה אלקטרודות עשויות איים של ננו-צינוריות פחמן, המיועדות לקשור אליהן רשתות נוירונים בעלות גאומטריה מבוקרת. פיתוח שכזה יאפשר בעתיד ממשק בין החי לדומם, ועשוי להביא לידי טיפול בהפרעות נוירולוגיות ואף פיתוח עתידני של מחשבים ביולוגים חכמים המסוגלים לשכלל את עצמם. במסגרת שיתוף פעולה עם פרופ' אשל בן-יעקב, סטודנט המחקר מארק שיין משתמש באלקטרודות החדשניות ללמוד על התפתחות של פעילות חשמלית ברשתות עצביות.

תמונת מיקרוסקופיה אלקטרונית של אי עשוי ננו-צינוריות פחמן הקושר אליו סיב תא עצב. צילום באדיבות ד"ר יעל חנין.
 

בניית רכיבים בסדר גודל ננומטרי מציבה קשיים רבים. פגם בסדר גודל של אטום בודד צפוי לשנות באופן מרחיק לכת את תכונות החומר. ברכיבים בסדרי גודל של ננו ישנה חשיבות רבה לכוחות חשמליים, מגנטיים, אינטראקציה בין אלקטרונים, כוחות קפילריים (יכולת עליית נוזל בצינורות דקים), ופגמים בפני השטח. ככל שהרכיב קטן יותר, כך עולה מספרם היחסי של האטומים בפני השטח ביחס לאלו שבנפח, דבר המשפיע גם הוא על תכונות החומר.  

יישומים עתידיים אפשריים לננו טכנולוגיות צפויים בתחומי הרפואה, המחשבים, חלל, ריגול, חיישנים, מנועים מולקולריים (ראו: רועי צנזה ונגה לבנת, "ננו מן הטבע, מכונות ביולוגיות מולקולריות", "גליליאו" 118) ועוד. ואולם, ישנם גם ספקנים מתחומי הבריאות ואיכות הסביבה, הסבורים שקיימים בתחום זה לא מעט סיכונים (ראו: אבי בליזובסקי, "הנדסה גנטית וטכנולוגיית ננו: התלהבות וחששות", "גליליאו" 84), זאת בשל החשש להשפעות לא רצויות של חומרים בסדרי גודל ננומטריים על יצורים חיים. 

 


אחרית דבר

 

צורכי תחומי התעופה והחלל במאה ה-20 הולידו חומרים חדשים בעלי חוזק גבוה, משקל קל ועמידות בסביבות אגרסיביות (חום וקור קיצוניים, תקיפה כימית, עמידות בוואקום וכו'), ביניהם מגוון של חומרים קרמיים ומרוכבים. פיתוח חומרים מוליכים למחצה הביא להמצאת הטרנזיסטור שהביא אחריו מערכות מחשוב, בקרה ותקשורת חובקת עולם. תעשיית ההיי-טק התפתחה בזכות פיתוח חומרים חדשים ושיפור תכונותיהם של חומרים קיימים. אולי בעתיד תכונה תקופתנו בשם "תקופת הסיליקון". התעניינותו של האדם בחומרים צפויה גם בעתיד, בד בבד עם פיתוחים טכנולוגיים חדשים שיביאו עמם מהפכות נוספות בתולדות המין האנושי.

 

 

תודות

 

תודה לפרופ' יובל גורן מהחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום, שבאוניברסיטת תל-אביב, לעדי יוגב מכנס "אייקון 2008", לפרופ' יעל חנין מבית הספר להנדסת חשמל ומהמרכז לננוטכנולוגיה שבאוניברסיטת תל-אביב, לפרופ' סלבה קרילוב, מבית-הספר להנדסה מכנית, שבאוניברסיטת תל-אביב, לד"ר אמנון סטופ מצומת NASA, ותודה לרפי אשכנזי על הדיון הפורה.



ד"ר דנה אשכנזי, בעלת תואר דוקטור בהנדסה מכנית, עוסקת בהוראה ובמחקר בתחום המדע והנדסת חומרים ובכתיבת מאמרי מדע פופולרי. היא מכהנת בהנהלת האגודה הישראלית לחומרים ותהליכים  וכיו"ר פורום מדע וטכנולוגיה של עמותת פני"ם חדשות.


   

לקריאה נוספת

 

Callister, W.D., Materials Science and Engineering an Introduction, Fifth Edition, John Wieley & Sons, Inc., N.Y. (1999).

Goren, X., "The Location of the Specialized Copper Production by the Lost Wax Technique in the Chalcolithic Southern Levant", Geoarchaeology: An International Journal, vol. 23, No.3 (2008).

דנה אשכנזי ונעם אליעז, "על מינרלים, סריגים ואבני חן – מבנה החומרים ומדע קריסטלוגרפיה",  גליליאו – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 115, מרץ 2008.


דנה אשכנזי, "חקר כשלונות חומרים – האם ניתן היה למנוע את אסונות הטיטאניק והצ'לנג'ר?", גליליאו – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 103, מרץ 2007.


פסח בר-אדון, "מערת המטמון - הממצאים ממערת נחל משמר", הוצאת מוסד ביאליק,  החברה לחקירות א"י ועתיקותיה, 1971. 

מרגריט יורסנאר, "היצירה בשחור", תרגום מצרפתית: אביטל ענבר, הוצאת זמורה ביתן (1988).  


http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

http://lib.cet.ac.il/Pages/item.asp?item=10144

http://lib.cet.ac.il/pages/item.asp?item=4698&kwd=1513




* המאמר פורסם לראשונה במגזין ב"גליליאו": דנה אשכנזי, "כחומר ביד היוצר", גליליאו – כתב עת למדע ולמחשבה, גיליון 138,  פברואר 2010, עמודים 22 - 28.





חומרי עבר אל מול התפתחויות טכנולוגיות עכשוויות. איור: ד"ר דנה אשכנזי

 

יש הסוברים כי שינויים תרבותיים בתולדות המין האנושי קשורים להתפתחויות טכנולוגיות ולפיתוחם של חומרים ותהליכים חדשים. העובדה ששלוש התקופות הקדומות בתולדות המין האנושי נקראות תקופת האבן, תקופת הברונזה ותקופת הברזל, יש בה כדי להעיד על הקשר ההדוק שבין האדם לחומרים. שאלה מתבקשת היא, האם על סמך חומרי העבר והתפתחויות טכנולוגיות מהעבר אפשר לחזות התפתחויות עתידיות הקשורות לתחום המדע והנדסת החומרים? לשם בחינת תחום החומרים מזוויות השקפה שונות נצא לשני מסעות אחרי החומר, היסטורי ועתידי.

  

חשיבותם של חומרים בפיענוח תרבויות קדומות משמעותית בייחוד לתקופות שקדמו להמצאת הכתב. אך מעט ידוע לנו על חיי התרבות והרוח שהתנהלו באותן תקופות, והמידע המתקבל תלוי בחומרים שנשתמרו. ככל שהתרבות קדומה יותר כך המידע עליה מועט יותר, ולכן מה שנשאר ממנה הוא החומר (המעטפת) ולא הרוח. מאז המצאת הכתב והיכולת לתאר דברים בצורה מופשטת התמעטה במידת מה חשיבות החומרים בפיענוח תרבויות, מאחר שאפשר ללמוד על מאפייני התרבות מתוך הכתבים עצמם. ואולם החומרים שניצלו בני האדם עדיין חשובים לאפיון התרבות האנושית גם לאחר המצאת הכתב: אנחנו לובשים חומרים, בונים את בתינו מחומרים, יוצרים אמנות באמצעות חומרים, והחומרים הם אלה המשמשים במהפכות טכנולוגיות אשר מביאות לידי מהפכות חברתיות.

 

על הקשר שבין חומרים, טכנולוגיה ותרבות אפשר ללמוד מהתנהגותן של חברות קדומות ומסורתיות. בחברות מסורתיות באפריקה המֶטָלוּרג (מי שעיסוקו במתכות) הוא גם כוהן הדת, והטקסים הנלווים להפקת ברזל הם פולחניים. בשבטים הללו קבוצה מצומצמת של גברים היא שמשמשת בתעשייה המטלורגית. במהלך טקס הפקת הברזל משתמשים בעולם דימויים הקשור לפריון וליצירת חיים: למפוח יש צורה פאלית, ואילו לכבשנים שלתוכם מוחדר המפוח צורה נקבית כדוגמת אישה הרה. בחברות אלו מתוארת הפקת המתכת מתוך העפרות כתהליך כישוף שבו מתערבבים אלמנטים של רוח, אש, ואדמה (העפרה) לבריאת יסוד חדש (מתכת).
 
 

חומרים מוקדמים, טכנולוגיות קדומות

 

אבותינו הקדמונים החלו לנצל אבנים להכנת כלי עבודה ונשק מראשיתה של האנושות. מקובל להניח שעידן קדום זה, הקרוי תקופת האבן, החל במקומות שונים בעולם כבר לפני כ-2 מיליון שנים, טרם היות האדם נבון. באותה עת ניצל האדם גם עץ ועצמות, אולם החומר המרכזי שבו השתמשו בני האדם לייצור חפצים היה האבן. עם הזמן למד האדם לברור מבין הסלעים אותן אבנים שהיה יכול לבקען ולהשחיזן ועל-ידי כך להופכן לכלי חיתוך כדוגמת אבני הצור הקשות.

האבן היתה חומר עיקרי להכנת כלים במשך תקופה ארוכה מאוד, עד שנתגלתה שיטה להתכת עפרות הנחושת והפקת נחושת, חומר שראשית השימוש בו בין 3000-4000 לפנה"ס. באותו זמן החל להתפתח גם ענף הקדרות, ובני האדם החלו להכין כלי חרס צְרופים ששימשו לאחסון מזונם. בהמשך מצאו כי התכת נחושת עם בדיל יוצרת נתך הקרוי ברונזה (ארד). הברונזה התאימה לייצורם של כלים, נשק ותכשיטים בשל היותה חזקה, קשה וקשיחה יותר מן הנחושת. עקב גילוי זה נולדה תקופה חדשה בתולדות המין האנושי, תקופת הברונזה. מסופוטמיה ומצרים היו הראשונות בייצור כלי ברונזה. מהמזרח התיכון התפשטה טכנולוגיית הפקת הברונזה לעוד מקומות ברחבי העולם העתיק, והחלו לקום בתי מלאכה שבהם יצקו את הברונזה לתבניות בעלות הצורה הרצויה ליצירת כלים וחפצים, ביניהם: גרזנים, סכינים, תכשיטים וחפצי אמנות ופולחן. 

 

המטמון מנחל משמר
מגוון כלי ברונזה עתיקים שחלקם יוצרו בטכניקת השעווה האבודה
     

בארץ ישראל הופיעו המטלורגיה וכריית נחושת בערך ב-4000 לפנה"ס, בעיקר במכרות תמנע. בשנות השישים של המאה הקודמת נעשתה חפירה ארכיאולוגית גדולה במדבר יהודה ובראשה עמד הארכיאולוג פסח בר-אדון (וראו "לקריאה נוספת"). בחפירה בנחל משמר נתגלתה מערת מטמון ובה אוסף עצום של פריטים מהתקופה הכלקוליתית (לפני כ-6000 שנה; המונח כלקוליתית מקורו ביוונית ומשמעו נחושת ואבן), שכלל מגוון חפצי מתכת וביניהם עטרות, קנים, וראשי אלות, וחפצים מחומרים אחרים כגון שנהב ושיני היפופוטם. ההנחה הרווחת היא שמדובר בתשמישי קדושה ממקדש עין-גדי, המרוחק כ-12 ק"מ בלבד ממערת המטמון ושבו נמצאו סימני נטישה מהירה. בבחינה מדעית של חפצי הנחושת מן המטמון נתגלו הבדלים ניכרים באופן הייצור של החפצים השונים. החפצים והכלים הפשוטים יוצרו מנחושת מאזור ארץ ישראל, באמצעות טכניקה פשוטה הקרויה "תבנית פתוחה". החפצים האמנותיים והמורכבים יותר, ששימשו כנראה למטרות פולחן, יוצרו מנתכי נחושת המכילים אנטימון, ניקל, ארסן ויסודות נוספים, והוכנו באמצעות טכניקת "השעווה האבודה". ממצאים אלו מעלים בין השאר כמה שאלות: מהיכן הגיעו האנטימון, הניקל והארסן, יסודות שאינם בנמצא במחצבי ארץ ישראל? ומדוע לא נמצאו חפצי נחושת שהופקו באותה התקופה באמצעות טכניקה דומה במקומות אחרים בעולם? הבדלי החומרים והטכנולוגיות בין חפצי המתכת הפשוטים ליקרים מצביעים על שיקולים הנדסיים והבנה מטלורגית של היוצר. במחקר שערך יובל גורן מהחוג לארכיאולוגיה באוניברסיטת תל-אביב נבדקו התבניות הקרמיות של חפצי היוקרה ממערת המטמון, שהופקו כשלב בייצור היציקות בטכניקת "השעווה האבודה". התבניות יוצרו מחומרים קֶרָמיים זמינים בסביבה הגאוגרפית הקרובה לאזור הייצור של חפצי המתכת. לכן, חקירת התבניות מסייעת בגילוי המקום שבו נוצקו החפצים, אך לא בפיענוח מוצאה של סגסוגת הנחושת.

 
שלוש התקופות המרכזיות בתולדות המין האנושי נקראות תקופת האבן, תקופת הברונזה ותקופת    הברזל.
עובדה זו קשורה לכך שמאז ועד היום ניצל האדם את החומרים מסביבתו הקרובה ניצול מרבי. 
 
בהמשך העת העתיקה גילו עמים שונים את השימוש בברזל. כבר בין השנים 2000-3000 לפנה"ס הכינו בני האדם באזור מסופוטמיה חפצים מברזל שמקורו במטאוריטים. ואולם ראשיתה של תקופת הברזל בסוף האלף השני לפנה"ס, כאשר האימפריות של סוף תקופת הברונזה החלו להתמוטט ועמן חרב עולמן התרבותי, דבר שהביא לשינויים חברתיים, מסחריים, כלכליים וטכנולוגיים ברחבי העולם העתיק, ובהדרגה להתפתחות טכניקות לעיבוד ברזל. סביב 1500 לפנה"ס פיתחו החִתים שיטה להפקת ברזל מעפרותיו, ומאז התפשט השימוש בברזל ברחבי המזרח הקדום. באותה עת החלו כלי נשק קשים, עשויים ברזל, להחליף בהדרגה את מקומם של כלי הברונזה. מקובל להניח כי השימוש היומיומי בברזל החל סביב המאה ה-10 לפנה"ס. תקופת הברזל, שהחלה אז, נמשכת במובן מסוים עד לימינו.

באמצע המאה ה-18 התרחשו באנגליה שורה של שינויים טכנולוגיים שהתפשטו לשאר אירופה ולארצות-הברית וכונו המהפכה התעשייתית. שתי תגליות משמעותיות אפשרו התהוות מהפכה זו: הראשונה, פיתוח שיטה להפקת ברזל בעזרת שרֵפת פחם כמעט טהור הקרוי קוקס (Coke) בתנור הקרוי תנור רם, והשנייה היא המצאת מנוע הקיטור. ב-1913 הומצאה הפלדה הבלתי מחלידה (פלב"ם) בעלת העמידות המצוינת לפני שיתוך (קורוזיה).

הפלדה, המוכרת לכולנו מחיי היום-יום, היא נתך ברזל המכיל כמויות נמוכות של פחמן (עד ל-2% במשקל). בתעשיית הפלדות המודרנית מקובל לסגסג את הפלדות בעוד יסודות, וביניהם מגנזיום, מנגן, ניקל, כרום, וצורן. מטרת הסִגסוג לשפר את תכונות הפלדה ולהקנות לה משיכוּת, חוזק, קשיות ועמידות בשחיקה ובפני כימיקלים.

 

 

העולם המודרני: מדע, הנדסה ותכונות החומר

 

לאחר מלחמת העולם השנייה התפתח מקצוע הנדסי חדש יחסית, מדע והנדסת חומרים. תחום זה עוסק בקשר שבין מבנה החומר המוצק ברמה המיקרוסקופית ובין תכונותיו; בחקר המנגנונים המשפיעים על תכונות החומר (נקעים, דיפוזיה, גידול גבישים, מכניקת השבר ועוד); בבדיקת הסיבות לכשל חומרים, תהליכי ייצור ועיבוד חומרים (יציקה, ריתוך, ייצור שכבות דקות בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה וכו'); בשיפור תכונות החומר ובפיתוח חומרים חדשים, בשיקולי בחירת חומרים בעבור יישומים הנדסיים, ובשיטות לאפיון חומרים (מיקרוסקופיה אופטית, מיקרוסקופיית אלקטרונים, דיפרקציית קרני-x, בדיקות קשיות, בדיקת חוזק למתיחה ועוד).  במקצוע הנדסי זה חוקרים ומפתחים מגוון חומרים, ביניהם: מוליכים למחצה חומרים לתעשיית האלקטרוניקה, פולימרים מוליכי חשמל, קווזי-גבישים, על-מוליכים, חומרי ננו (Nanomaterials), ביו-חומרים וחומרים ידידותיים לסביבה (חומרים "ירוקים"). מחקרים רבים בתחום החומרים הם בין-תחומיים, וכוללים שיתופי פעולה בין אנשי חומרים לבין מהנדסי חשמל ומכונות, פיזיקאים, כימאים, ביולוגים, גאולוגים וארכיאולוגים (וראו אלכס דורון, "מי אחז באבן היד?", "גליליאו" 119).

העולם החומרי שמסביבנו עשוי מצירופים שונים של אטומים, שבאמצעות קשרים ביניהם יוצרים מגוון רחב של חומרים, כדוגמת חומרים קֶרָמיים, סגסוגות מתכתיות, פולימרים, חומרים מרוכבים ומוליכים-למחצה. לשם המחשת הזיקה שבין הקשרים הבין-אטומיים לתכונות החומר, נשווה בין קבוצת החומרים הקרמיים ובין קבוצת המתכות. חומרים קרמיים מכילים יסודות מתכתיים ואל-מתכתיים ומתאפיינים במבנה גבישי, בקשיות (התנגדות לחדירת גוף זר) גבוהה, בבידוד חשמלי ותֶרמי, בפריכות, בעמידות בטמפרטורות גבוהות ובעמידות בסביבות כימיות תוקפניות (כמו למשל חומצות). חומרים מתכתיים מתאפיינים גם הם במבנה גבישי, אך זאת בשל מספר רב של אלקטרונים הנעים כענן אלקטרונים המשותף לכל האטומים. המתכות הן בעלות ברק, הולכה חשמלית ותרמית גבוהות, משיכוּת (יכולת עיבוד פלסטי), חסינות טובה לשבר ועמידות גרועה בסביבות כימיות תוקפניות.

  

חלוקה מקובלת מתחום המדע והנדסת החומרים לקבוצות חומרים: חומרים קרמיים המכילים יסודות מתכתיים ואל-מתכתיים ומתאפיינים במבנה גבישי; מתכות המתאפיינות גם הן במבנה גבישי אך בהן מספר רב של אלקטרונים הנעים כענן אלקטרונים המשותף לכל האטומים; פולימרים בנויים משרשרות ארוכות של מולקולות המכילות יסודות אל-מתכתיים; חומרים מרוכבים הם מלאכותיים ועשויים מכמה חומרים, כך שהשילוב ביניהם יוצר חומר בעל תכונות משופרות בעבור שימוש מסוים; ומוליכים למחצה הם חומרים שתכונותיהם החשמליות נעות בין הולכה לבידוד בתלות בטמפרטורה ובגורמים נוספים.