Материаловедение: 10 главных идей

Эдриан Саттон

Материаловедение:  
10 главных идей

Concepts of materials 
science

Adrian P. Sutton FRS

Материаловедение: 
10 главных идей

Эдриан Саттон

  

Москва, 2022

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

В книге описываются концепции, которые, по мнению автора, занимают центральное место в науке о материалах. Адриан Саттон, почетный профессор Имперского колледжа Лондона, показывает развитие 
научного подхода в материаловедении от классической термодинамики XVIII века к наноструктурам, метаматериалам и активной материи 
XXI века. На простых моделях объясняются причины стабильности материала, особенности фазовых переходов, влияние дефектов структуры 
и их виды. Просто и доходчиво раскрывается роль квантовой механики 
в 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.
Для изучения ряда тем понадобится знание физики, химии и 
математики на школьном уровне. Книга может использоваться для 
углубленной подготовки магистров и бакалавров естественно-научных 
специальностей.

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

Посвящается памяти моих родителей  
Питера и Берил Саттон

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

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

 
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

Предисловие от издательства

Отзывы и пожелания

Мы всегда рады отзывам наших читателей. Расскажите нам, что вы думаете об этой книге – что понравилось или, может быть, не понравилось. 
Отзывы важны для нас, чтобы выпускать книги, которые будут для вас 
максимально полезны.
Вы можете написать отзыв прямо на нашем сайте www.dmkpress.com, 
зай дя на страницу книги, и оставить комментарий в разделе «Отзывы и 
рецензии». Также можно послать письмо главному редактору по адресу 
dmkpress@gmail.com, при этом напишите название книги в теме письма.
Если есть тема, в которой вы квалифицированы, и вы заинтересованы 
в написании новой книги, заполните форму на нашем сайте по адресу  
http://dmkpress.com/authors/publish_book/ или напишите в издательство по адресу dmkpress@gmail.com.
Список опечаток
Хотя мы приняли все возможные меры для того, чтобы удостовериться 
в качестве наших текстов, ошибки все равно случаются. Если вы найдете 
ошибку в одной из наших книг – возможно, ошибку в тексте или в коде, – 
мы будем очень благодарны, если вы сообщите нам о ней. Сделав это, 
вы избавите других читателей от расстройств и поможете нам улучшить 
последующие версии этой книги.
Если вы найдете какие-либо ошибки в коде, пожалуйста, сообщите о 
них главному редактору по адресу dmkpress@gmail.com, и мы исправим это 
в следую щих тиражах.
Нарушение авторских прав
Пиратство в интернете по-прежнему остается насущной проблемой. 
Издательство «ДМК Пресс» очень серьезно относится к вопросам защиты 
авторских прав и лицензирования. Если вы столкнетесь в интернете с незаконно выполненной копией любой нашей книги, пожалуйста, сообщите нам адрес копии или веб-сайта, чтобы мы могли применить санкции.
Пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу электронной почты dmkpress@
gmail.com со ссылкой на подозрительные материалы.
Мы высоко ценим любую помощь по защите наших авторов, помогающую предоставлять вам качественные материалы.

Об авторе

Получив образование в области материаловедения в Оксфордском 
и Пенсильванском университетах, Эдриан Саттон работал преподавателем в Оксфордском университете, Университете Аалто и Имперском колледже Лондона (Oxford University, Aalto University and 
Imperial College London). Занимаясь фундаментальными аспектами 
науки о материалах, автор как специалист по физике материалов преподавал всю программу бакалавриата. Он консультировал компании 
в США, Японии и Великобритании. Получил стипендию Королевского общест ва в 2003 году. Является основателем Центра Томаса Юнга 
(Thomas Young Centre), Лондонского центра теории и моделирования материалов. Он также был директором-основателем в 2009 году 
Цент ра докторантуры (CDT) по теории и моделированию материалов 
в Имперском колледже, Саттон привлек в материаловедение более 
сотни высококлассных выпускников, специализирующихся в области физики и техники, из Великобритании и других стран. Его книга 
«Переосмысление доктора философии» является необыкновенной 
историей этого признанного CDT. В 2012 году награжден Ректорской 
медалью за выдающиеся заслуги в инновациях и преподавании в Имперском колледже. В 2018 году оставил оплачиваемую работу, чтобы 
сосредоточиться на стипендии, и Имперский колледж присвоил ему 
звание почетного профессора. Он живет в Оксфорде со своей женой 
Пэт Уайт.