Padat

Untuk kegunaan lain, lihat Padat (disambiguasi).

Bentuk kristal tunggal insulin padat.

Padat adalah salah satu dari empat wujud materi fundamental (lainnya adalah cairan, gas, dan plasma). Ia ditandai dengan kekakuan strukturnya dan resistensinya terhadap perubahan bentuk atau volume. Tidak seperti cairan, objek padat tidak mengalir untuk mengambil bentuk seperti wadahnya, tidak pula berekspansi mengisi seluruh volume yang dapat diisi seperti gas. Atom-atom dalam padatan terikat kuat satu sama lain, baik dalam kisi geometri teratur (padatan kristal, yang mencakup logam dan es) maupun tak teratur (padatan amorf seperti kaca jendela pada umumnya).

Cabang ilmu fisika yang berurusan dengan padatan disebut fisika benda padat, dan merupakan cabang utama fisika benda terkondensasi (yang juga meliputi cairan). Perhatian utama ilmu bahan adalah sifat fisika dan kimia padatan. Kimia benda padat fokus pada sintesis bahan baru, dan juga analisis serta komposisi kimia.

Deskripsi mikroskopis

Model atom kemas-rapat dalam padatan kristal.

Atom, molekul atau ion yang menyusun padatan mungkin tertata dalam pola berulang yang teratur, atau tak teratur. Bahan yang konstituennya tertata dalam pola teratur dikenal sebagai kristal. Dalam beberapa hal, penataan teratur dapat terus tak terpatahkan dalam skala besar, misalnya intan, di mana setiap intan merupakan kristal tunggal. Objek padat yang cukup besar untuk dilihat dan ditangani jarang terdiri dari kristal tunggal, tetapi terbuat dari sejumlah besar kristal-kristal tunggal, dikenal sebagai kristalit, yang ukurannya bervariasi mulai beberapa nanometer hingga beberapa meter. Bahan semacam ini disebut polikristal. Hampir semua logam yang sering dijumpai, dan banyak keramik, adalah polikristal.

Representasi skematis bentuk glassy jaringan acak (kiri) dan kisi kristal tertata (kanan) dari komposisi kimia yang identik.

Dalam bahan lain, tidak ada urutan posisi atom jarak jauh. Padatan ini dikenal sebagai padatan amorf; contohnya antara lain polistirena dan kaca.

Padatan, baik kristal maupun amorf, tergantung pada bahan yang terlibat, dan kondisi pembentukannya. Padatan yang terbentuk melalui pendinginan lambat cenderung membentuk kristal, sementara padatan yang didinginkan dengan cepat lebih cenderung berbentuk amorf. Begitu pula, struktur kristal spesifik yang diadopsi oleh padatan kristal bergantung pada bahan yang terlibat dan cara pembentukannya.

Sementara banyak objek, seperti es batu atau koin, secara kimiawi keseluruhannya identik, banyak bahan umum terdiri dari sejumlah zat yang berbeda yang terkemas bersama-sama. Misalnya, batu biasa adalah agregat beberapa mineral dan mineraloid yang berbeda, tanpa komposisi kimia yang spesifik. Kayu adalah bahan organik alami yang komponen utamanya adalah serat selulosa yang tersemat dalam matriks lignin organik. Dalam ilmu bahan, komposit lebih dari satu konstituen bahan dapat dirancang untuk memiliki sifat yang diinginkan.

Klasifikasi padatan

Informasi lebih lanjut: Ikatan dalam padatan

Gaya antara atom-atom dalam padatan dapat mengambil beragam bentuk. Misalnya, kristal natrium klorida (garam biasa) tersusun dari ion natrium dan klor, yang disatukan oleh ikatan ionik. Dalam intan atau silikon, atom-atom berbagi elektron dan membentuk ikatan kovalen. Dalam logam, elektron dimiliki bersama dalam ikatan logam. Beberapa padatan, terutama senyawa organik, disatukan oleh gaya van der Waals yang dihasilkan dari polarisasi muatan awan elektron pada masing-masing molekul. Perbedaan antar jenis padatan adalah hasil dari perbedaan ikatan mereka.

Logam

Artikel utama: Logam

Puncak Chrysler Building New York, bangunan batu bata berpendukung baja tertinggi di dunia, dilapisi dengan baja nirkarat.

Logam biasanya kuat, padat, dan penghantar listrik dan panas yang baik. Sangat banyak unsur dalam tabel periodik, yaitu yang di sebelah kiri garis diagonal maya boron – polonium, adalah logam. Campuran dari dua atau lebih unsur yang komponen utamanya adalah logam dikenal sebagai logam paduan (alloy).

Manusia telah menggunakan logam untuk beragam kegunaan sejak zaman prasejarah. Kekuatan dan keterandalan logam telah mendorong meluasnya penggunaannya dalam konstruksi bangunan dan struktur lainnya, juga dalam sebagian besar kendaraan, banyak perabot dan perkakas, pipa, rambu lalu lintas, dan jalur kereta api. Besi dan aluminium adalah dua logam struktural yang paling umum digunakan, dan keduanya juga merupakan logam paling melimpah pada kerak bumi. Besi paling banyak digunakan dalam bentuk logam paduan, baja, yang mengandung hingga 2,1% karbon, membuatnya jauh lebih keras daripada besi murni.

Oleh karena logam adalah penghantar listrik yang baik, mereka bermanfaat dalam peralatan listrik dan untuk membawa arus listrik jarak jauh dengan hanya sedikit kehilangan atau disipasi energi. Sehingga, jaringan listrik mengandalkan kabel logam untuk mendistribusikan listrik. Sistem listrik hunian, misalnya, menggunakan kabel perunggu karena sifat hantarannya yang baik dan mudah dibuat. Konduktivitas termal yang tinggi untuk sebagian besar logam membuat mereka berguna untuk bagian atas kompor masak.

Studi unsur logam dan paduannya adalah bagian yang signifikan pada bidang kimia benda benda padat, fisika, ilmu bahan, dan rekayasa.

Padatan logam disatukan oleh elektron terdelokalisasi berdensitas tinggi, yang dikenal sebagai "ikatan logam". Dalam sebuah logam, atom mudah kehilangan elektron terluarnya ("valensi"), membentuk ion positif. Elektron bebas berkelana ke seluruh padatan, yang disatukan dengan kuat oleh interaksi elektrostatis antara ion dan awan elektron. Masifnya jumlah elektron bebas membuat logam memiliki konduktivitas listrik dan termal yang tinggi. Elektron bebas juga mencegah transmisi sinar tampak, membuat logam menjadi opak, mengkilat, dan berkilau.

Model sifat logam yang lebih lanjut mempertimbangkan efek inti ion positif terhadap elektron terdelokalisasi. Oleh karena sebagian besar logam memiliki struktur kristal, ion-ion tersebut biasanya tertata dalam kisi periodik. Secara matematis, potensial inti ion dapat diperlakukan dengan beragam model, yang paling sederhana adalah model elektron hampir bebas.

Mineral

Koleksi beragam mineral.

Artikel utama: Mineral

Mineral adalah padatan alami yang terbentuk melalui berbagai proses geologi di bawah tekanan tinggi. Untuk diklasifikasikan sebagai mineral sejati, zat harus memiliki struktur kristal dengan sifat fisik seragam seluruhnya. Komposisi mineral berkisar dari unsur murni dan garam sederhana sampai silikat yang sangat kompleks yang diketahui berada dalam ribuan bentuk. Sebaliknya, sampel batuan adalah agregat acak mineral dan/atau mineraloid, dan tidak memiliki komposisi kimia tertentu. Sebagian besar batuan kerak bumi terdiri dari kuarsa (kristal SiO₂), feldspar, mika, klorit, kaolin, kalsit, epidot, olivin, augit, hornblende, magnetit, hematit, limonit dan beberapa mineral lainnya. Beberapa mineral, seperti kuarsa, mika atau feldspar adalah jamak, sementara yang lainnya hanya ditemukan di beberapa lokasi di seluruh dunia. Kelompok mineral terbesar sejauh ini adalah silikat (kebanyakan batuan adalah ≥95% silikat), yang sebagian besar terdiri dari silicon dan oksigen, dengan penambahan ion aluminium, magnesium, besi, kalsium dan logam lainnya.

Keramik

Bantalan keramik Si₃N₄

Artikel utama: Teknik keramik

Padatan keramik terdiri dari senyawa anorganik, biasanya oksida unsur kimia. Mereka inert secara kimia, dan sering kali mampu menahan erosi kimia yang terjadi di lingkungan asam maupun basa. Keramik umumnya dapat menahan suhu tinggi antara 1.000–1.600 °C (1.830–2.910 °F) (1800 sampai 3000 °F). Pengecualian meliputi bahan anorganik non-oksida, seperti nitrida, borida dan karbida.

Bahan baku keramik tradisional meliputi mineral tanah liat seperti kaolinite, bahan yang lebih baru termasuk aluminium oksida (alumina). Bahan keramik modern, yang tergolong keramik maju, termasuk silikon karbida dan wolfram karbida. Keduanya dihargai karena ketahanan abrasinya, dan oleh karena itu, menemukan penggunaan aplikasinya sebagai pelat penutup peralatan penghancur dalam operasi penambangan.

Sebagian besar bahan keramik, seperti alumina dan senyawanya, terbentuk dari bubuk halus, menghasilkan mikrostruktur polikristal berbutir halus yang dipenuhi dengan pusat hamburan cahaya yang sebanding dengan panjang gelombang cahaya tampak. Dengan demikian, bahan umumnya buram, berlawanan dengan material transparan. Teknologi nano (misalnya sol-gel) terbaru, bagaimanapun, memungkinkan produksi keramik transparan polikristal seperti alumina transparan dan senyawa alumina untuk aplikasi semacam laser berenergi tinggi. Keramik yang lebih maju juga digunakan di industri obat-obatan, listrik dan elektronika.

Teknik keramik adalah ilmu dan teknologi untuk menciptakan bahan, suku cadang, dan peralatan keramik padat. Ini dilakukan melalui aksi panas, maupun pada suhu yang lebih rendah, dengan menggunakan reaksi pengendapan dari larutan kimia. Istilah ini mencakup pemurnian bahan baku, studi dan produksi senyawa kimia yang bersangkutan, formasi mereka menjadi komponen, dan studi mengenai struktur, komposisi dan sifatnya.

Secara mekanis, bahan keramik adalah rapuh, keras, kuat menahan kompresi tapi lemah dalam menahan geseran dan tensi. Bahan rapuh dapat menunjukkan kekuatan tarik yang signifikan dengan mendukung beban statis. Ketangguhan menunjukkan jumlah energi yang dapat diserap material sebelum kegagalan mekanis, sedangkan ketangguhan fraktur (dilambangkan K_Ic) menggambarkan kemampuan material dengan kelemahan mikrostruktur yang melekat untuk menahan fraktur melalui pertumbuhan dan propagasi retak. Jika bahan memiliki nilai ketangguhan fraktur yang besar, prinsip dasar mekanika fraktur menunjukkan bahwa kemungkinan besar ia akan mengalami fraktur elastis. Fraktur rapuh sangat khas dari sebagian besar bahan keramik dan keramik kaca yang biasanya menunjukkan nilai K_Ic yang rendah (dan tidak konsisten).

Sebagai contoh aplikasi keramik, zirkonia yang kekerasannya ekstrim digunakan dalam pembuatan pisau, serta alat pemotong industri lainnya. Keramik seperti alumina, boron karbida dan silikon karbida telah digunakan pada rompi anti peluru untuk mengusir tembakan senapan kaliber besar. Suku cadang silikon nitrida digunakan dalam bantalan bola keramik, di mana kekerasan mereka yang tinggi membuat mereka tahan aus. Secara umum, keramik juga tahan zat kimia dan dapat digunakan di lingkungan basah di mana bantalan baja rentan terhadap oksidasi (atau karat).

Sebagai contoh lain aplikasi keramik, pada awal 1980an, Toyota meneliti produksi mesin keramik adiabatik dengan suhu operasi lebih dari 6.000 °F (3.320 °C). Mesin keramik tidak memerlukan sistem pendingin sehingga memungkinkan pengurangan berat yang besar dan karena itu bahan bakar menjadi lebih efisien. Dalam mesin logam konvensional, sebagian besar energi yang dilepaskan dari bahan bakar harus dihamburkan sebagai limbah panas untuk mencegah melelehnya bagian yang terbuat dari logam. Penelitian juga sedang dilakukan dalam mengembangkan suku cadang keramik untuk mesin turbin gas. Mesin turbin yang terbuat dari keramik dapat beroperasi lebih efisien, sehingga jarak jelajah dan daya angkut pesawat terbang lebih besar untuk jumlah bahan bakar tertentu. Bagaimanapun, mesin semacam ini tidak diproduksi karena kesulitan dan mahalnya biaya pembuatan suku cadang keramik dalam presisi dan durabilitas yang mencukupi. Metode pemrosesan sering kali menghasilkan cacat mikroskopik yang sering kali memiliki peran yang merugikan pada proses penyinteran, yang berakibat pada proliferasi retak, dan puncaknya adalah kegagalan mekanis.

Keramik kaca

Artikel utama: Keramik kaca

Bagian atas kompor yang terbuat dari keramik kaca berkekuatan tinggi dengan ekspansi termal dapat diabaikan.

Bahan keramik kaca berbagi banyak sifat dengan kaca non-kristal maupun dengan keramik kristal. Mereka terbentuk sebagai kaca, dan kemudian terkristalisasi parsial melalui pemanasan, menghasilkan fase kristal dan amorf sehingga benih kristal terperangkap di antara fase intergranular non-kristalin.

Keramik kaca digunakan untuk membuat peralatan memasak (awalnya dikenal dengan merek CorningWare) dan bagian atas kompor yang memiliki ketahanan tinggi terhadap kejutan termal dan permeabilitas cairan yang rendah. Koefisien ekspansi termal fase keramik kristal yang negeatif dapat diseimbangkan dengan koefisien fase kaca yang positif. Pada titik tertentu (~70% kristalin) keramik kaca memiliki koefisien ekspansi termal netto mendekati nol. Keramik kaca jenis ini menunjukkan sifat mekanik yang sangat baik dan dapat menahan perubahan suhu yang cepat dan berulang hingga 1000 °C.

Keramik kaca juga dapat terjadi secara alami ketika petir menyambar benih kristal (misalnya kuarsa) yang banyak dijumpai pada sebagian besar pasir pantai. Dalam kasus ini, pemanasan ekstrim dan cepat dari petir (~2500 °C) menciptakan struktur berongga, bercabang seperti akar, yang disebut fulgurit melalui pelelehan.

Padatan organik

Artikel utama: Kimia organik

Sampel serat bubur kayu, diameter sekitar 10 µm.

Kimia organik mempelajari struktur, sifat, komposisi, reaksi, dan preparasi melalui sintesis (atau cara lain) senyawa kimia karbon dan hidrogen, yang dapat mengandung sejumlah unsur kimia lain seperti nitrogen, oksigen dan halogen: fluor, klor, brom dan iodium. Beberapa senyawa organik dapat mengandung unsur fosforus atau belerang. Contoh padatan organik antara lain kayu, parafin, naftalena serta beraneka ragam polimer dan plastik.

Kayu

Artikel utama: Kayu

Kayu adalah bahan organik alami yang kandungan utamanya adalah serat selulosa yang tertanam dalam matriks lignin. Sesuai sifat mekanisnya, serat memiliki kekuatan tekanan, dan matriks lignin tahan terhadap kompresi. Oleh karena itu, kayu telah menjadi bahan konstruksi penting sejak manusia membangun pondok dan menggunakan perahu. Kayu yang digunakan untuk pekerjaan konstruksi umumnya dikenal sebagai kayu gelondongan. Pada konstruksi, kayu tidak hanya bahan struktural, tetapi juga digunakan untuk membentuk cetakan beton.

Bahan berbasis kayu juga banyak digunakan untuk kemasan (misalnya cardboard) dan kertas yang keduanya dibuat dari bubur kertas. Proses pembuburan kimia menggunakan kombinasi suhu tinggi dan bahan kimia basa (kraft) atau asam (sulfit) untuk memutus ikatan kimia lignin sebelum dibakar.

Polimer

Citra STM rantai supramolekul swasusun (self-assembly) dari semikonduktor organik quinakridon pada grafit.

Artikel utama: Polimer

Salah satu sifat penting karbon dalam kimia organik adalah senyawa ini dapat membentuk senyawa tertentu, molekul individunya mampu menempel satu sama lain, sehingga membentuk rantai atau jaringan. Prosesnya disebut polimerisasi dan polimer rantai atau jaringan, sedangkan senyawa sumbernya adalah monomer. Terdapat dua kelompok polimer utama: yang diproduksi secara artifisial disebut sebagai polimer industri atau polimer sintetis (plastik) dan yang terjadi secara alami sebagai biopolimer.

Monomer dapat memiliki berbagai substituen kimia, atau gugus fungsional, yang dapat mempengaruhi sifat kimia senyawa organik, seperti kelarutan dan reaktivitas kimia, serta sifat fisik, seperti kekerasan, densitas, kekuatan mekanis atau tarik, ketahanan abrasi, ketahanan panas, transparansi, warna, dll. Dalam protein, perbedaan ini memberi polimer kemampuan untuk menerapkan konformasi aktif secara biologis dalam preferensi pada protein lainnya (lihat swasusun).

Peralatan rumah tangga yang terbuat dari berbagai jenis plastik.

Orang telah menggunakan polimer organik alami selama berabad-abad dalam bentuk lilin dan gom lak yang diklasifikasikan sebagai polimer termoplastik. Sebuah polimer tanaman yang disebut selulosa memberikan kekuatan tarik untuk serat dan tali alami, dan pada awal abad ke-19, karet alam banyak digunakan. Polimer adalah bahan baku (resin) yang digunakan untuk membuat apa yang sering disebut plastik. Plastik adalah produk akhir, dibuat setelah satu atau lebih polimer atau aditif telah ditambahkan pada resin selama pemrosesan, yang kemudian dibentuk menjadi bentuk akhir. Polimer yang telah beredar, dan yang saat ini digunakan secara luas, termasuk yang berbasis karbon: polietilena, polipropilena, polivinil klorida, polistirena, nilon, poliester, akrilik, poliuretan, dan polikarbonat, serta yang berbasis silikon: silikone. Plastik umumnya diklasifikasikan sebagai plastik "komoditas", "khusus" dan "teknik".

Bahan komposit

Simulasi bagian luar pesawat ulang alik ketika mengalami pemanasan hingga lebih dari 1500 °C saat memasuki atmosfer.

Anyaman filamen serat karbon, unsur yang umum dalam bahan komposit.

Artikel utama: Bahan komposit

Bahan komposit mengandung dua atau lebih fase makroskopik, yang sering kali berupa keramik. Misalnya, matriks kontinu, dan fase terdispersi partikel keramik atau serat.

Aplikasi bahan komposit berkisar dari elemen struktural seperti beton bertulang baja, hingga ubin insulasi termal yang memainkan peran kunci dan integral dalam sistem perlindungan panas pesawat ulang alik NASA yang digunakan untuk melindungi permukaan pesawat ulang-alik dari panas saat memasuki kembali atmosfer bumi. Salah satu contohnya adalah Reinforced carbon-carbon (RCC), bahan abu-abu terang yang tahan suhu masuk kembali sampai 1.510 °C (2.750 °F) dan melindungi ujung terdepan tutup moncong dan sayap pesawat ulang alik. RCC adalah bahan komposit laminasi yang terbuat dari kain rayon grafit dan diresapi dengan resin fenol formaldehida. Setelah dipulihkan pada suhu tinggi dalam autoklaf, laminasi tersebut dipirolisis untuk mengubah resin menjadi karbon, diimpregnasi dengan alkohol furfural dalam vakum, dan dipulihkan/dipirolisis untuk mengubah alkohol furfural menjadi karbon. Untuk memberikan ketahanan oksidasi untuk kemampuan penggunaan kembali, lapisan luar RCC dikonversi menjadi silikon karbida.

Contoh komposit domestik dapat dilihat pada selubung "plastik" dari perangkat televisi, telepon seluler dan sebagainya. Selubung plastik ini biasanya terdiri dari komposit yang terdiri dari matriks termoplastik seperti akrilonitril butadiena stirena (ABS) di mana kapur kalsium karbonat, talk, serat kaca atau serat karbon telah ditambahkan untuk dispersi kekuatan, curah, atau elektro-statis. Penambahan ini dapat disebut sebagai serat penguat, atau dispersan, tergantung pada tujuannya.

Dengan demikian, bahan matriks mengelilingi dan mendukung bahan penguatan dengan mempertahankan posisi relatifnya. Penguatan memberi sifat mekanik dan fisik spesial untuk meningkatkan sifat matriks. Sinergisme menghasilkan sifat material yang tidak tersedia pada masing-masing bahan penyusunnya, sedangkan beragam bahan matriks dan penguatan memberi perancang pilihan kombinasi yang optimal.

Semikonduktor

Chip semikonduktor pada substrat kristal silikon.

Artikel utama: Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan yang memiliki tahanan (dan konduktivitas) listrik antara konduktor logam dan isolator non-logam. Mereka dapat dijumpai pada tabel periodik mulai dari boron ditarik diagonal ke kanan. Mereka memisahkan konduktor listrik (atau logam, di sebelah kiri) dengan isolator (di sebelah kanan).

Perangkat yang terbuat dari bahan semikonduktor adalah pondasi elektronik modern, termasuk radio, komputer, telepon, dll. Perangkat semikonduktor meliputi transistor, sel surya, dioda dan sirkuit terpadu. Panel surya fotovoltaik adalah perangkat semikonduktor besar yang secara langsung mengubah cahaya menjadi energi listrik.

Dalam sebuah konduktor logam, arus dibawa oleh "aliran elektron", namun pada semikonduktor, arus dapat dilakukan baik oleh elektron atau oleh "lubang" bermuatan positif dalam struktur pita elektron bahan. Bahan umum semikonduktor meliputi silikon, germanium dan galium arsenida.

Nanomaterial

Artikel utama: Nanoteknologi

Silikon curah (kiri) dan serbuknano silikon (kanan).

Banyak padatan tradisional menunjukkan sifat yang berbeda saat mereka mengecil ke ukuran nanometer. Sebagai contoh, emas yang biasanya kuning, dan silikon yang biasanya abu-abu, menjadi berwarna merah; nanopartikel emas meleleh pada suhu yang jauh lebih rendah (~300 °C dengan ukuran 2,5 nm) daripada lempengan emas (1064 °C); dan logam kawat nano jauh lebih kuat daripada logam curahnya. Luas permukaan nanopartikel yang besar membuatnya sangat menarik untuk aplikasi tertentu di bidang energi. Sebagai contoh, logam platina dapat memberikan peningkatan sebagai katalis bahan bakar otomotif, serta membran pertukaran proton (proton exchange membrane, PEM) sel bahan bakar. Juga, oksida keramik (atau sermet) lantanum, serium, mangan dan nikel sekarang sedang dikembangkan sebagai sel bahan bakar oksida padat (solid oxide fuel cell, SOFC). Nanopartikel litium, litium–titanat dan tantalum sedang diterapkan pada baterai ion litium. Nanopartikel silikon telah terbukti secara dramatis memperluas kapasitas penyimpanan baterai ion litium selama siklus ekspansi/kontraksi. Silikon kawat nano memiliki siklus tanpa degradasi yang signifikan dan sekarang berpotensi untuk digunakan dalam baterai dengan waktu penyimpanan yang sangat diperluas. Nanopartikel silikon juga digunakan dalam bentuk baru sel energi surya. Deposisi film tipis titik kuantum silikon pada substrat silikon polikristalin sel fotovoltaik (surya) meningkatkan output tegangan sebesar 60% dengan cara memendarkan cahaya masuk sebelum ditangkap. Lagi-lagi, luas permukaan nanopartikel (dan film tipis) memainkan peran penting dalam memaksimalkan jumlah radiasi yang diserap.

Biomaterial

Artikel utama: Biomaterial

Serat kolagen pada tulang beranyam.

Banyak bahan alami (atau biologis) adalah komposit kompleks dengan sifat mekanik yang luar biasa. Struktur kompleks ini, yang telah muncul dari ratusan juta tahun evolusi, adalah bahan inspirasi para ilmuwan dalam merancang bahan baru. Karakteristik mereka yang menentukan meliputi hierarki struktural, multifungsi dan kemampuan swasembuh (self-healing). Swakelola (self-organisation) juga merupakan ciri mendasar dari banyak bahan biologis dan cara pembentukan struktur dari tingkat molekuler. Dengan demikian, swasusun muncul sebagai strategi baru dalam sintesis kimia biomaterial berkinerja tinggi.

Sifat fisika

Sifat fisika unsur dan senyawa yang memberikan bukti konklusif komposisi kimia meliputi bau, warna, volume, densitas (massa per satuan volume), titik leleh, titik didih, kapasitas panas, bentuk fisik dan wujud pada suhu kamar (padat, cair atau gas, kubik, kristal trigonal, dll.), kekerasan, porositas, indeks bias dan banyak lainnya. Bagian ini membahas beberapa sifat fisika bahan dalam wujud padat.

Mekanis

Pembentukan batuan granit di Chilean Patagonia. Seperti kebanyakan mineral anorganik yang terbentuk melalui oksidasi dalam atmosfer Bumi, kandungan utama granit adalah kristal silika SiO₂ dan alumina Al₂O₃.

Sifat mekanis bahan menggambarkan karakteristik seperti kekuatan dan ketahanannya terhadap deformasi. Sebagai contoh, balok baja digunakan dalam konstruksi karena kekuatannya yang tinggi, yang berarti bahwa keduanya tidak pecah atau ditekuk secara signifikan di bawah beban yang diterapkan.

Sifat mekanis meliputi elastisitas dan plastisitas, kekuatan tarik, kekuatan tekan, kekuatan geser, ketahanan patah, keuletan (rendah pada bahan rapuh), dan kekerasan indentasi. Mekanika zat padat adalah studi tentang perilaku benda padat di bawah tindakan eksternal seperti kekuatan eksternal dan perubahan suhu.

Padatan tidak menunjukkan aliran makroskopis, seperti fluida. Setiap derajat penyimpangan dari bentuk aslinya disebut deformasi. Proporsi deformasi terhadap ukuran aslinya disebut regangan (strain). Jika diterapkan tegangan (stres) yang cukup rendah, hampir semua bahan padat berperilaku sedemikian rupa sehingga regangan berbanding lurus dengan tegangan (hukum Hooke). Koefisien proporsinya disebut modulus elastisitas atau modulus Young. Daerah deformasi ini dikenal sebagai daerah elastis linier. Tiga model dapat menggambarkan bagaimana padatan merespon terhadap tekanan yang diterapkan:

• Elastisitas – Bila tegangan yang diterapkan dilepaskan, bahan kembali ke keadaannya yang tidak terdeformasi.
• Viskoelastisitas – Bahan ini berperilaku elastis, tapi juga memiliki redaman. Bila tegangan yang diterapkan dilepaskan, kerja harus dilakukan terhadap efek redaman dan diubah menjadi panas di dalam material. Hal ini menghasilkan simpal (loop) histeresis pada kurva tegangan-regangan. Ini menyiratkan bahwa respons mekanik bergantung pada waktu.
• Plastisitas - Bahan yang berperilaku elastis umumnya elastis bila tekanan yang diterapkan kurang dari ambang batasnya. Bila tegangan lebih besar dari ambang batasnya, bahan berperilaku plastis dan tidak kembali ke keadaan semula. Artinya, deformasi plastis ireversibel (atau aliran kental) terjadi setelah hasil yang bersifat permanen.

Banyak bahan menjadi lemah pada suhu tinggi. Bahan yang dapat mempertahankan kekuatannya pada suhu tinggi, disebut bahan refraktori, yang bermanfaat untuk banyak tujuan. Sebagai contoh, keramik kaca telah banyak sekali digunakan untuk alas masak, karena mereka menunjukkan sifat mekanis yang luar biasa dan dapat menahan perubahan suhu yang cepat dan berulang hingga 1000 °C. Dalam industri dirgantara, bahan berkinerja tinggi yang digunakan dalam rancangan eksterior pesawat dan/atau wahana luar angkasa harus memiliki ketahanan terhadap kejutan termal. Oleh karena itu, serat menggantikan polimer organik dan bahan komposit polimer/keramik/logam serta polimer bertulang serat sekarang sedang dirancang dengan tujuan ini.

Termal

Moda normal vibrasi atom dalam padatan kristal.

Oleh karena padatan memiliki energi termal, atom-atom mereka bervibrasi di sekitar posisi yang tetap di dalam kisi tertata (atau tak tertata). Spektrum vibrasi kisi dalam jaringan kristal atau kaca menyediakan dasari untuk teori kinetika padatan. Gerak ini terjadi pada level atom, sehingga tidak dapat diamati atau dideteksi tanpa peralatan yang memadai, seperti yang digunakan dalam spektroskopi.

Sifat termal padatan meliputi konduktivitas termal, yaitu sifat bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. Padatan juga mempunyai kapasitas panas spesifik, yaitu kapasitas suatu bahan untuk menyimpan energi dalam bentuk panas (atau vibrasi kisi termal).

Listrik

Video levitasi superkonduksi dari YBCO.

Sifat listrik mencakup konduktivitas, tahanan, impedansi dan kapasitansi. Konduktor listrik seperti logam dan logam paduan berlawanan sifat dengan insulator listrik seperti kaca dan keramik. Semikonduktor berperilaku di antara keduanya. Sementara konduktivitas dalam logam disebabkan oleh elektron, elektron dan lubang-lubang berkontribusi terhadap arus dalam semikonduktor. Dengan kata lain, ion mendukung arus listrik dalam konduktor ionik.

Banyak bahan juga menunjukkan superkonduktivitas pada suhu rendah; mereka meliputi unsur logam seperti timah dan aluminium, berbagai paduan logam, beberapa semikonduktor yang didoping, dan keramik tertentu. Resistivitas listrik dari sebagian besar konduktor (logam) listrik umumnya menurun secara bertahap seiring dengan penurunan suhu, tetapi tetap terbatas. Namun dalam superkonduktor, tahanan listrik anjlok ke nol ketika bahan didinginkan di bawah suhu kritisnya. Arus listrik mengalir dalam suatu lingkaran kabel superkonduksi dapat terjadi tak terhingga tanpa sumber daya listrik.

Dielektrik, atau insulator listrik, adalah zat yang sangat resisten terhadap aliran arus listrik. Dielektrik, seperti plastik, cenderung memusatkan medan listrik yang diaplikasikan di dalam dirinya sendiri yang sifat ini digunakan pada kapasitor. Sebuah kapasitor adalah perangkat listrik yang dapat menyimpan energi dalam medan listrik antara sepasang konduktor yang berjarak sangat dekat (disebut 'pelat'). Ketika voltase diaplikasikan pada kapasitor, muatan listrik yang sama besarnya, tapi berlawanan polaritasnya, termuat pada masing-masing pelat. Kapasitor digunakan dalam sirkuit listrik sebagai perangkat penyimpan energi, serta filter elektronik untuk membedakan antara sinyal frekuensi tinggi dan frekuensi rendah.

Elektro-mekanis

Piezoelektrisitas adalah kemampuan kristal untuk menghasilkan tegangan listrik sebagai respons terhadap tegangan mekanik yang diterapkan. Efek piezoelektrik bersifat reversibel dalam kristal piezoelektrik, bila dikenai tegangan eksternal, dapat berubah bentuk dalam jumlah kecil. Bahan polimer seperti karet, wol, rambut, serat kayu, dan sutra sering berperilaku seperti elektret. Sebagai contoh, polimer polivinilidena fluorida (PVDF) menunjukkan respons piezoelektrik beberapa kali lebih besar daripada bahan piezoelektrik tradisional kuarsa (kristal SiO₂). Deformasi (~0,1%) cocok untuk aplikasi teknis yang berguna seperti sumber tegangan tinggi, pengeras suara, laser, serta sensor kimia, biologis, dan sensor akustik optik dan/atau transduser.

Optik

Bahan dapan meneruskan sinar tampak (misalnya kaca) atau memantulkannya (misalnya logam).

Banyak bahan akan meneruskan beberapa panjang gelombang dan menahan panjang gelombang lainnya. Sebagai contoh, kaca jendela bersifat transparan terhadap sinar tampak, tetapi juga juga berlaku untuk frekuensi sinar ultraviolet yang dapat menyebabkan kulit tersengat matahari. Sifat ini digunakan untuk filter optik selektif frekuensi, yang dapat mengubah warna cahaya yang diteruskan.

Untuk beberapa tujuan, sifat optik dan mekanik suatu bahan menjadi daya tarik. Misalnya, sensor pada rudal berpanduan inframerah ("rudal pencari panas") harus dilindungi oleh penutup yang transparan terhadap radiasi inframerah. Bahan pilihan untuk kubah rudal inframerah berkecepatan tinggi saat ini adalah kristal tunggal safir. Transmisi optik safir tidak benar-benar mencakup keseluruhan rentang inframerah-sedang (3–5 µm), namun mulai turun pada panjang gelombang lebih besar dari sekitar 4,5 µm pada suhu ruang. Meskipun kekuatan safir lebih unggul pada suhu kamar daripada bahan kubah inframerah-sedang lainnya yang tersedia, kekuatan safir melemah di atas suhu 600 °C. Sudah sejak lama dilakukan kompromi antara transparansi optik dan durabilitas mekanis; bahan baru seperti keramik transparan atau nanokomposit optik dapat meningkatkan kinerja.

Transmisi berpandu gelombang cahaya melibatkan bidang serat optik dan kemampuan kaca tertentu untuk mentransmisikan, bersamaan dengan tingkat kehilangan yang rendah, rentang frekuensi (gelombang panduan optik multi moda) dengan sedikit gangguan di antara keduanya. Optik berpandu gelombang digunakan sebagai komponen dalam rangkaian optik terpadu atau sebagai media transmisi dalam sistem komunikasi optik.

Opto-elektronik

Artikel utama: Sel surya

Sel surya atau sel fotovoltaik adalah alat yang mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Pada dasarnya, perangkat hanya perlu memenuhi dua fungsi: pembangkitan sinar pembawa muatan (elektron dan lubang) dalam bahan penyerap cahaya, dan pemisahan pembawa muatan ke kontak konduktif yang akan mengirimkan listrik (cukup letakkan, membawa elektron melalui kontak logam menuju sirkuit eksternal). Konversi ini disebut efek fotolistrik, dan bidang penelitian yang terkait dengan sel surya dikenal sebagai fotovoltaik.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka telah lama digunakan dalam situasi di mana daya listrik dari jaringan tidak tersedia, seperti di daerah terpencil, satelit yang mengorbit Bumi dan kapsul ruang angkasa, kalkulator genggam, arloji, radio telepon jarak jauh dan aplikasi pompa air. Baru-baru ini, mereka mulai digunakan pada perakitan modul surya (deret fotovoltaik) yang terhubung ke jaringan listrik melalui inverter, yang bukan untuk satu-satunya pasokan tetapi sebagai sumber listrik tambahan.

Semua sel surya memerlukan bahan penyerap cahaya yang terkandung di dalam struktur sel untuk menyerap foton dan menghasilkan elektron melalui efek fotovoltaik. Bahan yang digunakan dalam sel surya cenderung memiliki sifat menyerap panjang gelombang cahaya matahari yang mencapai permukaan bumi. Namun, beberapa sel surya juga dioptimalkan untuk penyerapan cahaya di luar atmosfer bumi.

Pranala luar

• Wiki on equipment for handling and processing Bulk Solids