材料科学

材料科学は、材料の研究と発見を行う学際的な分野です。材料工学は、他の分野や産業における材料の用途を見つける 工学分野です。

材料科学の知的起源は啓蒙時代に遡り、研究者は化学、物理学、工学の分析的思考を用いて冶金学や鉱物学における古代の現象学的観察を理解し始めた。^{[1] [2]}材料科学は今でも物理学、化学、工学の要素を取り入れている。そのため、この分野は長い間、学術機関ではこれらの関連分野のサブフィールドとみなされてきた。1940年代から、材料科学は科学と工学の特定の独立した分野としてより広く認識されるようになり、世界中の主要な工科大学が材料科学の研究のための専門学校を設立した。

材料科学者は、材料の履歴（処理）が材料の構造、ひいては材料の特性と性能にどのように影響するかを理解することを重視しています。処理 - 構造 - 特性の関係を理解することは、材料パラダイムと呼ばれます。このパラダイムは、ナノテクノロジー、生体材料、冶金学など、さまざまな研究分野での理解を深めるために使用されます。

材料科学は、法医学工学や故障解析においても重要な部分を占めており、 故障したり、意図したとおりに機能しなかったりして、人身傷害や財産損害を引き起こした材料、製品、構造、部品を調査します。このような調査は、たとえば、さまざまな航空事故やインシデントの原因を理解するための鍵となります。

ある時代の選択された材料は、しばしば定義ポイントとなる。石器時代、青銅器時代、鉄器時代、鉄鋼時代などの段階は、恣意的ではあっても歴史的な例である。もともと陶磁器の製造とその派生である冶金学から派生した材料科学は、最古の形式の工学および応用科学の 1 つである。^{[3]現代の材料科学は}冶金学から直接発展したもので、冶金学自体も火の使用から発展した。材料の理解における大きな進歩は、19 世紀後半にアメリカの科学者ジョサイア・ウィラード・ギブスが、さまざまな相の原子構造に関連する熱力学的特性が材料の物理的特性と関連していることを実証したときに起こった。 ^[4]現代の材料科学の重要な要素は、宇宙開発競争、つまり宇宙探査を可能にする宇宙船の建造に使用される金属合金、シリカおよび炭素材料の理解と工学の産物であった。材料科学は、ゴム、プラスチック、半導体、生体材料などの革命的な技術の開発を推進し、またそれらの開発に推進されてきた。

1960 年代以前 (場合によっては数十年後も)、材料科学の学科の多くは冶金学またはセラミックス工学の学科であり、19 世紀および 20 世紀初頭の金属とセラミックスの重視を反映していました。米国における材料科学の成長は、1960 年代初頭に「材料科学の基礎研究とトレーニングの国家プログラムを拡大する」ために一連の大学主催の研究所に資金を提供した高等研究計画局によって部分的に促進されました。 ^[5]機械工学と比較すると、初期の材料科学分野は、マクロレベルから材料に対処することと、ミクロレベルでの挙動の知識に基づいて材料を設計するというアプローチに重点を置いていました。^[6]原子と分子のプロセス間のつながりと材料の全体的な特性に関する知識が拡大したため、材料の設計は特定の望ましい特性に基づいて行われるようになりました。^[6]材料科学分野はそれ以来、セラミックス、ポリマー、半導体、磁性材料、生体材料、ナノ材料など、あらゆる種類の材料を包含するように拡大され、一般的にはセラミックス、金属、ポリマーの3つの異なるグループに分類されています。ここ数十年の材料科学における顕著な変化は、新しい材料の発見、特性の予測、現象の理解のためにコンピューターシミュレーションが積極的に活用されていることです。

材料とは、特定の用途に使用することを意図した物質（ほとんどの場合は固体だが、他の凝縮相も含まれる）と定義されます。^[7]私たちの周囲には無数の材料があり、あらゆる ものに存在します。 ^[8]開発中の新しい先進材料には、ナノ材料、生体材料、^[9]エネルギー材料などがあります。 ^[10]

材料科学の基礎は、材料の構造、その材料を製造するための処理方法、および結果として生じる材料特性の相互作用を研究することです。これらの複雑な組み合わせにより、特定の用途における材料の性能が決まります。構成化学元素、微細構造、処理によるマクロ的な特徴など、さまざまな長さスケールにわたる多くの特徴が材料の性能に影響します。材料科学者は、熱力学と動力学の法則とともに、材料を理解し、改善することを目指しています。

構造は、材料科学の分野で最も重要な要素の 1 つです。この分野の定義は、まさに「材料の構造と特性の間に存在する関係」の調査に関係しています。^[11]材料科学は、原子スケールからマクロスケールまで、材料の構造を調べます。^[3] 特性評価は、材料科学者が材料の構造を調べる方法です。これには、X 線、電子、中性子による回折、ラマン分光法、エネルギー分散分光法、クロマトグラフィー、熱分析、電子顕微鏡分析など のさまざまな形式の分光法と化学分析などの方法が含まれます。

構造は以下のレベルで学習されます。

原子構造は、物質の原子と、それらがどのように配置されて分子や結晶などが形成されるかを扱います。物質の電気的、磁気的、化学的特性の多くは、このレベルの構造から生じます。関係する長さのスケールはオングストローム ( Å ) です。化学結合と原子配列 (結晶学) は、あらゆる物質の特性と動作を研究する上で基礎となります。

材料科学者は、材料構造とその特性の関係を完全に理解するために、さまざまな原子、イオン、分子がどのように配置され、互いに結合しているかを研究する必要があります。これには、量子化学または量子物理学の研究と使用が含まれます。固体物理学、固体化学、物理化学も、結合と構造の研究に関係しています。

結晶学は、結晶固体中の原子の配列を調べる科学です。結晶学は材料科学者にとって便利なツールです。材料の結晶構造に関する基本的な概念の 1 つに、単位格子があります。単位格子は、マクロな結晶構造を構成するために繰り返される結晶格子 (空間格子) の最小単位です。最も一般的な構造材料には、平行六面体格子と六方格子があります。^[13]単結晶では、結晶の自然な形が原子構造を反映しているため、原子の結晶配列の影響をマクロ的に簡単に見ることができます。さらに、物理的特性は多くの場合、結晶欠陥によって制御されます。結晶構造を理解することは、結晶学的欠陥を理解するための重要な前提条件です。結晶欠陥の例には、エッジ、スクリュー、空孔、自己格子間原子などの転位があり、線状、平面状、3 次元状の欠陥があります。^[14]開発中の新しい先進材料には、ナノ材料、生体材料などがあります。^[15]ほとんどの場合、物質は単結晶としてではなく、異なる配向を持つ小さな結晶または粒子の集合体である多結晶の形で存在します。このため、多数の結晶を含む多結晶サンプルの回折パターンを使用する粉末回折法は、構造決定において重要な役割を果たします。ほとんどの物質は結晶構造を持っていますが、いくつかの重要な物質は規則的な結晶構造を示さない場合があります。^[16] ポリマーはさまざまな程度の結晶化度を示し、多くは完全に非結晶です。ガラス、一部のセラミックス、および多くの天然物質は非晶質であり、原子配列に長距離秩序を持ちません。ポリマーの研究では、化学熱力学と統計熱力学の要素を組み合わせて、物理的特性の熱力学的および機械的説明を行います。

原子や分子がナノスケールの構成要素を形成する（つまり、ナノ構造を形成する）材料は、ナノ材料と呼ばれます。ナノ材料は、その独特の特性により、材料科学コミュニティで熱心に研究されています。

ナノ構造は、1～100nmの範囲の物体や構造を扱います。^[17] 多くの材料では、原子や分子が凝集してナノスケールの物体を形成します。これにより、多くの興味深い電気的、磁気的、光学的、機械的特性が生じます。

ナノ構造を記述する際には、ナノスケール上の次元の数を区別する必要があります。

ナノテクスチャ表面はナノスケールの1 つの次元を持ちます。つまり、物体の表面の厚さのみが 0.1 ～ 100 nm です。

ナノチューブはナノスケールで2 つの次元を持ちます。つまり、チューブの直径は 0.1 ～ 100 nm ですが、長さはこれよりはるかに長くなる可能性があります。

最後に、球状ナノ粒子はナノスケールで3 つの次元を持ちます。つまり、粒子は各空間次元で 0.1 ～ 100 nm です。ナノ粒子と超微粒子(UFP) という用語は、UFP がマイクロメートルの範囲に達することがあるにもかかわらず、しばしば同義語として使用されます。磁気技術を指す場合、「ナノ構造」という用語がよく使用されます。生物学におけるナノスケール構造は、しばしば超構造と呼ばれます。

微細構造は、25倍以上の倍率の顕微鏡で観察される、材料の表面または薄い箔の構造として定義されます。100nmから数cmまでの対象物を扱います。材料の微細構造（金属、ポリマー、セラミック、複合材料に大別できます）は、強度、靭性、延性、硬度、耐食性、高温/低温挙動、耐摩耗性などの物理的特性に大きな影響を与える可能性があります。^[18]従来の材料（金属やセラミックなど）のほとんどは微細構造になっています。

物質の完全な結晶を製造することは物理的に不可能です。例えば、あらゆる結晶物質には、析出物、粒界（ホール・ペッチ関係）、空孔、格子間原子、置換原子などの欠陥が含まれます。^[19]物質の微細構造はこれらの大きな欠陥を明らかにし、シミュレーションの進歩により、欠陥をどのように利用して物質特性を向上させることができるかについての理解が深まりました。

マクロ構造とは、ミリメートルからメートルのスケールでの材料の外観であり、肉眼で見た材料の構造です。

材料は、以下を含むさまざまな特性を示します。

• 機械的性質については、材料強度を参照
• 化学的性質については、化学を参照
• 電気的特性については、電気を参照してください。
• 熱特性については、熱力学を参照
• 光学特性については光学とフォトニクスを参照
• 磁気特性については磁性を参照

材料の特性によってその有用性が決まり、その結果としてエンジニアリングへの応用も決まります。

合成と加工には、望ましいマイクロナノ構造を持つ材料の作成が含まれます。経済的に実行可能な生産方法が開発されていない場合、材料を産業で使用することはできません。したがって、合理的に効果的でコスト効率の高い材料の加工方法を開発することは、材料科学の分野にとって不可欠です。異なる材料には異なる加工または合成方法が必要です。たとえば、金属の加工は歴史的に青銅器時代や鉄器時代などの時代を定義しており、物理冶金と呼ばれる材料科学の分野で研究されています。化学的および物理的方法は、ポリマー、セラミック、半導体、薄膜などの他の材料の合成にも使用されます。21世紀初頭の時点で、グラフェンなどのナノ材料を合成するための新しい方法が開発されています。^[20]

熱力学は、熱と温度、およびそれらのエネルギーと仕事との関係を扱っています。熱力学では、内部エネルギー、エントロピー、圧力など、物質や放射線の集合を部分的に説明するマクロ変数を定義します。これらの変数の挙動は、すべての物質に共通する一般的な制約の影響を受けるとしています。これらの一般的な制約は、熱力学の 4 つの法則で表現されます。熱力学は、物体のバルク挙動を説明するものであり、分子など、非常に多数のミクロな構成要素のミクロな挙動を説明するものではありません。これらのミクロな粒子の挙動は統計力学によって説明され、熱力学の法則は統計力学から派生しています。

熱力学の研究は材料科学の基礎であり、化学反応、磁性、分極率、弾性など、材料科学と工学における一般的な現象を扱うための基礎を形成します。^{[21]熱力学は、}相図などの基本的なツールや相平衡などの概念を説明します。

化学反応速度論は、平衡状態から外れたシステムがさまざまな力の影響下で変化する速度を研究する学問です。材料科学に応用される場合、特定の場の適用により、物質が時間とともにどのように変化するか（非平衡状態から平衡状態に移行するか）を扱います。形状、サイズ、組成、構造など、物質内で発生するさまざまなプロセスの速度を詳細に説明します。拡散は、物質が変化する最も一般的なメカニズムであるため、反応速度論の研究において重要です。^[22]反応速度論は、とりわけ、熱の適用によって微細構造がどのように変化するかを詳細に説明できるため、材料の処理に不可欠です。

材料科学は非常に活発な研究分野です。材料科学部門とともに、物理学、化学、そして多くの工学部門が材料研究に携わっています。材料研究は幅広いトピックをカバーしており、次の非網羅的なリストはいくつかの重要な研究分野を取り上げています。

ナノマテリアルとは、原則として、単一ユニットのサイズが（少なくとも一次元で）1～1000ナノメートル（10 ⁻⁹メートル）である材料を指しますが、通常は1～100 nmです。ナノマテリアル研究では、微細加工研究を支援するために開発された材料計測学と合成の進歩を活用し、ナノテクノロジーに対して材料科学に基づくアプローチを採用しています。ナノスケールの構造を持つ材料は、多くの場合、独自の光学的、電子的、または機械的特性を持っています。ナノマテリアルの分野は、従来の化学分野と同様に、フラーレンなどの有機（炭素ベース）ナノマテリアルと、シリコンなどの他の元素に基づく無機ナノマテリアルに大まかに分類されています。ナノマテリアルの例には、フラーレン、カーボンナノチューブ、ナノ結晶など があります。

生体材料とは、生物系と相互作用する物質、表面、または構造のことです。^[23]生体材料科学には、医学、生物学、化学、組織工学、材料科学の要素が含まれます。

生体材料は、自然界から採取することも、金属成分、ポリマー、バイオセラミックス、複合材料などさまざまな化学的手法を用いて研究室で合成することもできます。生体材料は、自然の機能を実行、増強、または置き換える生物医学的デバイスなどの医療用途を意図または適応させることがよくあります。そのような機能は、心臓弁に使用されるように良性である場合もあれば、ハイドロキシアパタイトでコーティングされた股関節インプラントのように、より相互作用的な機能を持つ生物活性である場合もあります。生体材料は、歯科用途、手術、薬物送達にも毎日使用されています。たとえば、医薬品を含浸させた構造物を体内に配置すると、長期間にわたって薬物を持続的に放出することができます。生体材料は、臓器移植材料 として使用される自家移植片、同種移植片、または異種移植片である場合もあります。

半導体、金属、セラミックは現在、集積電子回路、光電子デバイス、磁気および光大容量記憶媒体などの非常に複雑なシステムを形成するために使用されています。これらの材料は現代のコンピューティングの世界の基盤を形成しているため、これらの材料の研究は極めて重要です。

半導体は、この種の材料の伝統的な例です。半導体は、導体と絶縁体の中間の特性を持つ材料です。半導体の電気伝導性は不純物の濃度に非常に敏感で、ドーピングを使用することで望ましい電子特性を実現できます。そのため、半導体は従来のコンピューターの基礎を形成しています。

この分野には、超伝導材料、スピントロニクス、メタマテリアルなどの新しい研究領域も含まれます。これらの材料の研究には、材料科学と固体物理学または凝縮物質物理学の知識が必要です。

計算能力の継続的な向上により、材料の挙動をシミュレートすることが可能になった。これにより、材料科学者は挙動とメカニズムを理解し、新しい材料を設計し、以前は十分に理解されていなかった特性を説明できるようになった。統合計算材料工学を取り巻く取り組みは現在、計算手法と実験を組み合わせて、特定の用途に対して材料特性を最適化するための時間と労力を大幅に削減することに焦点を当てている。これには、密度汎関数理論、分子動力学、モンテカルロ、転位動力学、位相場、有限要素などの方法を使用して、あらゆる長さスケールで材料をシミュレートすることが含まれる。^[26]

材料の根本的な進歩は、新製品や新産業の創出を促進する可能性がありますが、安定した産業でも、段階的な改善や現在使用されている材料の問題のトラブルシューティングを行うために材料科学者を雇用しています。材料科学の産業応用には、材料設計、材料の工業生産における費用対効果のトレードオフ、処理方法 (鋳造、圧延、溶接、イオン注入、結晶成長、薄膜堆積、焼結、ガラス吹きなど)、分析方法 (電子顕微鏡、X 線回折、熱量測定、原子核顕微鏡 (HEFIB)、ラザフォード後方散乱、中性子回折、小角 X 線散乱 (SAXS) などの特性評価方法など) が含まれます。

材料科学者やエンジニアは、材料の特性評価のほかに、材料の抽出と有用な形態への変換も行います。したがって、インゴット鋳造、鋳造法、高炉抽出、電解抽出はすべて、材料エンジニアに必要な知識の一部です。バルク材料内の微量の二次元素や化合物の有無や変動は、多くの場合、生産される材料の最終的な特性に大きく影響します。たとえば、鋼鉄は、含まれる炭素やその他の合金元素の重量パーセントが 1/10 と 1/100 に基づいて分類されます。したがって、高炉で鉄を抽出するために使用される抽出および精製方法は、生産される鋼鉄の品質に影響を与える可能性があります。

固体材料は、一般的に、セラミック、金属、ポリマーの 3 つの基本的な分類に分けられます。この大まかな分類は、固体材料の実験的構成と原子構造に基づいており、ほとんどの固体はこれらの大まかな分類のいずれかに分類されます。^[27]これらの各材料タイプからよく作られるアイテムは、飲料容器です。飲料容器に使用される材料タイプは、使用される材料に応じて、それぞれ異なる利点と欠点があります。セラミック (ガラス) 容器は、光学的に透明で、二酸化炭素を通さず、比較的安価で、リサイクルが容易ですが、重く、破損しやすいです。金属 (アルミニウム合金) は比較的強度があり、二酸化炭素の拡散に対する優れたバリアであり、リサイクルが容易です。ただし、缶は不透明で、製造コストが高く、へこんだり穴が開いたりしやすいです。ポリマー (ポリエチレンプラスチック) は比較的強度があり、光学的に透明で、安価で軽量で、リサイクル可能ですが、アルミニウムやガラスほど二酸化炭素を通しません。

材料科学のもう一つの応用は、産業上重要な最も脆い材料であるセラミックスとガラスの研究です。多くのセラミックスとガラスは、基本的な構成要素として SiO ₂ (シリカ) を共有結合またはイオン共有結合しています。セラミックスは、生の未焼成の粘土と混同しないでください。通常、結晶の形で見られます。市販のガラスの大部分には、シリカが融合した金属酸化物が含まれています。ガラスを準備するために使用される高温では、この材料は粘性のある液体であり、冷却すると無秩序な状態に固まります。窓ガラスと眼鏡は重要な例です。ガラス繊維は、長距離通信や光伝送にも使用されます。傷に強い Corning Gorilla Glass は、一般的なコンポーネントの特性を大幅に改善するために材料科学を応用したよく知られた例です。

エンジニアリング セラミックは、高温、圧縮、電気ストレス下でも剛性と安定性があることで知られています。アルミナ、炭化ケイ素、炭化タングステンは、バインダーを使用して焼結するプロセスで、成分の微粉末から作られます。ホット プレスにより、より高密度の材料が得られます。化学蒸着法では、セラミックのフィルムを別の材料の上に配置できます。サーメットは、いくつかの金属を含むセラミック粒子です。工具の耐摩耗性は、特性を変更するために通常追加されるコバルトとニッケルの金属相を含む超硬合金から得られます。

セラミックスは、亀裂偏向の原理を利用することで、工学用途向けに大幅に強化することができます。^[28]このプロセスでは、セラミックマトリックス内に第2相粒子を戦略的に追加し、その形状、サイズ、分布を最適化して、亀裂の伝播を誘導および制御します。 このアプローチは破壊靭性を高め、さまざまな産業で先進的で高性能なセラミックスを生み出す道を開きます。^[29]

産業界における材料科学のもう一つの応用は、複合材料の製造です。複合材料は、2つ以上のマクロ相から構成される構造化材料です。

用途は、鉄筋コンクリートなどの構造要素から、NASAのスペースシャトル熱防護システムで重要かつ不可欠な役割を果たす断熱タイルにまで及び、このシステムは、シャトルの表面を大気圏への再突入の熱から保護するために使用される。1つの例は、強化炭素炭素（RCC）である。これは、明るい灰色の材料であり、1,510 °C（2,750 °F）までの再突入温度に耐え、スペースシャトルの主翼前縁とノーズキャップを保護する。^{[30] RCCは、}グラファイト レーヨン布から作られ、フェノール樹脂を含浸させた積層複合材料である。オートクレーブで高温で硬化させた後、積層体を熱分解して樹脂を炭素に変換し、真空チャンバー内でフルフリルアルコールを含浸させ、硬化熱分解してフルフリルアルコールを炭素に変換する。再利用性を高めるために、RCC の外層はシリコンカーバイドに変換されます。

他の例としては、テレビや携帯電話などの「プラスチック」ケースが挙げられます。これらのプラスチックケースは通常、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)などの熱可塑性マトリックスでできた複合材料で、強度、嵩、静電分散を高めるために炭酸カルシウムチョーク、タルク、ガラス繊維、または炭素繊維が添加されています。これらの添加物は、目的に応じて強化繊維または分散剤と呼ばれることがあります。

ポリマーは、多数の同一成分が鎖のように結合してできた化合物である。^{[31]ポリマーは、一般にプラスチックや}ゴムと呼ばれるものを作るのに使用される原料（樹脂）である。プラスチックやゴムは、加工中に1つ以上のポリマーまたは添加剤が樹脂に加えられ、最終形状に成形された後に作られる最終製品である。過去および現在広く使用されているプラ​​スチックには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリスチレン、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ポリウレタン、ポリカーボネートなどがある。ゴムには、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレン、ブタジエンゴムなどがある。プラスチックは一般に、コモディティプラスチック、特殊プラスチック、エンジニアリングプラスチックに分類される。

ポリ塩化ビニル（PVC）は広く使用されており、安価で、年間生産量が多い。人工皮革から電気絶縁材やケーブル、包装材、容器まで、幅広い用途に使用できる。製造と加工はシンプルで、確立されている。PVCの汎用性は、幅広い可塑剤やその他の添加剤を受け入れることができるためである。^[32]ポリマー科学における「添加剤」という用語は、ポリマーの材料特性を変更するためにポリマーベースに添加される化学物質や化合物を指す。

ポリカーボネートは通常、エンジニアリング プラスチックと見なされます (他の例としてはPEEK、ABS があります)。このようなプラスチックは、優れた強度とその他の特殊な材料特性により高く評価されています。コモディティ プラスチックとは異なり、使い捨て用途には通常使用されません。

特殊プラスチックは、超高強度、導電性、電気蛍光性、高熱安定性などのユニークな特性を持つ材料です。

プラスチックの種類を分ける境界線は、材質ではなく、特性と用途に基づいています。たとえば、ポリエチレン(PE) は、買い物やゴミ用の使い捨て袋の製造に一般的に使用される安価で低摩擦のポリマーであり、汎用プラスチックと見なされています。一方、中密度ポリエチレン(MDPE) は、地下のガス管や水道管に使用され、超高分子量ポリエチレン(UHMWPE) と呼ばれる別の種類は、工業機器のスライドレールやインプラント股関節の低摩擦ソケットとして広く使用されているエンジニアリングプラスチックです。

鉄の合金（鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、工具鋼、合金鋼）は、今日、量と商業価値の両方で金属の最大の割合を占めています。

鉄に様々な割合の炭素を合金にすると、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼になります。炭素含有量が重量比で0.01%から2.00%の場合にのみ、鉄炭素合金は鋼と見なされます。鋼の場合、硬度と引張強度は炭素含有量に関係し、炭素含有量が増えると延性と靭性も低下します。ただし、焼き入れや焼き戻しなどの熱処理プロセスにより、これらの特性が大幅に変化することがあります。対照的に、特定の金属合金は、温度範囲を超えてサイズと密度が変化しないという独特の特性を示します。^[33]鋳鉄は、炭素含有量が2.00%を超え、6.67%未満の鉄炭素合金として定義されています。ステンレス鋼は、クロムの合金含有量が重量比で10%を超える通常の鋼合金として定義されています。ステンレス鋼には、ニッケルとモリブデンも通常添加されます。

その他の重要な金属合金は、アルミニウム、チタン、銅、マグネシウムの合金です。銅合金は古くから知られています（青銅器時代以来）が、他の3つの金属の合金は比較的最近開発されたものです。これらの金属の化学反応性のため、必要な電解抽出プロセスは比較的最近になってようやく開発されました。アルミニウム、チタン、マグネシウムの合金は、重量に対する強度が高いことでも知られており、マグネシウムの場合は電磁シールドを提供できることでも評価されています。^[34]これらの材料は、航空宇宙産業や特定の自動車工学用途など、重量に対する強度がバルクコストよりも重要な状況に最適です。

半導体は、導体と絶縁体の間の抵抗を持つ材料です。現代の電子機器は半導体で動いており、この業界の市場規模は2021年に5,300億米ドルと推定されています。^[35]半導体の電子特性は、ドーピングと呼ばれるプロセスで意図的に不純物を導入することで大幅に変えることができます。半導体材料は、ダイオード、トランジスタ、発光ダイオード（LED）、アナログおよびデジタル電気回路など、さまざまな用途に使用されています。ほとんどの用途で、半導体デバイスは真空管などの熱電子デバイスに取って代わりました。半導体デバイスは、単一のディスクリートデバイスとして製造される場合と、単一の半導体基板上に製造され相互接続された数個から数百万個のデバイスで構成される集積回路（IC）として製造される場合もあります。^[36]

現在使用されているすべての半導体のうち、シリコンは量的にも商業価値的にも最大の割合を占めています。単結晶シリコンは、半導体およびエレクトロニクス業界で使用されるウェハーの製造に使用されます。ガリウムヒ素(GaAs) は、2 番目によく使用される半導体です。シリコンと比較して電子移動度と飽和速度が高いため、高速エレクトロニクス アプリケーションに最適な材料です。これらの優れた特性は、携帯電話、衛星通信、マイクロ波ポイントツーポイント リンク、および高周波レーダー システムで GaAs 回路を使用する説得力のある理由です。その他の半導体材料には、ゲルマニウム、シリコン カーバイド、およびガリウム窒化物があり、さまざまな用途があります。

1950 年代から、新しい材料を創り出し、発見し、設計するには統一されたアプローチが必要であることが認識され、材料科学が発展し始めました。そのため、材料科学と工学は、既存の冶金学とセラミックス工学部門の名称変更や統合、既存の固体物理学研究からの分離 (それ自体が凝縮物質物理学に成長)、比較的新しいポリマー工学とポリマー科学の取り込み、以前のもの、さらには化学、化学工学、機械工学、電気工学の再統合など、さまざまな形で登場しました。

材料科学と工学の分野は、科学的観点からも、応用分野としても重要です。システムを設計する際には適切な材料の使用が不可欠であるため、材料はエンジニア（または他の応用分野）にとって最も重要です。その結果、材料科学はエンジニアの教育においてますます重要な部分となっています。

材料物理学は、物理学を用いて材料の物理的特性を記述する学問です。化学、固体力学、固体物理学、材料科学などの物理科学を統合したものです。材料物理学は凝縮物質物理学のサブセットであると考えられており、基本的な凝縮物質の概念を、技術的に興味深い材料を含む複雑な多相媒体に適用します。材料物理学者が現在取り組んでいる分野には、電子材料、光学材料、磁気材料、新しい材料と構造、材料の量子現象、非平衡物理学、ソフト凝縮物質物理学などがあります。新しい実験ツールと計算ツールにより、材料システムのモデル化と研究の方法が絶えず改善されており、材料物理学者が取り組んでいる分野でもあります。

この分野は本質的に学際的であり、材料科学者やエンジニアは物理学者、化学者、エンジニアの手法を認識し、活用する必要があります。逆に、生命科学や考古学などの分野は、生物や古生物に着想を得たアプローチで、新しい材料やプロセスの開発を刺激することができます。したがって、これらの分野との密接な関係が残っています。逆に、多くの物理学者、化学者、エンジニアは、分野間の大きな重複により、材料科学で働いています。

材料科学の主な分野は、セラミック、金属、ポリマー、複合材料という 4 つの主要な材料クラスから生まれます。

• セラミック工学
• 冶金
• 高分子科学と工学
• 複合材料工学

さらに、広く応用可能で、材料に依存しない取り組みもあります。

• 材料特性評価（分光法、顕微鏡法、回折法）
• 計算材料科学
• 材料情報学と選択

また、特定の現象や技術に関する資料全体にわたって、比較的幅広い焦点が当てられています。

• 結晶学
• 表面科学
• トライボロジー
• マイクロエレクトロニクス

• 凝縮系物理学、固体物理学、固体化学
• ナノテクノロジー
• 鉱物学
• 超分子化学
• 生体材料科学

• アメリカ陶芸協会
• ASMインターナショナル
• 鉄鋼技術協会
• 材料研究協会
• 鉱物・金属・材料協会

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• スクワイアズ、GL（1996年）。熱中性子散乱理論入門（第2版）。ニューヨーク州ミネオラ：ドーバー出版。ISBN 978-0-486-69447-4。
• Young, RA編 (1993)。リートフェルト法。オックスフォード: オックスフォード大学出版局および国際結晶学連合。ISBN 978-0-19-855577-3。

• 主要な材料学会が主催するMS&T会議
• MSE 向け MIT OpenCourseWare