Persoalan Galileo Mengenai Sifat Bahan
Oleh : Mohamed Afiq Rahmat
Calon PhD, Kejuruteraan Mekanikal, Monash University Australia
Buku terakhir yang dikarang oleh Galileo Galilei bertajuk “Dua Sains Baru” atau “Wacana dan Demonstrasi Matematik mengenai Dua Sains Baru” (Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze) dikenali oleh ahli sains masa kini sebagai tunjak asas sains bahan dan teori kinematik. Perbentangan wacana yang berbentuk dialog itu terbahagi kepada empat hari. Perkara pertama – pada ‘hari pertama’ – yang dibincangkan dalam wacana tersebut berkait rapat dengan fahaman sifat “rintangan bahan terhadap permisahan” (resistance of bodies to separation). Dua soalan yang dikemukakan pada hari pertama yang dilanjutkan juga ke hari kedua dalam wacana Galileo tertumpu kepada persoalan “Apa yang menyatukan sesuatu bahan?” dan “Mengapa dan bagaimana sesuatu bahan itu boleh terpisah?” Di sini, kita boleh lihat pada masa kini bahawa persoalan yang pertama tersebut telahpun berkembang menjadi teras penting dalam bidang fizik jirim termeluwap (condensed matter physics), manakala persoalan kedua diterapkan sebagai asas salah satu cabang yang penting dalam kejuruteraan moden.
Perbezaan yang ketara di antara kadar perkembangan dua persoalan yang dikemukakan oleh Galileo berkenaan sifat bahan boleh dilihat dengan jelas jika diukur dengan kebolehan saintifik hari ini. Teori mekanik kuantum yang dicadangkan hampir 300 tahun selepas karya Galileo itu mengajukan persoalan “Apa yang menyatukan sesuatu bahan?” secara koheren dan sekaligus berjaya menempatkan penerangan fungsi ciri-ciri sesuatu bahan. Sebaliknya, kejayaan yang sama tidak tercapai bagi penerangan sifat mekanik sesuatu bahan dan soalan kedua Galileo, iaitu “Mengapa dan bagaimana sesuatu bahan itu boleh terpisah?” belum boleh dijawab dengan sempurna.
Berbanding dengan penerangan ciri-ciri sesuatu bahan menurut mekanik kuantum yang berhubungkait dengan ikatan atom dan elektron, sifat mekanik sesuatu bahan ditentukan oleh kelakuan kelahan (dislocation) bahan tersebut secara kolektif. Ini bermakna, sifat mekanik bahan bukannya tertakluk kepada ciri-ciri unsur bahan tersebut akan tetapi sifatnya tergantung pada ketidaksempurnaan atau kecacatan yang terdapat di dalam sususan unsur pada bahan tersebut. Pergerakan satu kecacatan (defect) yang menjadi kelahan merentasi bahan yang dikaji masih tidak cukup untuk menjelaskan sifat mekanik bahan, malah tingkah laku gabungan beberapa kecacatan atau kelahan diperlukan untuk benar-benar menjelaskan sifat mekanik sesuatu bahan. Misalnya, terdapat banyak contoh penganalis bahan yang menggunakan mikroscop untuk menghubungkait cerapan ex situ corak kecacatan bahan yang telah melalui ubah-bentuk plastik dengan sifat mekanikal yang ditentukan oleh graf tegasan-terikan (stress-strain curves).Namun begitu, sungguhpun terdapat banyak usaha termasuk sokongan teori dan pemerhatian empirik untuk bahan kejuruteraan yang konvensional seperti logam dan aloi, persoalan ini masih belum ada walau satu pun penjelasan yang dapat meramalkan dengan terperinci graf tegasan-terikan dan kegagalan melalui perambatan retak bahan halus seperti salutan nipis atau struktur permukaan yang berskala-nano. Hal ini jelas sukar kerana melangkaui had kekenyalan, sifat tegasan-terikan menjadi tidak linear. Pemerhatian yang sama juga didapati apabila mengkaji sifat retak/patah sesuatu bahan. Fenomena seperti ini sukar untuk dihuraikan dengan sempurna dengan hanya mengandalkan pada mekanik bahan pepejal (solid mechanics).
Ini menyebabkan berlakunya ketandusan sementara dalam perkembangan ilmu sifat mekanik bahan terutamanya dari ahli fizik jirim termeluwap, atas alasan ketiadaan ‘alat’ penyelidikan atau fahaman teori yang kukuh untuk menerajui penyelidikan bahan-bahan yang tidak konvensional ini. Gersang penyelidikan seperti ini perlu ditangani dan penulis yakin, dengan kemunculan teknologi baru yang membolehkan perlaksanaan eksperimen mekanikal yang berskala-nano secara in situ seiring dengan pembangunan sikap ingin tahu yang tiada tandingannya yang perlu diterapkan dikalangan ahli sains dan peminat sains masa kini, kita mampu menyelesaikan dengan sempurna persoalan yang dikemukakan oleh “Bapa Sains” lebih 370 tahun dahulu.
Rujukan
1. Galileo Galilei, Dialogues Concerning Two New Sciences
2. Jeff T. M. De Hosson and Albano Cavaleiro,Nanostructured Coatings
3. Jasmi Hashim, Glosari Kejuruteraan Bahan
Rencana-rencana lain dari penulis
1. Ringkasan – Falsafah Sains dan Perkembangan Kaedah Pemikiran Saintifik
2. Teknologi Salutan Tingkatkan Jangka Hayat Kelesuan Logam
