Kaj je znanost o materialih?

Zahtevane tečajne naloge, zaposlitvene možnosti in povprečne plače za diplomante

Vincenzo Lombardo / Izbira fotografa / Getty Images

Znanost o materialih je multidisciplinarno področje STEM, ki vključuje ustvarjanje in proizvodnjo novih materialov s posebnimi želenimi lastnostmi. Znanost o materialih je na meji med tehniko in naravoslovnimi znanostmi, zato je področje pogosto označeno z obema izrazoma: 'znanost o materialih in inženirstvo.'

Razvoj in testiranje novih materialov se opira na številna področja, vključno s kemijo, fiziko, biologijo, matematiko, strojništvom in elektrotehniko.

Ključni zaključki: znanost o materialih

• Znanost o materialih je široko, interdisciplinarno področje, osredotočeno na ustvarjanje materialov s posebnimi lastnostmi.
• Specializacije na tem področju vključujejo plastiko, keramiko, kovine, električne materiale ali biomateriale.
• Tipičen učni načrt za znanost o materialih poudarja matematiko, kemijo in fiziko.

Specializacije v znanosti o materialih

Steklo zaslona vašega mobilnega telefona, polprevodniki, ki se uporabljajo za ustvarjanje sončne energije, plastika nogometne čelade za blaženje udarcev in kovinske zlitine v okvirju vašega kolesa so izdelki znanstvenikov za materiale. Nekateri znanstveniki za materiale delajo na znanstvenem koncu spektra, saj načrtujejo in nadzorujejo kemične reakcije za ustvarjanje novih materialov. Drugi delajo veliko več na uporabni znanstveni in inženirski strani področja, saj preizkušajo materiale za specifične aplikacije, razvijajo metode za proizvodnjo novih materialov in prilagajajo lastnosti materialov zahtevanim specifikacijam za izdelek.

Ker je področje tako široko, fakultete in univerze področje običajno razdelijo na več podpolj.

Keramika in steklo

Inženirstvo keramike in stekla je verjetno eno najstarejših znanstvenih področij, saj so prve keramične posode nastale pred približno 12.000 leti. Medtem ko so vsakodnevni predmeti, kot so namizna posoda, stranišča, umivalniki in okna, še vedno del področja, se je v zadnjih desetletjih pojavilo veliko visokotehnoloških aplikacij. Corningov razvoj stekla Gorilla Glass – visoko trdnega, trpežnega stekla, ki se uporablja za skoraj vse zaslone na dotik – je spremenil mnoga tehnološka področja. Keramika visoke trdnosti, kot sta silicijev karbid in borov karbid, ima številne industrijske in vojaške namene, ognjevzdržni materiali pa se uporabljajo povsod, kjer so v igri visoke temperature, od jedrskih reaktorjev do toplotne zaščite na vesoljskih plovilih. Na medicinski fronti je zaradi vzdržljivosti in trdnosti keramike postala osrednja sestavina številnih nadomestkov sklepov.

Polimeri

Znanstveniki za polimere delajo predvsem s plastiko in elastomeri – razmeroma lahkimi in pogosto prožnimi materiali, ki so sestavljeni iz dolgih verig podobnih molekul. Od plastičnih steklenic za pijačo do avtomobilskih pnevmatik do neprebojnih jopičev iz kevlarja, polimeri igrajo pomembno vlogo v našem svetu. Študenti, ki študirajo polimere, bodo potrebovali močna znanja iz organske kemije. Na delovnem mestu si znanstveniki prizadevajo ustvariti plastiko z močjo, prožnostjo, trdoto, toplotnimi lastnostmi in celo optičnimi lastnostmi, potrebnimi za določeno uporabo. Nekateri trenutni izzivi na tem področju vključujejo razvoj plastike, ki se bo razgradila v okolju, in ustvarjanje plastike po meri za uporabo v medicinskih postopkih, ki rešujejo življenja.

Kovine

Metalurška znanost ima dolgo zgodovino. Baker ljudje uporabljajo že več kot 10.000 let, veliko močnejše železo pa je staro več kot 3000 let. Dejansko je mogoče napredek v metalurgiji povezati z vzponom in padcem civilizacij zaradi njihove uporabe v orožju in oklepih. Metalurgija je še vedno pomembno področje za vojsko, vendar ima pomembno vlogo tudi v avtomobilski, računalniški, letalski in gradbeni industriji. Metalurgi pogosto razvijajo kovine in kovinske zlitine z močjo, vzdržljivostjo in toplotnimi lastnostmi, ki so potrebne za določeno uporabo.

Elektronski materiali

Elektronski materiali so v najširšem pomenu vsi materiali, ki se uporabljajo za izdelavo elektronskih naprav. To podpodročje znanosti o materialih lahko vključuje preučevanje prevodnikov, izolatorjev in polprevodnikov. Računalniška in komunikacijska področja so močno odvisna od strokovnjakov za elektronske materiale in povpraševanje po strokovnjakih bo v bližnji prihodnosti ostalo veliko. Vedno bomo iskali manjše, hitrejše, zanesljivejše elektronske naprave in komunikacijske sisteme. Obnovljivi viri energije, kot je sončna energija, so prav tako odvisni od elektronskih materialov in na tem področju je še veliko prostora za napredek pri učinkovitosti.

Biomateriali

Področje biomaterialov je prisotno že desetletja, vendar se je razmahnilo v enaindvajsetem stoletju. Ime 'biomaterial' je lahko nekoliko zavajajoče, saj se ne nanaša na biološke materiale, kot sta hrustanec ali kost. Namesto tega se nanaša na materiale, ki so v interakciji z živimi sistemi. Biomateriali so lahko plastični, keramični, stekleni, kovinski ali kompozitni, vendar služijo določeni funkciji, povezani z zdravljenjem ali diagnozo. Umetne srčne zaklopke, kontaktne leče in umetni sklepi so izdelani iz biomaterialov, ki imajo posebne lastnosti, ki jim omogočajo delovanje v povezavi s človeškim telesom. Umetna tkiva, živci in organi so danes nekatera od nastajajočih raziskovalnih področij.

Študentske naloge iz znanosti o materialih

Če se ukvarjate z znanostjo o materialih in inženiringom, boste najverjetneje morali študirati matematiko s pomočjo diferencialnih enačb, osnovni učni načrt za diplomo pa bo verjetno vključeval predavanja izfizika,biologija, inkemija. Drugi tečaji bodo bolj specializirani in lahko vključujejo teme, kot so te:

• Mehansko obnašanje materialov
• Obdelava materialov
• Termodinamika materialov
• Kristalografija in struktura
• Elektronske lastnosti materialov
• Karakterizacija materialov
• Kompozitni materiali
• Biomedicinski materiali
• Polimeri

Na splošno lahko pričakujete veliko kemije in fizike v svojem učnem načrtu znanosti o materialih. Ko se boste odločili za posebnost, kot so plastika, keramika ali kovine, boste imeli na voljo veliko izbirnih predmetov.

Najboljše šole za smeri znanosti o materialih

Če vas zanima znanost o materialih in inženiring, boste verjetno našli najboljše programe na obsežnih univerzah in tehnoloških inštitutih Manjše regionalne univerze in svobodne umetniške šole nimajo robustnih programov na področju inženiringa, zlasti interdisciplinarnega področja, kot je znanost o materialih, ki zahteva precejšnjo laboratorijsko infrastrukturo. Močne programe v znanosti o materialih najdete na naslednjih šolah v Združenih državah:

• Kalifornijski tehnološki inštitut (Caltech)
• Univerza Cornell
• Massachusetts Institute of Technology(Z)
• Northwestern University
• Univerza Stanford
• Kalifornijska univerza v Berkeleyju
• Univerza Illinois v Urbana-Champaign
• Ne pozabite, da so vse te šole zelo selektivne. Pravzaprav se MIT, Caltech, Northwestern in Stanford uvrščajo med 20 najbolj selektivne fakultete v državi, in Cornell ne zaostaja veliko.

  Povprečna plača znanstvenika za materiale

  Skoraj vsi diplomanti inženirjev imajo dobre možnosti za zaposlitev v našem tehnološkem svetu in znanost o materialih in inženirstvo nista izjema. Vaš potencialni zaslužek bo seveda vezan na vrsto dela, ki ga opravljate. Znanstveniki za materiale lahko delajo v zasebnem, vladnem ali izobraževalnem sektorju. payscale.com navaja, da je povprečna plača za zaposlenega z diplomo iz znanosti o materialih 67.900 $ na začetku kariere in 106.300 $ do sredine kariere.