Kaj je znanost o materialih? Šolski tečaji, delovna mesta, plače

Znanost o materialih je multidisciplinarno področje STEM, ki vključuje ustvarjanje in izdelavo novih materialov s specifičnimi želenimi lastnostmi. Znanost o materialih je na meji med inženirstvom in naravoslovjem, zato je področje pogosto označeno z obema izrazoma: "materialologija in inženiring".

Razvoj in preizkušanje novih materialov temelji na številnih področjih, vključno s kemijo, fiziko, biologijo, matematiko, strojništvom in elektrotehniko.

Ključni ukrepi: Spoznavanje materialov

Steklo zaslona vašega mobilnega telefona, polprevodniki, ki se uporabljajo za ustvarjanje sončne energije, ki absorbira udarce plastika nogometne čelade in kovinske zlitine v vašem kolesarskem okvirju so vsi materiali znanstveniki. Nekateri materiali znanstveniki delujejo na koncu znanstvenega spektra, ko oblikujejo in nadzorujejo kemijske reakcije za ustvarjanje novih materialov. Drugi delajo veliko več na področju uporabne znanosti in inženiringa na tem področju, saj preizkušajo materiale za določene aplikacije, razviti metode za proizvodnjo novih materialov in lastnosti materialov uskladiti z zahtevanimi specifikacijami za izdelek.

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

Keramika in steklo je zagotovo eno najstarejših znanstvenih področij, saj so prve keramične posode nastale pred približno 12.000 leti. Medtem ko so vsakodnevni predmeti, kot so namizni pribor, stranišča, pomivalna korita in okna, še vedno del tega polja, se je v zadnjih desetletjih pojavilo veliko visokotehnoloških aplikacij. Corningov razvoj Gorilla Glass - visoko trpežno in trpežno steklo, ki se uporablja za skoraj vse zaslone na dotik - je revolucioniral številna tehnološka področja. Keramika z visoko trdnostjo, kot sta silicijev karbid in borov karbid, ima številne industrijske in vojaške namene ter ognjevzdržni materiali se uporabljajo kjer koli so visoke temperature, od jedrskih reaktorjev do toplotnega zaslona vesoljska plovila. Trpežnost in trdnost keramike sta na medicinski strani postala osrednji sestavni del številnih sklepov.

Znanstveniki polimerov delajo predvsem s plastiko in elastomeri - so relativno lahki in pogosto fleksibilni materiali, sestavljeni iz molekul, ki so podobne dolgi verigi. Od plastičnih plastenk do avtomobilskih pnevmatik do neprebojnih kevlarjevih telovnikov imajo polimeri globoko vlogo v našem svetu. Študenti, ki študirajo polimere, bodo potrebovali močna znanja iz organske kemije. Na delovnem mestu znanstveniki delajo, da ustvarijo plastiko, ki ima trdnost, prožnost, trdoto, toplotne lastnosti in celo optične lastnosti, potrebne za določeno uporabo. Nekateri trenutni izzivi na področju vključujejo razvoj plastike, ki se bo razkrojila v okolju, in ustvarjanje plastike po meri za uporabo v reševalnih medicinskih postopkih.

Metalurška znanost ima dolgo zgodovino. Človek baker uporabljajo že več kot 10.000 let, veliko močnejše železo pa sega več kot 3.000 let. Dejansko je napredek v metalurgiji lahko povezan z vzponom in padcem civilizacij zahvaljujoč njihovi uporabi v orožju in oklepu. Metalurgija je še vedno pomembno področje za vojsko, vendar ima pomembno vlogo tudi v avtomobilski, računalniški, letalski in gradbeni industriji. Metalurgi se pogosto ukvarjajo z razvojem kovin in kovinskih zlitin z močjo, trajnostjo in toplotnimi lastnostmi, ki so potrebne za dano uporabo.

Elektronski materiali so v najširšem smislu vsi materiali, ki se uporabljajo za ustvarjanje elektronskih naprav. To podpolje znanosti o materialih lahko vključuje preučevanje prevodnikov, izolatorjev in polprevodnikov. Računalniška in komunikacijska področja se v veliki meri zanašajo na strokovnjake za elektronsko gradivo, povpraševanje po strokovnjakih pa bo še naprej močno. Vedno bomo iskali manjše, hitrejše, bolj zanesljive elektronske naprave in komunikacijske sisteme. Obnovljivi viri energije, kot je sončna, so odvisni tudi od elektronskih materialov, na tem področju pa je še vedno veliko prostora za napredek pri učinkovitosti.

Področje biomaterialov obstaja že desetletja, vendar se je začelo 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 medsebojno delujejo z živimi sistemi. Biomateriali so lahko plastični, keramični, stekleni, kovinski ali kompozitni, vendar opravljajo nekatere funkcije, povezane z zdravljenjem ali diagnozo. Umetne srčne zaklopke, kontaktne leče in umetni sklepi so narejeni iz biomaterialov, ki so zasnovani tako, da imajo posebne lastnosti, ki jim omogočajo, da delujejo v povezavi s človeškim telesom. Umetna tkiva, živci in organi so nekatera nova raziskovalna področja danes.

Če ste glavni na področju materialov in inženirstva, boste najverjetneje morali študirati matematiko diferencialnih enačb in bo osnovni učni načrt za diplomo verjetno vključeval pouk v fizika, biologija, in kemije. Drugi tečaji bodo bolj specializirani in bodo lahko vključevali naslednje teme:

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

Na splošno lahko v svojem učnem načrtu s področja naravoslovja pričakujete veliko kemije in fizike. Izbirali boste lahko med številnimi izbori, ko se boste odločili za specialnost, kot so plastika, keramika ali kovine.

Če vas zanimajo materialologija in inženiring, boste verjetno našli najboljše programe na celovitih univerzah in tehnoloških inštitutih. Manjših regijskih univerzah in univerze za svobodno umetnost nimajo dovolj močnih programov na področju inženiringa, zlasti interdisciplinarnega področja, kot je materialologija, ki zahteva pomembno laboratorijsko infrastrukturo. Močne programe s področja materialologije lahko najdete na naslednjih šolah v ZDA:

• Kalifornijski tehnološki inštitut (Caltech)
• Univerza Carnegie Mellon
• Univerza Cornell
• Georgia Institute of Technology (Georgia Tech)
• Massachusetts Institute of Technology (MIT)
• Northwestern University
• Univerza Stanford
• Kalifornijska univerza v Berkeleyju
• Univerza v Illinoisu v Urbani-Champaign
• Univerza v Michiganu v Ann Arboru

Upoštevajte, da so vse te šole zelo izbirne. MIT, Caltech, severozahodni in Stanford so se pravzaprav uvrstili med 20 najbolj selektivne šole v državiin Cornell ne zaostaja.

Skoraj vsi diplomanti inženirjev imajo v našem tehnološkem svetu dobre možnosti za zaposlitev in materializem in tehniki nista izjema. Vaš potencialni zaslužek bo seveda vezan na vrsto dela, ki ga opravljate. Znanstveniki lahko delujejo v zasebnem, vladnem ali izobraževalnem sektorju. Payscale.com navaja, da je povprečna plača za zaposlenega z diplomo iz znanosti o materialih na začetku kariere 67.900 dolarjev, sredi kariere pa 106.300 dolarjev.