Mikä on materiaalitiede? Opiskelijakurssit, työpaikat, palkat

Materiaalitiede on monitieteinen STEM-ala, johon sisältyy uusien materiaalien luominen ja valmistus, joilla on erityiset halutut ominaisuudet. Materiaalitiede sijaitsee tekniikan ja luonnontieteiden välillä, ja tästä syystä kenttä on usein merkitty molemmilla termeillä: "materiaalitiede ja tekniikka".

Uusien materiaalien kehittäminen ja testaaminen vetoaa lukuisiin aloihin, mukaan lukien kemian, fysiikan, biologian, matematiikan, koneenrakennuksen ja sähkötekniikan.

Avaintyypit: Materiaalitiede

Matkapuhelimesi näytön lasi, puolijohteet, joita käytetään aurinkoenergian tuottamiseen, iskuja vaimentava jalkapallokypärän muovit ja polkupyörän rungossa olevat metalliseokset ovat kaikki materiaalituotteita tutkijat. Jotkut materiaalitieteilijät työskentelevät spektrin tieteellisessä päässä, kun ne suunnittelevat ja hallitsevat kemiallisia reaktioita luodakseen uusia materiaaleja. Toiset työskentelevät paljon enemmän alan sovellettavan tieteen ja tekniikan puolella, kun he testaavat materiaaleja tiettyjen suhteen sovelluksia, kehittää menetelmiä uusien materiaalien tuottamiseksi ja sovittaa materiaalien ominaisuudet vaadittuihin määrityksiin tuotteelle.

Koska kenttä on niin laaja, korkeakoulut ja yliopistot jakavat kentän tyypillisesti useisiin alakenttiin.

Keramiikka- ja lasitekniikka on kiistatta yksi vanhimmista tieteenaloista, sillä ensimmäiset keraamiset astiat luotiin noin 12 000 vuotta sitten. Vaikka jokapäiväiset esineet, kuten ruokailuvälineet, käymälät, lavuaarit ja ikkunat, ovat edelleen osa kenttää, viime vuosikymmeninä on syntynyt monia korkean teknologian sovelluksia. Corningin kehittämä Gorilla Glass - erittäin luja ja kestävä lasi, jota käytetään lähes kaikissa kosketusnäytöissä - on mullistettu monilla tekniikan aloilla. Korkean lujuuden keramiikoilla, kuten piikarbidilla ja boorikarbidilla, on useita teollisia ja sotilaallisia käyttötarkoituksia, ja tulenkestäviä materiaaleja käytetään missä tahansa korkeissa lämpötiloissa, ydinreaktorista lämpösuojaukseen avaruusalus. Lääketieteellisellä tasolla keramiikan kestävyys ja lujuus ovat tehneet niistä keskeisen osan monista nivelkorvauksista.

Polymeeritutkijat työskentelevät pääasiassa muovien ja elastomeerien kanssa - suhteellisen kevyet ja usein taipuisat materiaalit, jotka koostuvat pitkistä ketjumaisista molekyyleistä. Muovisista juomapulloista autorenkaisiin luodinkestäviin Kevlar-liiveihin polymeereillä on merkittävä rooli maailmassa. Polymeerejä opiskelevat opiskelijat tarvitsevat vahvoja orgaanisen kemian taitoja. Työpaikoilla tutkijat pyrkivät luomaan muoveja, joilla on lujuus, joustavuus, kovuus, lämpöominaisuudet ja jopa optiset ominaisuudet, jotka ovat tarpeen tietyssä sovelluksessa. Joitakin alan nykyisiä haasteita ovat ympäristössä hajoavien muovien kehittäminen ja räätälöityjen muovien luominen hengenpelastusmenetelmiin.

Metallurgiatieteellä on pitkä historia. Ihmiset ovat käyttäneet kuparia yli 10 000 vuotta, ja paljon vahvempi rauta on jo yli 3000 vuotta. Itse asiassa metallurgian kehitys voi olla yhteydessä sivilisaatioiden nousuun ja laskuun niiden käytön ansiosta aseissa ja panssaroissa. Metallurgia on edelleen tärkeä ala armeijalle, mutta sillä on myös merkittävä rooli auto-, tietokone-, ilmailu- ja rakennusteollisuudessa. Metallurgit pyrkivät usein kehittämään metalleja ja metalliseoksia, joilla on lujuus, kestävyys ja lämpöominaisuudet, joita vaaditaan annetussa sovelluksessa.

Elektroniset materiaalit ovat laajimmassa merkityksessä mitä tahansa materiaaleja, joita käytetään elektronisten laitteiden luomiseen. Tähän materiaalitieteen alakenttään voi kuulua johtimien, eristimien ja puolijohteiden tutkiminen. Tietokone- ja viestintäalat ovat vahvasti riippuvaisia ​​elektronisten materiaalien asiantuntijoista, ja asiantuntijoiden kysyntä säilyy vahvana lähitulevaisuudessa. Etsimme aina pienempiä, nopeampia, luotettavampia elektronisia laitteita ja viestintäjärjestelmiä. Uusiutuvat energialähteet, kuten aurinko, riippuvat myös elektronisista materiaaleista, ja tehokkuuden parantamiseksi tällä alalla on vielä paljon tilaa.

Biomateriaalien ala on ollut olemassa jo vuosikymmenien ajan, mutta se on aloittanut toiminnan 2000-luvulla. Nimi "biomateriaali" voi olla hiukan harhaanjohtava, koska se ei viittaa biologisiin materiaaleihin, kuten rustoon tai luuhun. Sen sijaan se viittaa materiaaleihin, jotka ovat vuorovaikutuksessa elävien järjestelmien kanssa. Biomateriaalit voivat olla muovia, keraamista, lasia, metallia tai komposiittia, mutta ne palvelevat joitain lääketieteelliseen hoitoon tai diagnooseihin liittyviä toimintoja. Keinotekoiset sydämen venttiilit, piilolinssit ja keinotekoiset nivelet ovat kaikki tehty biomateriaaleista, jotka on suunniteltu omaamaan erityisiä ominaisuuksia, jotka antavat niiden mahdollisuuden toimia yhdessä ihmiskehon kanssa. Tekokudokset, hermot ja elimet ovat joitain esiin nousevia tutkimusalueita.

Jos opiskelet materiaalitieteessä ja tekniikassa, sinun on todennäköisesti opittava matematiikkaa läpi differentiaaliyhtälöt, ja kandidaatin tutkinnon ydinsuunnitelmaan sisältyy todennäköisesti luokkia sisään fysiikka, biologiaja kemia. Muut kurssit ovat erikoistuneempia ja saattavat sisältää esimerkiksi seuraavia aiheita:

• Materiaalien mekaaninen käyttäytyminen
• Materiaalien käsittely
• Materiaalien termodynamiikka
• Kristallografia ja rakenne
• Materiaalien elektroniset ominaisuudet
• Materiaalien karakterisointi
• Komposiitti materiaalit
• Biolääketieteelliset materiaalit
• polymeerit

Materiaalitieteiden opetussuunnitelmassasi voit yleensä odottaa paljon kemiaa ja fysiikkaa. Sinulla on monia valittavien valintaa, kun päätät erikoisuudesta, kuten muovista, keramiikasta tai metallista.

Jos olet kiinnostunut materiaalitieteestä ja tekniikasta, löydät todennäköisesti parhaat ohjelmat laajoissa yliopistoissa ja teknologiainstituuteissa. Pienemmät alueelliset yliopistot ja vapaiden taiteiden korkeakoulut ei yleensä ole vankkoja tekniikan ohjelmia, etenkin tieteidenvälistä alaa, kuten materiaalitiede, joka vaatii merkittävää laboratorioinfrastruktuuria. Vahvat materiaalitieteiden ohjelmat löytyvät seuraavista Yhdysvaltojen kouluista:

• Kalifornian teknillinen instituutti (Caltech)
• Carnegie Mellon University
• Cornell University
• Georgian teknillinen instituutti (Georgia Tech)
• Massachusettsin Teknologian Instituutti (MIT)
• Luoteinen yliopisto
• Stanfordin yliopisto
• Kalifornian yliopisto Berkeleyssä
• Illinoisin yliopisto, Urbana-Champaign
• Michiganin yliopisto Ann Arborissa

Muista, että kaikki nämä koulut ovat erittäin valikoivia. Itse asiassa MIT, Caltech, Northwestern ja Stanford ovat 20 parhaan joukossa maan valikoivimmat korkeakoulut, ja Cornell ei ole kaukana taaksepäin.

Lähes kaikilla tekniikan tutkinnon suorittaneilla on hyvät työllistymismahdollisuudet teknologiamaailmaamme, ja materiaalitiede ja tekniikka eivät ole poikkeus. Mahdolliset ansiosi tietysti sidotaan suorittamasi työn tyyppiin. Materiaalitutkijat voivat työskennellä yksityisellä, valtion tai koulutusalalla. Payscale.com toteaa, että materiaalitieteiden kandidaatin tutkinnon suorittaneen työntekijän keskimääräinen palkka on uran alkuvaiheessa 67 900 dollaria ja uran puolivälissä 106 300 dollaria.