Mis on materjaliteadus? Kolledžikursused, töökohad, palgad

Materjaliteadus on multidistsiplinaarne STEM-valdkond, mis hõlmab uute konkreetsete soovitud omadustega materjalide loomist ja tootmist. Materjaliteadus asub inseneriteaduse ja loodusteaduste vahelisel piiril ning sel põhjusel tähistatakse see valdkond sageli mõlema mõistega: "materjaliteadus ja tehnika".

Uute materjalide väljatöötamine ja katsetamine toetub paljudele valdkondadele, sealhulgas keemia, füüsika, bioloogia, matemaatika, masinaehitus ja elektrotehnika.

Võtmeisikud: materjaliteadus

Teie mobiiltelefoni ekraaniklaas, pooljuhid päikeseenergia tootmiseks, lööke neelavad jalgpallikiivri plastmaterjalid ja jalgrattaraami metallisulamid on kõik materjalide tooted teadlased. Mõned materjaliteadlased töötavad spektri teaduslikus lõpus, kavandades ja kontrollides keemilisi reaktsioone uute materjalide loomiseks. Teised töötavad palju rohkem valdkonna rakendusteaduse ja inseneriteaduse poolel, kuna nad katsetavad materjale konkreetsete jaoks rakendusi, töötada välja meetodid uute materjalide tootmiseks ja viia materjalide omadused vastavusse spetsifikatsioonidega toote jaoks.

Kuna väli on nii lai, jaotavad kolledžid ja ülikoolid selle tavaliselt mitmeks alamvaldkonnaks.

Keraamika- ja klaasitehnika on vaieldamatult üks vanimaid teadusvaldkondi, sest esimesed keraamilised anumad loodi umbes 12 000 aastat tagasi. Kui igapäevased esemed nagu lauanõud, tualetid, valamud ja aknad on endiselt põllu osa, on viimastel aastakümnetel tekkinud palju kõrgtehnoloogilisi rakendusi. Corningi arendatud Gorilla Glass - ülitugev ja vastupidav klaas, mida kasutatakse peaaegu kõigi puutetundlike ekraanide jaoks - on revolutsiooniliselt muutnud paljusid tehnoloogiavaldkondi. Kõrgtugevat keraamikat, näiteks ränikarbiidi ja boorkarbiidi, kasutatakse paljudes tööstuslikes ja sõjalistes eesmärkides tulekindlaid materjale kasutatakse kõikjal, kus on kõrge temperatuur, tuumareaktoritest termilise varjestuseni kosmoselaevad. Meditsiinilisest küljest on keraamika vastupidavus ja tugevus teinud neist paljude liigeste asendamise keskse komponendi.

Polümeeride teadlased töötavad peamiselt plastide ja elastomeeridega - suhteliselt kergekaalulised ja sageli elastsed materjalid, mis koosnevad pikkadest ahelasarnastest molekulidest. Alates plastikust joogipudelitest kuni autorehvideni kuni kuulikindlate Kevlari vestideni on polümeeridel meie maailmas suur roll. Polümeere õppivad õpilased vajavad tugevaid orgaanilise keemia oskusi. Töökohal loovad teadlased plasti, millel on antud rakenduseks vajalikud tugevus, painduvus, kõvadus, termilised omadused ja isegi optilised omadused. Mõned praegused väljakutsed selles valdkonnas hõlmavad keskkonnas lagunevate plastide väljatöötamist ja kohandatud plastide loomist kasutamiseks päästetavates meditsiinilistes protseduurides.

Metallurgilisel teadusel on pikk ajalugu. Vase on inimesed kasutanud üle 10 000 aasta ja palju tugevam raud läheb tagasi 3000 aasta taha. Metallurgia edusamme saab tõepoolest siduda tsivilisatsioonide tõusude ja langustega tänu nende kasutamisele relvades ja raudrüüdes. Metallurgia on sõjaväe jaoks endiselt oluline valdkond, kuid sellel on oluline roll ka auto-, arvuti-, lennundus- ja ehitustööstuses. Metallurgid töötavad sageli metallide ja metallisulamite väljatöötamisel, mille tugevus, vastupidavus ja soojuslikud omadused on antud rakenduse jaoks vajalikud.

Elektroonilised materjalid on kõige laiemas tähenduses materjalid, mida kasutatakse elektrooniliste seadmete loomisel. See materjaliteaduse alamväli võib hõlmata juhtide, isolaatorite ja pooljuhtide uurimist. Arvuti- ja kommunikatsioonivaldkond sõltub suurel määral elektrooniliste materjalide spetsialistidest ning lähitulevikus püsib nõudlus ekspertide järele tugev. Otsime alati väiksemaid, kiiremaid, usaldusväärsemaid elektroonilisi seadmeid ja sidesüsteeme. Taastuvad energiaallikad, näiteks päikeseenergia, sõltuvad ka elektroonilistest materjalidest ning tõhususe suurendamiseks on siin veel palju ruumi.

Biomaterjalide valdkond on olnud aastakümneid, kuid see on alguse saanud 21. sajandil. Nimi "biomaterjal" võib olla pisut eksitav, kuna see ei viita sellistele bioloogilistele materjalidele nagu kõhre või luu. Selle asemel viitab see materjalidele, mis interakteeruvad elusüsteemidega. Biomaterjalid võivad olla plastist, keraamikast, klaasist, metallist või komposiitmaterjalidest, kuid need täidavad mõnda funktsiooni, mis on seotud ravi või diagnoosimisega. Kunstlikud südameventiilid, kontaktläätsed ja tehisliited on kõik valmistatud biomaterjalidest, mille eesmärk on omada spetsiifilisi omadusi, mis võimaldavad neil töötada koos inimkehaga. Kunstlikud koed, närvid ja elundid on mõned esilekerkivad uurimisvaldkonnad.

Kui teil on materjaliteaduse ja -tehnoloogia eriala, peate tõenäoliselt õppima matemaatikat diferentsiaalvõrrandid ja bakalaureuseõppe põhiõppekava sisaldab tõenäoliselt klasse sisse Füüsika, bioloogiaja keemia. Muud kursused on rohkem spetsialiseerunud ja võivad sisaldada järgmisi teemasid:

• Materjalide mehaaniline käitumine
• Materjalide töötlemine
• Materjalide termodünaamika
• Kristallograafia ja struktuur
• Materjalide elektroonilised omadused
• Materjalide iseloomustus
• Komposiitmaterjalid
• Biomeditsiinilised materjalid
• Polümeerid

Üldiselt võite oma materjaliteaduse õppekavast oodata palju keemiat ja füüsikat. Teil on palju valikaineid, mille hulgast valida, kui otsustate sellise eriala nagu plastik, keraamika või metall.

Kui olete huvitatud materjaliteadusest ja -tehnikast, leiate tõenäoliselt parimad programmid põhjalikes ülikoolides ja tehnoloogiainstituutides. Väiksemad piirkondlikud ülikoolid ja vabade kunstide kolledžid ei ole tavaliselt tugevaid inseneriprogramme, eriti interdistsiplinaarses valdkonnas, näiteks materjaliteadus, mis nõuab märkimisväärset labori infrastruktuuri. Tugevad materjaliteaduse programmid leiate järgmistest Ameerika Ühendriikide koolidest:

• California tehnoloogiainstituut (Caltech)
• Carnegie Melloni ülikool
• Cornelli ülikool
• Georgia Tehnoloogiainstituut (Georgia tehnika)
• Massachusettsi Tehnoloogiainstituut (MIT)
• Loodeülikool
• Stanfordi ülikool
• California ülikool Berkeley's
• Illinoisi ülikool Urbana-Champaignis
• Michigani ülikool Ann Arboris

Pidage meeles, et kõik need koolid on väga valivad. Tegelikult kuuluvad MIT, Caltech, Northwesterni ja Stanford 20 hulka kõige valivamad kolledžid riigis, ja Cornell pole kaugel sellest.

Peaaegu kõigil insenerilõpetajatel on meie tehnoloogilises maailmas head töövõimalused ning materjaliteadus ja tehnika pole erand. Teie potentsiaalne sissetulek seotakse muidugi teie tööga. Materjaliteadlased saavad töötada era-, valitsuse või haridussektoris. Payscale.com väidab, et materjaliteaduse bakalaureusekraadiga töötaja keskmine palk on karjääri alguses 67 900 dollarit ja karjääri keskel 106 300 dollarit.