Hva er materialvitenskap? Høgskoler, jobber, lønn

Materialvitenskap er et tverrfaglig STEM-felt som innebærer å lage og produsere nye materialer med spesifikke ønskede egenskaper. Materialvitenskap ligger på grensen mellom ingeniørvitenskap og naturvitenskap, og av den grunn er feltet ofte merket med begge begrepene: "materialvitenskap og ingeniørvitenskap."

Utvikling og testing av nye materialer trekker på en rekke felt inkludert kjemi, fysikk, biologi, matematikk, maskinteknikk og elektroteknikk.

Key Takeaways: Materials Science

Glasset på mobiltelefonskjermen, halvlederne som brukes til å generere solenergi, den støtdempende plast av en fotballhjelm, og metalllegeringene i sykkelrammen er alle produktene av materialer forskere. Noen materialforskere jobber i den vitenskapelige enden av spekteret når de designer og kontrollerer kjemiske reaksjoner for å lage nye materialer. Andre jobber mye mer på anvendt vitenskap og ingeniør side av feltet når de tester materialer for spesifikke applikasjoner, utvikle metoder for å produsere nye materialer, og tilpasse materialenes egenskaper til de spesifikasjonene som kreves for et produkt.

Fordi feltet er så bredt, bryter høyskoler og universiteter typisk ned feltet i flere underfelt.

Keramikk- og glassteknikk er uten tvil et av de eldste vitenskapsfeltene, for de første keramiske karene ble opprettet for rundt 12 000 år siden. Selv om hverdagsgjenstander som servise, toaletter, vasker og vinduer fremdeles er en del av feltet, har mange høyteknologiske applikasjoner dukket opp de siste tiårene. Cornings utvikling av Gorilla Glass - det høye styrke, holdbare glasset som brukes til nesten alle berøringsskjermer - har revolusjonert mange teknologiske felt. Høy styrke keramikk som silisiumkarbid og borkarbid har mange industrielle og militære bruksområder, og ildfaste materialer brukes hvor som helst høye temperaturer er i spill, fra kjernereaktorer til termisk skjerming på romfartøy. På medisinsk front har holdbarheten og styrken til keramikk gjort dem til en sentral komponent i mange leddserstatninger.

Polymerforskere arbeider hovedsakelig med plast og elastomerer - relativt lette og ofte fleksible materialer som består av lange kjedelignende molekyler. Fra drikkeflasker av plast, bildekk til skuddsikre Kevlar-vester, spiller polymerer en dyp rolle i vår verden. Studenter som studerer polymerer vil trenge sterke ferdigheter innen organisk kjemi. På arbeidsplassen jobber forskere med å lage plast som har styrke, fleksibilitet, hardhet, termiske egenskaper og til og med optiske egenskaper som er nødvendige for en gitt applikasjon. Noen aktuelle utfordringer innen feltet inkluderer utvikling av plast som vil bryte sammen i miljøet, og lage tilpassede plast for bruk i livreddende medisinske prosedyrer.

Metallurgisk vitenskap har en lang historie. Kobber har blitt brukt av mennesker i over 10.000 år, og mye sterkere jern går tilbake over 3000 år. Framskrittene innen metallurgi kan faktisk kobles til økningen og fallet av sivilisasjoner takket være deres bruk i våpen og rustning. Metallurgi er fortsatt et viktig felt for militæret, men det har også en betydelig rolle i bil-, datamaskin-, luftfart- og byggebransjen. Metallurgister jobber ofte for å utvikle metaller og metalllegeringer med styrke, holdbarhet og termiske egenskaper som kreves for en gitt applikasjon.

Elektronisk materiale, i vid forstand, er alle materialer som brukes til å lage elektroniske enheter. Dette underfeltet av materialvitenskap kan involvere studier av ledere, isolatorer og halvledere. Data- og kommunikasjonsfeltene er avhengige av spesialister innen elektronisk materiale, og etterspørselen etter eksperter vil forbli sterk i overskuelig fremtid. Vi vil alltid se etter mindre, raskere og mer pålitelige elektroniske enheter og kommunikasjonssystemer. Fornybare energikilder som solenergi er også avhengige av elektroniske materialer, og det er fremdeles et betydelig rom for forbedringer i effektiviteten på denne fronten.

Feltet med biomaterialer har eksistert i flere tiår, men det har tatt av i det tjueførste århundre. Navnet "biomateriale" kan være litt misvisende, for det refererer ikke til biologiske materialer som brusk eller bein. I stedet refererer det til materialer som samhandler med levende systemer. Biomaterialer kan være plast, keramikk, glass, metall eller kompositt, men de har en viss funksjon relatert til medisinsk behandling eller diagnose. Kunstige hjerteventiler, kontaktlinser og kunstige ledd er alle laget av biomaterialer designet for å ha spesifikke egenskaper som gjør at de kan fungere i forbindelse med menneskekroppen. Kunstige vev, nerver og organer er noen av de nye forskningsområdene i dag.

Hvis du har hovedfag i materialvitenskap og ingeniørfag, vil du sannsynligvis trenge å studere matematikk gjennom differensialligninger, og kjernepensumet for en bachelorgrad vil trolig omfatte klasser i fysikk, biologi, og kjemi. Andre kurs vil være mer spesialiserte og kan inneholde emner som disse:

• Mekanisk oppførsel av materialer
• Materialbehandling
• Termodynamikk av materialer
• Krystallografi og struktur
• Elektroniske egenskaper for materialer
• Materialkarakterisering
• Komposittmaterialer
• Biomedisinske materialer
• Polymers

Generelt sett kan du forvente mye kjemi og fysikk i materialvitenskapens læreplan. Du vil ha mange valgfag å velge mellom når du bestemmer deg for en spesialitet som plast, keramikk eller metaller.

Hvis du er interessert i materialvitenskap og ingeniørfag, vil du sannsynligvis finne de beste programmene ved omfattende universiteter og teknologiske institutter. Mindre regionale universiteter og liberale kunsthøgskoler har ikke en tendens til å ha robuste programmer innen ingeniørarbeid, spesielt ikke et tverrfaglig felt som materialvitenskap som krever betydelig laboratorieinfrastruktur. Sterke programmer i materialvitenskap finner du på følgende skoler i USA:

• California Institute of Technology (Caltech)
• Carnegie Mellon University
• Cornell University
• Georgia Institute of Technology (Georgia Tech)
• Massachusetts Institute of Technology (MIT)
• Nordvestlige universitet
• Universitetet i Stanford
• University of California i Berkeley
• University of Illinois i Urbana-Champaign
• University of Michigan i Ann Arbor

Husk at alle disse skolene er svært selektive. Faktisk rangerer MIT, Caltech, Northwestern og Stanford blant de 20 mest selektive høyskoler i landet, og Cornell er ikke langt etter.

Nesten alle ingeniører har gode arbeidsmuligheter i vår teknologiske verden, og materialvitenskap og ingeniørkunst er intet unntak. Din potensielle inntjening vil selvfølgelig være knyttet til den typen jobb du forfølger. Materialforskere kan jobbe i private sektorer, myndigheter eller utdanningssektorer. Payscale.com oppgir at gjennomsnittslønnen for en ansatt med en bachelorgrad i materialvitenskap er 67 900 dollar tidlig i en karriere, og $ 106 300 innen midten av karrieren.