Vad är materialvetenskap? Högskolakurser, jobb, löner

Materialvetenskap är ett tvärvetenskapligt STEM-fält som involverar skapande och tillverkning av nya material med specifika önskade egenskaper. Materialvetenskap ligger vid gränsen mellan ingenjörsvetenskap och naturvetenskap, och därför är fältet ofta märkta med båda termerna: "materialvetenskap och teknik."

Utveckling och testning av nya material bygger på många områden inklusive kemi, fysik, biologi, matematik, maskinteknik och elektroteknik.

Key Takeaways: Materials Science

Glaset på din mobiltelefonskärm, halvledarna som används för att generera solenergi, det stötdämpande plast av en fotbollshjälm och metalllegeringarna i din cykelram är alla materialprodukter forskare. Vissa materialforskare arbetar vid spetsens vetenskapliga ände när de utformar och kontrollerar kemiska reaktioner för att skapa nya material. Andra arbetar mycket mer på den tillämpade vetenskapliga och tekniska sidan av fältet när de testar material för specifika applikationer, utveckla metoder för att producera nya material och anpassa materialens egenskaper till de specifikationer som krävs för en produkt.

Eftersom fältet är så brett, delar universitet och universitet vanligtvis fältet upp i flera underfält.

Keramik- och glasteknik är utan tvekan ett av de äldsta vetenskapsområdena, för de första keramiska fartygen skapades för cirka 12 000 år sedan. Även om vardagsföremål som porslin, toaletter, handfat och fönster fortfarande är en del av fältet, har många högteknologiska applikationer dykt upp under de senaste decennierna. Cornings utveckling av Gorilla Glass - det högstyrka, hållbara glaset som används för nästan alla pekskärmar - har revolutionerat många tekniska områden. Keramik med hög hållfasthet såsom kiselkarbid och borkarbid har många industriella och militära användningar, och eldfasta material används var som helst höga temperaturer spelas, från kärnreaktorer till värmeskärmningen på rymdskepp. På den medicinska fronten har hållbarheten och styrkan hos keramik gjort dem till en central del av många ledbyten.

Polymerforskare arbetar främst med plast och elastomerer - relativt lätta och ofta flexibla material som består av långa kedjeliknande molekyler. Från plastdryckflaskor, bildäck till kortsäkra Kevlar-västar, spelar polymerer en djup roll i vår värld. Studenter som studerar polymerer kommer att behöva starka kunskaper i organisk kemi. På arbetsplatsen arbetar forskare för att skapa plast som har den styrka, flexibilitet, hårdhet, termiska egenskaper och till och med optiska egenskaper som är nödvändiga för en given applikation. Några aktuella utmaningar på området inkluderar utveckling av plast som bryts ned i miljön och skapande av anpassad plast för användning i livräddande medicinska procedurer.

Metallurgisk vetenskap har en lång historia. Koppar har använts av människor i över 10 000 år, och mycket starkare järn går tillbaka över 3000 år. Faktum är att framsteg inom metallurgi kan kopplas till civilisationernas uppgång och fall tack vare deras användning i vapen och rustningar. Metallurgi är fortfarande ett viktigt område för militären, men det har också en betydande roll inom bil-, dator-, flyg- och byggindustrin. Metallurgister arbetar ofta med att utveckla metaller och metalllegeringar med den styrka, hållbarhet och termiska egenskaper som krävs för en given applikation.

Elektroniskt material, i vidaste mening, är alla material som används för att skapa elektroniska apparater. Detta underfält av materialvetenskap kan involvera studier av ledare, isolatorer och halvledare. Dator- och kommunikationsfältet förlitar sig starkt på specialister inom elektroniskt material, och efterfrågan på experter kommer att förbli stark under överskådlig framtid. Vi letar alltid efter mindre, snabbare och pålitligare elektroniska enheter och kommunikationssystem. Förnybara energikällor som solenergi beror också på elektroniska material, och det finns fortfarande betydande utrymme för framsteg i effektivitet på denna front.

Fältet med biomaterial har funnits i årtionden, men det har tagit fart under det tjugoförsta århundradet. Namnet "biomaterial" kan vara lite vilseledande, för det hänvisar inte till biologiska material som brosk eller ben. I stället hänvisar det till material som interagerar med levande system. Biomaterial kan vara plast, keramik, glas, metall eller komposit, men de tjänar någon funktion relaterad till medicinsk behandling eller diagnos. Konstgjorda hjärtventiler, kontaktlinser och konstgjorda leder är alla gjorda av biomaterial som är utformade för att ha specifika egenskaper som gör att de kan arbeta tillsammans med människokroppen. Konstgjorda vävnader, nerver och organ är några av de nya forskningsområdena idag.

Om du har en huvudvetenskap inom materialvetenskap och teknik, måste du troligtvis studera matematik igenom differentiella ekvationer och kärnplanen för en kandidatexamen kommer antagligen att innehålla klasser i fysik, biologi, och kemi. Andra kurser kommer att vara mer specialiserade och kan innehålla ämnen som dessa:

• Materials mekaniska beteende
• Materialbearbetning
• Termodynamik av material
• Kristallografi och struktur
• Elektroniska egenskaper hos material
• Materialkarakterisering
• Kompositmaterial
• Biomedicinskt material
• polymerer

I allmänhet kan du förvänta dig mycket kemi och fysik i din materialvetenskapsplan. Du kommer att ha många valfria alternativ att välja mellan när du bestämmer dig för en specialitet som plast, keramik eller metaller.

Om du är intresserad av materialvetenskap och teknik hittar du sannolikt de bästa programmen vid omfattande universitet och tekniska institut. Mindre regionala universitet och liberala konsthögskolor brukar inte ha robusta program inom teknik, särskilt ett tvärvetenskapligt område som materialvetenskap som kräver betydande laboratorieinfrastruktur. Starka program inom materialvetenskap finns på följande skolor i USA:

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

Tänk på att alla dessa skolor är mycket selektiva. Faktum är att MIT, Caltech, Northwestern och Stanford är bland de 20 de mest selektiva högskolorna i landetoch Cornell är inte långt efter.

Nästan alla ingenjörer har goda jobbmöjligheter i vår tekniska värld, och materialvetenskap och teknik är inget undantag. Dina potentiella intäkter kommer naturligtvis att vara bundna till den typ av jobb du bedriver. Materialforskare kan arbeta i privata, statliga eller utbildningssektorer. Payscale.com säger att den genomsnittliga lönen för en anställd med en kandidatexamen i materialvetenskap är $ 67 900 i början av en karriär och $ 106 300 vid mitten av karriären.