Τι είναι η επιστήμη των υλικών; Κολλέγιο Μαθήματα, Εργασίες, Μισθοί

Η επιστήμη των υλικών είναι ένα πολυεπιστημονικό πεδίο STEM που περιλαμβάνει τη δημιουργία και την κατασκευή νέων υλικών με συγκεκριμένες επιθυμητές ιδιότητες. Η επιστήμη των υλικών βρίσκεται στο όριο μεταξύ της μηχανικής και των φυσικών επιστημών και γι 'αυτό το πεδίο συχνά χαρακτηρίζεται με δύο όρους: "επιστήμη υλικών και μηχανική".

Η ανάπτυξη και δοκιμή νέων υλικών βασίζεται σε πολυάριθμα πεδία όπως η χημεία, η φυσική, η βιολογία, τα μαθηματικά, η μηχανολογία και η ηλεκτρολογία.

Βασικά μαθήματα: Επιστήμη των υλικών

Το ποτήρι της οθόνης κινητού τηλεφώνου σας, οι ημιαγωγοί που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλιακής ενέργειας, το απορροφητικό κραδασμών τα πλαστικά ενός κράνους ποδοσφαίρου και τα μεταλλικά κράματα στο πλαίσιο του ποδηλάτου σας είναι όλα τα προϊόντα των υλικών Επιστήμονες. Μερικοί επιστήμονες υλικών δουλεύουν στο επιστημονικό τέλος του φάσματος καθώς σχεδιάζουν και ελέγχουν χημικές αντιδράσεις για τη δημιουργία νέων υλικών. Άλλοι εργάζονται πολύ περισσότερο στην εφαρμοσμένη επιστήμη και την τεχνική πλευρά του πεδίου καθώς δοκιμάζουν υλικά για συγκεκριμένα εφαρμογές, να αναπτύξουν μεθόδους για την παραγωγή νέων υλικών και να ταιριάζουν με τις ιδιότητες των υλικών στις απαιτούμενες προδιαγραφές για ένα προϊόν.

Επειδή το πεδίο είναι τόσο ευρύ, τα κολέγια και τα πανεπιστήμια συνήθως κατατάσσουν το πεδίο σε διάφορα υποπεδία.

Η κεραμική και η γυάλινη μηχανική είναι αναμφισβήτητα ένας από τους παλαιότερους επιστημονικούς τομείς, καθώς τα πρώτα κεραμικά αγγεία δημιουργήθηκαν πριν από περίπου 12.000 χρόνια. Ενώ καθημερινά αντικείμενα όπως επιτραπέζια σκεύη, τουαλέτες, νεροχύτες και παράθυρα εξακολουθούν να αποτελούν μέρος του πεδίου, πολλές εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας έχουν προκύψει τις τελευταίες δεκαετίες. Η ανάπτυξη του Gorilla Glass από το Corning - το ανθεκτικό γυαλί υψηλής αντοχής που χρησιμοποιείται για σχεδόν όλες τις οθόνες αφής - έχει φέρει επανάσταση σε πολλά τεχνολογικά πεδία. Τα κεραμικά υψηλής αντοχής όπως το καρβίδιο του πυριτίου και το καρβίδιο του βορίου έχουν πολλές βιομηχανικές και στρατιωτικές χρήσεις και τα πυρίμαχα υλικά χρησιμοποιούνται οπουδήποτε βρίσκονται σε υψηλές θερμοκρασίες, από τους πυρηνικούς αντιδραστήρες μέχρι τη θερμική θωράκιση διαστημόπλοιο. Στο ιατρικό μέτωπο, η ανθεκτικότητα και η αντοχή των κεραμικών τους έχει καταστήσει κεντρικό συστατικό πολλών αντικαταστάσεων άρθρωσης.

Οι επιστήμονες του πολυμερούς εργάζονται κυρίως με πλαστικά και ελαστομερή - σχετικά ελαφρά και συχνά εύκαμπτα υλικά που αποτελούνται από μόρια μακριάς αλυσίδας. Από τα πλαστικά μπουκάλια πόσιμου έως τα ελαστικά των αυτοκινήτων με αλεξίσφαιρα γιλέκα Kevlar, τα πολυμερή παίζουν έναν βαθύ ρόλο στον κόσμο μας. Οι σπουδαστές που μελετούν τα πολυμερή θα χρειαστούν ισχυρές δεξιότητες στην οργανική χημεία. Στο χώρο εργασίας, οι επιστήμονες εργάζονται για να δημιουργήσουν πλαστικά που έχουν τη δύναμη, την ευκαμψία, τη σκληρότητα, τις θερμικές ιδιότητες και ακόμη και τα οπτικά χαρακτηριστικά που είναι απαραίτητα για μια δεδομένη εφαρμογή. Ορισμένες τρέχουσες προκλήσεις στον τομέα αυτό περιλαμβάνουν την ανάπτυξη πλαστικών που θα διασπαστούν στο περιβάλλον, και τη δημιουργία συνήθειας πλαστικά για χρήση σε σωτήρια ιατρική διαδικασίες.

Η μεταλλουργική επιστήμη έχει μακρά ιστορία. Ο χαλκός έχει χρησιμοποιηθεί από ανθρώπους για πάνω από 10.000 χρόνια, και πολύ ισχυρότερο σίδηρο πηγαίνει πίσω πάνω από 3.000 χρόνια. Πράγματι, η πρόοδος της μεταλλουργίας μπορεί να συνδεθεί με την άνοδο και την πτώση των πολιτισμών χάρη στις χρήσεις τους σε όπλα και πανοπλίες. Η μεταλλουργία εξακολουθεί να είναι ένα σημαντικό πεδίο για τον στρατό, αλλά έχει επίσης σημαντικό ρόλο στις αυτοκινητοβιομηχανίες, στον υπολογιστή, στον αεροναυτικό τομέα και στις κατασκευαστικές βιομηχανίες. Οι μεταλλουργοί εργάζονται συχνά για να αναπτύξουν μέταλλα και κράματα μετάλλων με τη δύναμη, την ανθεκτικότητα και τις θερμικές ιδιότητες που απαιτούνται για μια συγκεκριμένη εφαρμογή.

Τα ηλεκτρονικά υλικά, με την ευρύτερη έννοια, είναι όλα τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρονικών συσκευών. Αυτός ο υποτομέας της επιστήμης των υλικών μπορεί να περιλαμβάνει τη μελέτη αγωγών, μονωτών και ημιαγωγών. Τα πεδία πληροφορικής και επικοινωνίας εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από ειδικούς σε ηλεκτρονικά υλικά και η ζήτηση εμπειρογνωμόνων θα παραμείνει ισχυρή για το προσεχές μέλλον. Θα ψάχνουμε πάντα για μικρότερες, ταχύτερες, πιο αξιόπιστες ηλεκτρονικές συσκευές και συστήματα επικοινωνίας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή, εξαρτώνται επίσης από τα ηλεκτρονικά υλικά και εξακολουθεί να υπάρχει σημαντικό περιθώριο βελτίωσης της απόδοσης σε αυτό το μέτωπο.

Το πεδίο των βιοϋλικών έχει περάσει εδώ και δεκαετίες, αλλά έχει ξεκινήσει στον εικοστό πρώτο αιώνα. Το όνομα "βιοϋλικό" μπορεί να είναι λίγο παραπλανητικό, διότι δεν αναφέρεται σε βιολογικά υλικά όπως ο χόνδρος ή τα οστά. Αντίθετα, αναφέρεται σε υλικά που αλληλεπιδρούν με ζωντανά συστήματα. Τα βιοϋλικά μπορούν να είναι πλαστικά, κεραμικά, γυαλί, μέταλλα ή σύνθετα, αλλά εξυπηρετούν κάποια λειτουργία που σχετίζεται με ιατρική περίθαλψη ή διάγνωση. Οι τεχνητές βαλβίδες καρδιάς, οι φακοί επαφής και οι τεχνητές αρθρώσεις είναι όλα κατασκευασμένα από βιοϋλικά σχεδιασμένα να έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες που τους επιτρέπουν να εργάζονται σε συνδυασμό με το ανθρώπινο σώμα. Οι τεχνητοί ιστοί, τα νεύρα και τα όργανα είναι μερικές από τις αναδυόμενες ερευνητικές περιοχές σήμερα.

Εάν έχετε σπουδές στην επιστήμη των υλικών και στη μηχανική, θα πρέπει πιθανότατα να σπουδάσετε μαθηματικά διαφορικές εξισώσεις και το βασικό πρόγραμμα σπουδών για το πτυχίο του πτυχιούχου θα περιλαμβάνει πιθανώς τάξεις σε η φυσικη, βιολογία, και χημεία. Άλλα μαθήματα θα είναι πιο εξειδικευμένα και θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν θέματα όπως αυτά:

• Μηχανική Συμπεριφορά Υλικών
• Επεξεργασία Υλικών
• Θερμοδυναμική των υλικών
• Κρυσταλλογραφία και δομή
• Ηλεκτρονικές ιδιότητες υλικών
• Χαρακτηρισμός υλικών
• Σύνθετα υλικά
• Βιοϊατρικά υλικά
• Πολυμερή

Σε γενικές γραμμές, μπορείτε να περιμένετε πολλά χημεία και φυσική στο πρόγραμμα σπουδών για την επιστήμη των υλικών. Θα έχετε πολλά μαθήματα επιλογής, καθώς αποφασίζετε για μια ειδικότητα όπως τα πλαστικά, τα κεραμικά ή τα μέταλλα.

Αν ενδιαφέρεστε για την επιστήμη και τη μηχανική των υλικών, είναι πιθανό να βρείτε τα καλύτερα προγράμματα σε ολοκληρωμένα πανεπιστήμια και τεχνολογικά ινστιτούτα Μικρότερα περιφερειακά πανεπιστήμια και φιλελεύθερες σχολές τεχνών δεν τείνουν να έχουν ισχυρά προγράμματα στη μηχανική, ειδικά ένα διεπιστημονικό πεδίο όπως η επιστήμη των υλικών που απαιτεί σημαντική εργαστηριακή υποδομή. Ισχυρά προγράμματα στην επιστήμη των υλικών μπορούν να βρεθούν στα ακόλουθα σχολεία στις Ηνωμένες Πολιτείες:

• Καλιφόρνια Ινστιτούτο Τεχνολογίας (Caltech)
• Πανεπιστήμιο Κάρνεγκυ Μέλλον
• Πανεπιστήμιο Cornell
• Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας (Georgia Tech)
• Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ)
• Northwestern University
• πανεπιστημιο του Στανφορντ
• Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ
• Πανεπιστήμιο του Ιλλινόις στην Urbana-Champaign
• Πανεπιστήμιο του Michigan στο Ann Arbor

Λάβετε υπόψη ότι όλα αυτά τα σχολεία είναι ιδιαίτερα επιλεκτικά. Στην πραγματικότητα, το MIT, Caltech, Northwestern και Stanford είναι μεταξύ των 20 πιο επιλεκτικά κολέγια στη χώρα, και ο Κορνέλ δεν είναι πολύ πίσω.

Σχεδόν όλοι οι πτυχιούχοι μηχανικών έχουν καλές προοπτικές εργασίας στον τεχνολογικό μας κόσμο, και η επιστήμη και η μηχανική των υλικών δεν αποτελούν εξαίρεση. Τα δυνητικά κέρδη σας, φυσικά, θα συνδέονται με το είδος της εργασίας που επιδιώκετε. Οι επιστήμονες των υλικών μπορούν να εργαστούν σε ιδιωτικούς, κυβερνητικούς ή εκπαιδευτικούς τομείς. Payscale.com δηλώνει ότι ο μέσος μισθός για έναν υπάλληλο με πτυχίο στην επιστήμη των υλικών ήταν 67.900 δολάρια νωρίς σε μια καριέρα και 106.300 δολάρια από τη μέση σταδιοδρομία.