Hva er materialvitenskap?

Nødvendig kurs, jobbutsikter og gjennomsnittlig lønn for nyutdannede

Vincenzo Lombardo / Photographer's Choice / Getty Images

Materialvitenskap er et tverrfaglig STEM-felt som involverer opprettelse og produksjon av nye materialer med spesifikke ønskede egenskaper. Materialvitenskap sitter 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.

Viktige ting: Materialvitenskap

• Materialvitenskap er et bredt, tverrfaglig felt fokusert på å lage materialer som har de spesifikke egenskapene.
• Spesialiseringer innen feltet inkluderer plast, keramikk, metaller, elektriske materialer eller biomaterialer.
• En typisk materialvitenskapelig læreplan legger vekt på matematikk, kjemi og fysikk.

Spesialisering i materialvitenskap

Glasset på mobiltelefonskjermen, halvlederne som brukes til å generere solenergi, den støtdempende plasten til en fotballhjelm og metallegeringene i sykkelrammen er alle produkter fra materialforskere. 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 den anvendte vitenskapen og ingeniørsiden av feltet når de tester materialer for spesifikke bruksområder, utvikler metoder for å produsere nye materialer og matcher materialenes egenskaper til spesifikasjonene som kreves for et produkt.

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

Keramikk og glass

Keramikk- og glassteknikk er uten tvil et av de eldste vitenskapsfeltene, for de første keramiske karene ble skapt for rundt 12 000 år siden. Mens hverdagslige gjenstander som servise, toaletter, vasker og vinduer fortsatt er en del av feltet, har mange høyteknologiske applikasjoner dukket opp de siste tiårene. Cornings utvikling av Gorilla Glass – det høystyrke, slitesterke glasset som brukes til nesten alle berøringsskjermer – har revolusjonert mange teknologiske felt. Høystyrkekeramikk som silisiumkarbid og borkarbid har mange industrielle og militære bruksområder, og ildfaste materialer brukes overalt hvor høye temperaturer er i spill, fra atomreaktorer til termisk skjerming på romfartøy. På den medisinske fronten har holdbarheten og styrken til keramikk gjort dem til en sentral komponent i mange ledderstatninger.

Polymerer

Polymerforskere jobber først og fremst med plast og elastomerer - relativt lette og ofte fleksible materialer som består av lange kjedelignende molekyler. Fra drikkeflasker av plast til bildekk til skuddsikre Kevlar-vester, polymerer spiller en viktig rolle i vår verden. Studenter som studerer polymerer vil trenge sterke ferdigheter i organisk kjemi. På arbeidsplassen jobber forskere for å lage plast som har styrken, fleksibiliteten, hardheten, termiske egenskapene og til og med optiske egenskaper som er nødvendige for en gitt applikasjon. Noen aktuelle utfordringer på feltet inkluderer å utvikle plast som vil brytes ned i miljøet, og lage tilpasset plast for bruk i livreddende medisinske prosedyrer.

Metaller

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. Faktisk kan fremskritt innen metallurgi kobles til oppgang og fall 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-, luftfarts- og byggebransjen. Metallurger jobber ofte med å utvikle metaller og metallegeringer med styrke, holdbarhet og termiske egenskaper som kreves for en gitt applikasjon.

Elektroniske materialer

Elektronisk materiale, i vid forstand, er alle materialer som brukes til å lage elektroniske enheter. Dette underfeltet av materialvitenskap kan involvere studiet av ledere, isolatorer og halvledere. Data- og kommunikasjonsfeltene er sterkt avhengige av spesialister innen elektronisk materiale, og etterspørselen etter eksperter vil være stor i overskuelig fremtid. Vi vil alltid se etter mindre, raskere og mer pålitelige elektroniske enheter og kommunikasjonssystemer. Fornybare energikilder som solenergi er også avhengig av elektroniske materialer, og det er fortsatt betydelig rom for fremskritt i effektivitet på denne fronten.

Biomaterialer

Feltet for 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 tjener en funksjon knyttet til medisinsk behandling eller diagnose. Kunstige hjerteklaffer, kontaktlinser og kunstige ledd er alle laget av biomaterialer designet for å ha spesifikke egenskaper som gjør at de kan fungere sammen med menneskekroppen. Kunstig vev, nerver og organer er noen av de nye forskningsområdene i dag.

Høyskolekurs i materialvitenskap

Hvis du har hovedfag i materialvitenskap og ingeniørfag, må du mest sannsynlig studere matematikk gjennom differensialligninger, og kjerneplanen for en bachelorgrad vil sannsynligvis inkludere klasser ifysikk,biologi, ogkjemi. Andre kurs vil være mer spesialiserte og kan inkludere emner som disse:

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

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

De beste skolene for hovedfag i materialvitenskap

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 ikke pleier å ha robuste programmer innen ingeniørfag, spesielt et tverrfaglig felt som materialvitenskap som krever betydelig laboratorieinfrastruktur. Sterke programmer i materialvitenskap kan bli funnet på følgende skoler i USA:

• California Institute of Technology (Caltech)
• Cornell University
• Massachusetts Institute of Technology(MED)
• Northwestern University
• Universitetet i Stanford
• University of California i Berkeley
• University of Illinois i Urbana-Champaign
• 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 bak.

  Gjennomsnittlig lønn for materialforsker

  Nesten alle ingeniørutdannede har gode jobbmuligheter i vår teknologiske verden, og materialvitenskap og ingeniørfag er intet unntak. Din potensielle inntekt vil selvfølgelig være knyttet til den type jobb du forfølger. Materialforskere kan jobbe i private, offentlige eller utdanningssektorer. payscale.com sier at gjennomsnittslønnen for en ansatt med en bachelorgrad i materialvitenskap er $67 900 tidlig i en karriere, og $106 300 i midten av karrieren.