Věda o materiálech je multidisciplinární obor STEM, který zahrnuje vytváření a výrobu nových materiálů se specifickými požadovanými vlastnostmi. Vědy o materiálech leží na hranici mezi strojírenstvím a přírodními vědami, a proto je pole často označováno oběma pojmy: „věda o materiálech a strojírenství“.
Vývoj a testování nových materiálů vychází z mnoha oborů včetně chemie, fyziky, biologie, matematiky, strojírenství a elektrotechniky.
Klíčové cesty: věda o materiálech
- Věda o materiálu je široké, interdisciplinární pole zaměřené na vytváření materiálů, které mají specifické vlastnosti.
- Specializace v oboru zahrnují plasty, keramiku, kovy, elektrické materiály nebo biomateriály.
- Typický učební plán přírodních věd zdůrazňuje matematiku, chemii a fyziku.
Specializace v materiálových vědách
Sklo obrazovky vašeho mobilního telefonu, polovodiče používané k výrobě sluneční energie, tlumení nárazů plasty fotbalové přilby a kovové slitiny v rámu kola jsou všechny výrobky z materiálů vědci. Někteří vědci v oblasti materiálů pracují na vědeckém konci spektra, když navrhují a řídí chemické reakce a vytvářejí nové materiály. Jiní pracují mnohem více na aplikované vědecké a inženýrské straně oboru, protože testují materiály na konkrétní aplikací, vyvinout metody výroby nových materiálů a přizpůsobit vlastnosti materiálů požadovaným specifikacím pro produkt.
Protože je pole tak široké, vysoké školy a univerzity obvykle rozdělují pole na několik podpolí.
Keramika a sklo
Keramické a sklářské inženýrství je patrně jedním z nejstarších vědních oborů, protože první keramické nádoby byly vytvořeny přibližně před 12 000 lety. Zatímco každodenní předměty jako nádobí, toalety, dřezy a okna jsou stále součástí oboru, v posledních desetiletích se objevilo mnoho high-tech aplikací. Vývoj Gorilla Glass od společnosti Corning - vysoce odolného a odolného skla používaného téměř pro všechny dotykové obrazovky - způsobil revoluci v mnoha technologických oborech. Keramika s vysokou pevností, jako je karbid křemíku a karbid boru, má četné průmyslové a vojenské použití a žáruvzdorné materiály se používají všude tam, kde jsou ve hře vysoké teploty, od jaderných reaktorů po tepelné stínění kosmická loď. Z lékařského hlediska je trvanlivost a síla keramiky z nich stala ústřední součástí mnoha náhrad kloubů.
Polymery
Vědci z polymerů pracují především s plasty a elastomery - relativně lehkými a často pružnými materiály, které jsou tvořeny dlouhými řetězci podobných molekul. Od plastových nápojových lahví po pneumatiky automobilů až po neprůstřelné vesty Kevlar, hrají polymery v našem světě zásadní roli. Studenti, kteří studují polymery, budou potřebovat silné dovednosti v organické chemii. Na pracovišti vědci vytvářejí plasty, které mají pevnost, flexibilitu, tvrdost, tepelné vlastnosti a dokonce i optické vlastnosti nezbytné pro danou aplikaci. Některé současné výzvy v této oblasti zahrnují vývoj plastů, které se rozpadnou v životním prostředí, a vytváření vlastních plastů pro použití v lékařských postupech zachraňujících život.
Kovy
Hutní věda má dlouhou historii. Měď byla používána lidmi více než 10 000 let a mnohem silnější železo se vrací přes 3 000 let. Pokroky v metalurgii mohou být skutečně spojeny se vzestupem a pádem civilizací díky jejich použití ve zbraních a brnění. Metalurgie je stále důležitým oborem pro armádu, ale také hraje významnou roli v automobilovém, počítačovém, leteckém a stavebním průmyslu. Metalurgové často pracují na vývoji kovů a jejich slitin s pevností, trvanlivostí a tepelnými vlastnostmi, které jsou pro danou aplikaci potřebné.
Elektronické materiály
Elektronické materiály jsou v nejširším slova smyslu jakékoli materiály používané k vytváření elektronických zařízení. Toto podpole vědy o materiálech může zahrnovat studium dirigentů, izolátorů a polovodičů. Počítačová a komunikační pole se do značné míry spoléhají na odborníky na elektronické materiály a poptávka po odbornících zůstane v dohledné budoucnosti silná. Vždy budeme hledat menší, rychlejší a spolehlivější elektronická zařízení a komunikační systémy. Obnovitelné zdroje energie, jako je sluneční energie, také závisí na elektronických materiálech a na této frontě stále existuje značný prostor pro zlepšení účinnosti.
Biomateriály
Pole biomateriálů existuje po celá desetiletí, ale vzlétlo v 21. století. Název „biomateriál“ může být trochu zavádějící, protože se nevztahuje na biologické materiály, jako je chrupavka nebo kost. Místo toho se odkazuje na materiály, které interagují s živými systémy. Biomateriály mohou být plastové, keramické, skleněné, kovové nebo kompozitní, ale plní určitou funkci související s lékařským ošetřením nebo diagnostikou. Umělé srdeční chlopně, kontaktní čočky a umělé klouby jsou vyrobeny z biomateriálů navržených tak, aby měly specifické vlastnosti, které jim umožňují pracovat ve spojení s lidským tělem. Umělé tkáně, nervy a orgány jsou dnes jednou z nově vznikajících výzkumných oblastí.
Vysokoškolské práce v materiálových vědách
Pokud se specializujete na vědu a techniku materiálů, budete pravděpodobně muset studovat matematiku diferenciální rovnice a základní kurikulum pro bakalářský titul budou pravděpodobně zahrnovat třídy v fyzika, biologie, a chemie. Ostatní kurzy budou specializovanější a mohou zahrnovat témata jako jsou tato:
- Mechanické chování materiálů
- Zpracování materiálů
- Termodynamika materiálů
- Krystalografie a struktura
- Elektronické vlastnosti materiálů
- Charakterizace materiálů
- Kompozitní materiály
- Biomedicínské materiály
- Polymery
Obecně lze v učebních osnovách přírodních věd očekávat hodně chemie a fyziky. Budete mít mnoho volitelných z čeho vybírat, když se rozhodnete pro specialitu, jako jsou plasty, keramika nebo kovy.
Nejlepší školy pro materiálové vědy
Máte-li zájem o vědu o materiálech a strojírenství, pravděpodobně najdete ty nejlepší programy na komplexních univerzitách a technologických ústavech Menších regionálních univerzit a vysoké školy svobodných umění nemají tendenci mít robustní programy ve strojírenství, zejména interdisciplinární obor, jako je věda o materiálech, která vyžaduje významnou laboratorní infrastrukturu. Silné programy v oblasti materiálových věd lze nalézt na následujících školách ve Spojených státech:
- Kalifornský technologický institut (Caltech)
- Univerzita Carnegie Mellon University
- Cornell University
- Technologický institut v Georgii (Georgia Tech)
- Technologický institut v Massachusetts (MIT)
- Severozápadní univerzita
- Stanfordská Univerzita
- University of California v Berkeley
- University of Illinois v Urbana-Champaign
- University of Michigan v Ann Arbor
Mějte na paměti, že všechny tyto školy jsou vysoce selektivní. Ve skutečnosti patří MIT, Caltech, Northwestern a Stanford mezi 20 nejvíce selektivní vysoké školy v zemia Cornell není pozadu.
Průměrný plat vědců za materiály
Téměř všichni absolventi inženýrství mají v našem technologickém světě dobré vyhlídky na práci a věda o materiálech a strojírenství nejsou výjimkou. Vaše potenciální výdělky budou samozřejmě vázány na typ vykonávané práce. Vědci materiálů mohou pracovat v soukromém, vládním nebo školském sektoru. Payscale.com uvádí, že průměrný plat pro zaměstnance s bakalářským titulem ve vědě o materiálech je 67 900 USD na začátku kariéry a 106 300 USD na střední kariéře.