מהו מדע חומרים? קורסים במכללות, משרות, משכורות

מדע החומרים הוא תחום STEM רב תחומי הכולל יצירה וייצור של חומרים חדשים בעלי תכונות רצויות ספציפיות. מדעי החומרים יושבים בגבול שבין הנדסה למדעי הטבע, ומסיבה זו, התחום מתויג לרוב בשני המונחים: "מדע חומרים והנדסה."

פיתוח ובדיקה של חומרים חדשים מסתמך על תחומים רבים הכוללים כימיה, פיזיקה, ביולוגיה, מתמטיקה, הנדסת מכונות והנדסת חשמל.

טעימות עיקריות: מדע חומרים

הזכוכית של מסך הטלפון הסלולרי שלך, המוליכים למחצה המשמשים לייצור אנרגיה סולארית, סופגת זעזועים פלסטיק של קסדת כדורגל וסגסוגות המתכת במסגרת האופניים שלך הם כל המוצרים של חומרים מדענים. ישנם מדעני חומרים העובדים בקצה המדע של הספקטרום כאשר הם מתכננים ושולטים על תגובות כימיות ליצירת חומרים חדשים. אחרים עובדים הרבה יותר על המדע היישומי וההנדסי של התחום כאשר הם בוחנים חומרים ספציפיים יישומים, לפתח שיטות לייצור חומרים חדשים ולהתאים את תכונות החומרים למפרטים הנדרשים למוצר.

מכיוון שהתחום כה רחב, מכללות ואוניברסיטאות בדרך כלל מפרקות את התחום למספר תחומי משנה.

הנדסת קרמיקה וזכוכית היא ללא ספק אחד התחומים המדעיים העתיקים ביותר, שכן כלי הקרמיקה הראשונים נוצרו לפני כ 12,000 שנה. בעוד שחפצים יומיומיים כמו כלי שולחן, שירותים, כיורים וחלונות הם עדיין חלק מהתחום, יישומי היי-טק רבים צצו בעשורים האחרונים. הפיתוח של קורנינג בזכוכית גורילה - הזכוכית העמידה והחזקה ביותר המשמשת כמעט לכל מסכי המגע - חולל מהפכה בתחומים טכנולוגיים רבים. לקרמיקה בעלת חוזק גבוה כגון סיליקון קרביד ובור קרביד יש שימושים רבים בתעשייה וצבא, ו חומרים עקשן משמשים בכל מקום בו טמפרטורות גבוהות מופעלות, החל מכורים גרעיניים למיגון התרמי חללית. בחזית הרפואית, העמידות והחוזק של הקרמיקה הפכו אותם למרכיב מרכזי בהחלפות מפרקים רבות.

מדעני פולימר עובדים בעיקר עם פלסטיקה ואלסטומרים - חומרים קלים יחסית ולעתים גמישים המורכבים ממולקולות ארוכות שרשרת. החל מבקבוקי שתייה מפלסטיק ועד צמיגי מכוניות ועד אפודי קפלר מוגני כדורים, פולימרים ממלאים תפקיד עמוק בעולמנו. סטודנטים שלומדים פולימרים יזדקקו לכישורים חזקים בכימיה אורגנית. במקום העבודה, מדענים פועלים ליצירת פלסטיקים בעלי חוזק, גמישות, קשיות, תכונות תרמיות ואפילו מאפיינים אופטיים הנחוצים ליישום נתון. כמה אתגרים עכשוויים בתחום כוללים פיתוח פלסטיק שיתפרק בסביבה ויצירת פלסטיק בהתאמה אישית לשימוש בהליכים רפואיים מצילי חיים.

למדע המתכות יש היסטוריה ארוכה. נחושת נמצאת בשימוש על ידי בני אדם במשך למעלה מ -10,000 שנה, וברזל חזק בהרבה חוזר על פני 3,000 שנה. אכן, ההתקדמות במתכות יכולה להיות קשורה לעלייה וירידה של התרבויות בזכות השימושים שלהם בכלי נשק ושריון. מטלורגיה היא עדיין תחום חשוב עבור הצבא, אך יש לה גם תפקיד משמעותי בענף הרכב, המחשוב, האווירונאוטיקה והבנייה. מטלורגיסטים עובדים לרוב על פיתוח מתכות וסגסוגות מתכת בעלות חוזק, עמידות ותכונות תרמיות הנדרשות ליישום נתון.

חומרים אלקטרוניים, במובן הרחב ביותר, הם כל החומרים המשמשים ליצירת מכשירים אלקטרוניים. תת-תחום זה של מדעי החומרים יכול לכלול חקר מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה. תחומי המחשבים והתקשורת נשענים מאוד על מומחים בחומרים אלקטרוניים, והביקוש למומחים יישאר חזק לעתיד הנראה לעין. אנו תמיד נחפש מכשירים אלקטרוניים קטנים ומהירים יותר ואמינים יותר של מערכות תקשורת. מקורות אנרגיה מתחדשים כמו השמש תלויים גם בחומרים אלקטרוניים, ועדיין יש מקום משמעותי להתקדמות ביעילות בחזית זו.

תחום החומרים הביולוגיים קיים כבר עשרות שנים, אך הוא המריא במאה העשרים ואחת. השם "ביו-חומר" יכול להיות מעט מטעה, מכיוון שהוא אינו מתייחס לחומרים ביולוגיים כמו סחוס או עצם. במקום זאת, זה מתייחס לחומרים שקיימים אינטראקציה עם מערכות חיות. חומרים ביו-חומרים יכולים להיות מפלסטיק, קרמיקה, זכוכית, מתכת או מורכב, אך הם משרתים פונקציה מסוימת הקשורה לטיפול או לאבחון רפואי. שסתומי לב מלאכותיים, עדשות מגע ומפרקים מלאכותיים עשויים כולם מחומרים ביולוגיים המיועדים לתכונות ספציפיות המאפשרות להם לעבוד בשילוב עם גוף האדם. רקמות מלאכותיות, עצבים ואיברים הם חלק מתחומי המחקר המתעוררים כיום.

אם אתה עוסק במדעי חומרים והנדסה, סביר להניח שתצטרך ללמוד מתמטיקה משוואות דיפרנציאליות ותכנית הליבה לתואר ראשון תכלול ככל הנראה שיעורים בתוך פיזיקה, ביולוגיה, ו כימיה. קורסים אחרים יהיו מיוחדים יותר ויכולים לכלול נושאים כמו אלה:

• התנהגות מכנית של חומרים
• עיבוד חומרים
• תרמודינמיקה של חומרים
• קריסטלוגרפיה ומבנה
• מאפיינים אלקטרוניים של חומרים
• אפיון חומרים
• חומרים מרוכבים
• חומרים ביו-רפואיים
• פולימרים

באופן כללי, אתה יכול לצפות להרבה כימיה ופיזיקה בתוכנית הלימודים למדע החומרים שלך. יהיו לך אפשרויות בחירה רבות לבחירתך כאשר אתה מחליט על מומחיות כגון פלסטיק, קרמיקה או מתכות.

אם אתם מעוניינים במדע חומרים והנדסה, סביר להניח שתמצאו את התוכניות הטובות ביותר באוניברסיטאות ובמכונים טכנולוגיים מקיפים באוניברסיטאות אזוריות קטנות יותר מכללות לאומנויות ליברליות לא נוטים לקיים תכניות חזקות בהנדסה, במיוחד תחום בין תחומי כמו מדעי חומרים הדורשים תשתיות מעבדה משמעותיות. תוכניות חזקות במדע החומרים ניתן למצוא בבתי הספר הבאים בארצות הברית:

• המכון הטכנולוגי בקליפורניה (Caltech)
• אוניברסיטת קרנגי מלון
• אוניברסיטת קורנל
• מכון טכנולוגי לג'ורג'יה (ג'ורג'יה טק)
• המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT)
• האוניברסיטה הצפון מערבית
• אוניברסיטת סטנפורד
• אוניברסיטת קליפורניה בברקלי
• אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין
• אוניברסיטת מישיגן באן ארבור

זכור כי כל בתי הספר הללו הם בררניים ביותר. למעשה MIT, קלטק, צפון-מערב וסטנפורד מדורגים בין העשרים המכללות הסלקטיביות ביותר במדינה, וקורנל לא הרחק מאחור.

כמעט לכל בוגרי ההנדסה יש סיכויים טובים לעבודה בעולמנו הטכנולוגי, ומדע חומרים והנדסה אינו יוצא מן הכלל. הרווחים הפוטנציאליים שלך, כמובן, יהיו קשורים לסוג העבודה שאתה מחפש. מדעני חומרים יכולים לעבוד במגזר הפרטי, הממשלתי או החינוכי. Payscale.com קובע כי השכר הממוצע לעובד עם תואר ראשון במדע חומרים הוא 67,900 $ בתחילת הקריירה, ו -106,300 $ באמצע הקריירה.