Che cos'è la scienza dei materiali?

La scienza dei materiali è un campo STEM multidisciplinare che prevede la creazione e la fabbricazione di nuovi materiali con proprietà specifiche desiderate. La scienza dei materiali si trova al confine tra ingegneria e scienze naturali, e per questo motivo, il campo è spesso etichettato con entrambi i termini: "scienza dei materiali e ingegneria".

Lo sviluppo e il collaudo di nuovi materiali attinge a numerosi settori tra cui chimica, fisica, biologia, matematica, ingegneria meccanica e ingegneria elettrica.

Key Takeaways: scienza dei materiali

• La scienza dei materiali è un campo ampio e interdisciplinare incentrato sulla creazione di materiali con proprietà specifiche.
• Le specializzazioni nel campo includono materie plastiche, ceramiche, metalli, materiali elettrici o biomateriali.
• Un tipico curriculum di scienza dei materiali sottolinea la matematica, la chimica e la fisica.

Specializzazioni in Scienza dei materiali

Il vetro dello schermo del tuo cellulare, i semiconduttori utilizzati per generare energia solare, la plastica che assorbe gli urti di un casco da football e le leghe metalliche nel telaio della bicicletta sono tutti prodotti degli scienziati dei materiali. Alcuni scienziati dei materiali lavorano all'estremità scientifica dello spettro mentre progettano e controllano le reazioni chimiche per creare nuovi materiali. Altri lavorano molto di più sul lato scientifico e ingegneristico del campo mentre testano materiali per applicazioni specifiche, sviluppano metodi per produrre nuovi materiali e abbinano le proprietà dei materiali alle specifiche richieste per un prodotto.

Poiché il campo è così ampio, i college e le università in genere suddividono il campo in diversi sottocampi.

Ceramica e vetro

L'ingegneria della ceramica e del vetro è probabilmente uno dei campi scientifici più antichi, poiché le prime navi in ​​ceramica furono create circa 12.000 anni fa. Mentre oggetti di uso quotidiano come stoviglie, servizi igienici, lavandini e finestre sono ancora parte del campo, negli ultimi decenni sono emerse molte applicazioni ad alta tecnologia. Lo sviluppo di Gorilla Glass di Corning, il vetro resistente e duraturo utilizzato per quasi tutti i touchscreen, ha rivoluzionato molti campi tecnologici. Le ceramiche ad alta resistenza come il carburo di silicio e il carburo di boro hanno numerosi usi industriali e militari e materiali refrattari sono utilizzati ovunque siano in gioco alte temperature, dai reattori nucleari alla schermatura termica su veicoli spaziali. Sul fronte medico, la durabilità e la resistenza della ceramica li ha resi un componente centrale di molte sostituzioni articolari.

polimeri

Gli scienziati dei polimeri lavorano principalmente con materie plastiche ed elastomeri, materiali relativamente leggeri e spesso flessibili costituiti da molecole simili a catene lunghe. Dalle bottiglie di plastica alle gomme delle auto ai giubbotti in kevlar antiproiettile, i polimeri svolgono un ruolo profondo nel nostro mondo. Gli studenti che studiano i polimeri avranno bisogno di forti competenze in chimica organica. Sul posto di lavoro, gli scienziati lavorano per creare materiali plastici che abbiano la resistenza, la flessibilità, la durezza, le proprietà termiche e persino le caratteristiche ottiche necessarie per una determinata applicazione. Alcune attuali sfide nel settore includono lo sviluppo di materie plastiche che si guastano nell'ambiente e la creazione di materie plastiche personalizzate da utilizzare in procedure mediche salvavita.

metalli

La scienza metallurgica ha una lunga storia. Il rame è stato utilizzato dall'uomo per oltre 10.000 anni e il ferro molto più forte risale a oltre 3000 anni. In effetti, i progressi nella metallurgia possono essere collegati all'ascesa e alla caduta delle civiltà grazie al loro uso in armi e armature. La metallurgia è ancora un campo importante per i militari, ma ha anche un ruolo significativo nel settore automobilistico, informatico, aeronautico e delle costruzioni. I metallurgisti lavorano spesso per sviluppare metalli e leghe metalliche con la resistenza, la durabilità e le proprietà termiche richieste per una data applicazione.

Materiali elettronici

I materiali elettronici, in senso lato, sono tutti i materiali utilizzati per la creazione di dispositivi elettronici. Questo sottocampo della scienza dei materiali può comportare lo studio di conduttori, isolanti e semiconduttori. I settori dell'informatica e della comunicazione dipendono fortemente da specialisti in materiali elettronici e la domanda di esperti rimarrà forte per il prossimo futuro. Cercheremo sempre dispositivi elettronici e sistemi di comunicazione più piccoli, più veloci e più affidabili. Le fonti di energia rinnovabile come il solare dipendono anche da materiali elettronici e vi è ancora spazio significativo per progressi in termini di efficienza su questo fronte.

biomateriali

Il campo dei biomateriali esiste da decenni, ma è decollato nel ventunesimo secolo. Il nome "biomateriale" può essere un po 'fuorviante, poiché non si riferisce a materiali biologici come la cartilagine o l'osso. Invece, si riferisce a materiali che interagiscono con i sistemi viventi. I biomateriali possono essere di plastica, ceramica, vetro, metallo o composito, ma svolgono alcune funzioni relative al trattamento medico o alla diagnosi. Le valvole cardiache artificiali, le lenti a contatto e le articolazioni artificiali sono tutte realizzate con biomateriali progettati per avere proprietà specifiche che consentono loro di lavorare in combinazione con il corpo umano. I tessuti, i nervi e gli organi artificiali sono oggi alcune delle aree di ricerca emergenti.

Corsi universitari in Scienza dei materiali

Se sei specialista in scienze dei materiali e ingegneria, molto probabilmente dovrai studiare la matematica attraverso equazioni differenziali e il curriculum di base per un diploma di laurea includerà probabilmente lezioni di fisica, biologia e chimica. Altri corsi saranno più specializzati e potrebbero includere argomenti come questi: