Was ist Materialwissenschaft?

Die Materialwissenschaft ist ein multidisziplinäres MINT-Gebiet, in dem neue Materialien mit bestimmten gewünschten Eigenschaften geschaffen und hergestellt werden. Die Materialwissenschaft befindet sich an der Grenze zwischen Ingenieur- und Naturwissenschaften, weshalb das Gebiet häufig mit beiden Begriffen bezeichnet wird: "Materialwissenschaft und -technik".

Die Entwicklung und Erprobung neuer Materialien stützt sich auf zahlreiche Bereiche, darunter Chemie, Physik, Biologie, Mathematik, Maschinenbau und Elektrotechnik.

Key Takeaways: Materialwissenschaft

• Die Materialwissenschaft ist ein breites, interdisziplinäres Feld, in dem Materialien mit spezifischen Eigenschaften hergestellt werden.
• Spezialisierungen auf diesem Gebiet umfassen Kunststoffe, Keramik, Metalle, elektrische Materialien oder Biomaterialien.
• Ein typischer materialwissenschaftlicher Lehrplan konzentriert sich auf Mathematik, Chemie und Physik.

Spezialisierungen in Materialwissenschaften

Das Glas Ihres Handy-Bildschirms, die zur Erzeugung von Sonnenenergie verwendeten Halbleiter, die stoßdämpfenden Kunststoffe eines Football-Helms und die Metalllegierungen in Ihrem Fahrradrahmen sind alles Produkte von Materialwissenschaftlern. Einige Materialwissenschaftler arbeiten am wissenschaftlichen Ende des Spektrums, während sie chemische Reaktionen entwerfen und steuern, um neue Materialien zu erzeugen. Andere befassen sich viel mehr mit angewandten Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften, indem sie Materialien für bestimmte Anwendungen testen, Methoden zur Herstellung neuer Materialien entwickeln und die Materialeigenschaften an die für ein Produkt erforderlichen Spezifikationen anpassen.

Weil das Feld so breit ist, teilen Colleges und Universitäten das Feld normalerweise in mehrere Unterfelder auf.

Keramik und Glas

Die Keramik- und Glastechnik ist wohl eines der ältesten Wissenschaftsgebiete, denn die ersten Keramikgefäße wurden vor etwa 12.000 Jahren hergestellt. Während Alltagsgegenstände wie Geschirr, Toiletten, Waschbecken und Fenster immer noch Teil des Feldes sind, sind in den letzten Jahrzehnten viele High-Tech-Anwendungen entstanden. Die Entwicklung von Gorilla Glass durch Corning - das hochfeste, langlebige Glas, das für fast alle Touchscreens verwendet wird - hat viele technologische Bereiche revolutioniert. Hochfeste Keramiken wie Siliciumcarbid und Borcarbid finden zahlreiche industrielle und militärische Anwendungen, und feuerfeste Materialien werden überall dort eingesetzt, wo hohe Temperaturen herrschen, von Kernreaktoren bis hin zur thermischen Abschirmung von Raumfahrzeugen. Im medizinischen Bereich ist Keramik aufgrund ihrer Langlebigkeit und Festigkeit ein zentraler Bestandteil vieler Gelenkersatzprodukte.

Polymere

Polymerwissenschaftler arbeiten hauptsächlich mit Kunststoffen und Elastomeren - relativ leichten und oft flexiblen Materialien, die aus langkettigen Molekülen bestehen. Von Kunststofftrinkflaschen über Autoreifen bis hin zu kugelsicheren Kevlar-Westen spielen Polymere eine wichtige Rolle in unserer Welt. Studenten, die Polymere studieren, benötigen starke Kenntnisse in organischer Chemie. Am Arbeitsplatz arbeiten Wissenschaftler daran, Kunststoffe herzustellen, die die Festigkeit, Flexibilität, Härte, thermischen Eigenschaften und sogar optischen Eigenschaften aufweisen, die für eine bestimmte Anwendung erforderlich sind. Zu den aktuellen Herausforderungen auf diesem Gebiet zählen die Entwicklung von Kunststoffen, die in der Umwelt zersetzt werden, und die Entwicklung von kundenspezifischen Kunststoffen für lebensrettende medizinische Verfahren.

Metalle

Die Metallurgie hat eine lange Geschichte. Kupfer wird seit über 10.000 Jahren vom Menschen verwendet, und viel stärkeres Eisen hat eine Lebensdauer von über 3.000 Jahren. Tatsächlich können Fortschritte in der Metallurgie dank ihrer Verwendung in Waffen und Rüstungen mit dem Aufstieg und Fall von Zivilisationen in Verbindung gebracht werden. Die Metallurgie ist nach wie vor ein wichtiges Feld für das Militär, spielt aber auch eine wichtige Rolle in der Auto-, Computer-, Luftfahrt- und Bauindustrie. Metallurgen arbeiten häufig an der Entwicklung von Metallen und Metalllegierungen mit der für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Festigkeit, Haltbarkeit und thermischen Eigenschaften.

Elektronische Materialien

Elektronische Materialien im weitesten Sinne sind alle Materialien, die zur Herstellung elektronischer Geräte verwendet werden. Dieses Teilgebiet der Materialwissenschaften kann das Studium von Leitern, Isolatoren und Halbleitern umfassen. Die Computer- und Kommunikationsbranche ist stark von Spezialisten für elektronische Materialien abhängig, und der Bedarf an Experten wird auf absehbare Zeit hoch bleiben. Wir werden immer nach kleineren, schnelleren und zuverlässigeren elektronischen Geräten und Kommunikationssystemen suchen. Erneuerbare Energiequellen wie Solar hängen auch von elektronischen Materialien ab, und in dieser Hinsicht besteht noch erheblicher Spielraum für Effizienzsteigerungen.

Biomaterialien

Das Gebiet der Biomaterialien gibt es seit Jahrzehnten, aber es hat sich im einundzwanzigsten Jahrhundert entwickelt. Der Name "Biomaterial" kann etwas irreführend sein, da er sich nicht auf biologische Materialien wie Knorpel oder Knochen bezieht. Stattdessen bezieht es sich auf Materialien, die mit lebenden Systemen interagieren. Biomaterialien können aus Kunststoff, Keramik, Glas, Metall oder Verbundmaterial bestehen, sie erfüllen jedoch einige Funktionen im Zusammenhang mit der medizinischen Behandlung oder Diagnose. Künstliche Herzklappen, Kontaktlinsen und künstliche Gelenke bestehen aus Biomaterialien, die bestimmte Eigenschaften aufweisen, die es ihnen ermöglichen, mit dem menschlichen Körper zusammenzuarbeiten. Künstliche Gewebe, Nerven und Organe gehören heute zu den aufstrebenden Forschungsgebieten.

Studienleistungen in Materialwissenschaften

Wenn Sie einen Schwerpunkt in Materialwissenschaften und -technik haben, müssen Sie höchstwahrscheinlich Mathematik durch Differentialgleichungen studieren, und der Kernlehrplan für einen Bachelor-Abschluss umfasst wahrscheinlich Kurse in Physik, Biologie und Chemie. Andere Kurse sind spezialisierter und können folgende Themen umfassen: