材料科学とは？

必要なコースワーク、就職の見通し、卒業生の平均給与

Vincenzo Lombardo /写真家の選択/ゲッティイメージズ

材料科学は、特定の望ましい特性を持つ新しい材料の作成と製造を含む学際的な STEM 分野です。材料科学は工学と自然科学の境界に位置するため、この分野はしばしば「材料科学と工学」という両方の用語で分類されます。

新しい材料の開発とテストは、化学、物理学、生物学、数学、機械工学、電気工学など、さまざまな分野を利用しています。

重要ポイント: 材料科学

• 材料科学は、特定の特性を持つ材料の作成に焦点を当てた幅広い学際的な分野です。
• この分野の専門分野には、プラスチック、セラミック、金属、電気材料、または生体材料が含まれます。
• 典型的な材料科学のカリキュラムは、数学、化学、および物理学に重点を置いています。

材料科学の専門分野

携帯電話の画面のガラス、太陽エネルギーを生成するために使用される半導体、サッカー ヘルメットの衝撃を吸収するプラスチック、自転車のフレームの金属合金は、すべて材料科学者の製品です。一部の材料科学者は、新しい材料を作成するための化学反応を設計および制御するため、スペクトルの科学の端に取り組んでいます。他の人は、特定の用途のために材料をテストし、新しい材料を製造する方法を開発し、材料の特性を製品に必要な仕様に一致させるため、フィールドの応用科学と工学の側面にもっと取り組んでいます.

この分野は非常に広いため、単科大学や総合大学では通常、この分野をいくつかの下位分野に分類しています。

セラミックスとガラス

セラミックとガラス工学は、間違いなく最も古い科学分野の 1 つです。最初のセラミック容器は約 12,000 年前に作成されたからです。食器、トイレ、シンク、窓などの日用品はまだ分野の一部ですが、ここ数十年で多くのハイテク用途が登場しました。ほぼすべてのタッチ スクリーンに使用される高強度で耐久性のあるガラスであるゴリラ ガラスのコーニングの開発は、多くの技術分野に革命をもたらしました。炭化ケイ素や炭化ホウ素などの高強度セラミックスは、工業用および軍事用に数多く使用されており、耐火材料は、原子炉から宇宙船の熱遮蔽まで、高温が作用するあらゆる場所で使用されています。医療の最前線では、セラミックの耐久性と強度により、セラミックは多くの関節置換術の中心的な構成要素となっています。

ポリマー

ポリマー科学者は、主にプラスチックとエラストマーを扱います。プラスチックとエラストマーは、比較的軽量で、多くの場合柔軟な材料で、長い鎖のような分子で構成されています。プラスチック製の飲料ボトルから自動車のタイヤ、防弾ケブラーのベストまで、ポリマーは私たちの世界で重要な役割を果たしています。ポリマーを学ぶ学生は、有機化学の強力なスキルを必要とします。職場では、科学者は特定の用途に必要な強度、柔軟性、硬度、熱特性、さらには光学特性を備えたプラスチックの作成に取り組んでいます。この分野における現在の課題には、環境中で分解するプラスチックの開発や、命を救う医療処置に使用するカスタム プラスチックの作成などがあります。

金属

金属科学には長い歴史があります。銅は 10,000 年以上にわたって人間によって使用されてきましたが、はるかに強力な鉄は 3,000 年以上前にさかのぼります。実際、冶金の進歩は、武器や防具への使用のおかげで、文明の盛衰に結びつく可能性があります。冶金は今でも軍にとって重要な分野ですが、自動車、コンピューター、航空、建設業界でも重要な役割を果たしています。冶金学者は、特定の用途に必要な強度、耐久性、および熱特性を備えた金属および金属合金の開発に取り組むことがよくあります。

電子材料

最も広い意味での電子材料は、電子デバイスを作成するために使用される材料です。材料科学のこのサブフィールドには、導体、絶縁体、および半導体の研究が含まれます。コンピューターや通信分野は電子材料のスペシャリストに大きく依存しており、スペシャリストの需要は近い将来も強いままです。私たちは常に、より小さく、より速く、より信頼性の高い電子デバイスと通信システムを探しています。太陽光などの再生可能エネルギー源も電子材料に依存しており、この分野の効率にはまだ大きな進歩の余地があります。

生体材料

生体材料の分野は何十年も前からありましたが、21 世紀に入って急速に発展しました。 「生体材料」という名前は、軟骨や骨などの生体材料を指していないため、少し誤解を招く可能性があります.代わりに、生命システムと相互作用する材料を指します。生体材料は、プラスチック、セラミック、ガラス、金属、または複合材料である可能性がありますが、医療や診断に関連する機能を果たします。人工心臓弁、コンタクトレンズ、人工関節はすべて、人体と連携して機能する特定の特性を持つように設計された生体材料でできています。人工組織、神経、および臓器は、今日の新たな研究分野の一部です。

材料科学の大学のコースワーク

材料科学と工学を専攻している場合、微分方程式を使って数学を勉強する必要があり、学士号のコア カリキュラムにはおそらく次のクラスが含まれます。物理、生物学、 と化学.他のコースはより専門的で、次のようなトピックが含まれる場合があります。

• 材料の力学挙動
• 材料加工
• 材料の熱力学
• 結晶学と構造
• 材料の電子物性
• 材料特性評価
• 複合材料
• 生体材料
• ポリマー

一般に、材料科学のカリキュラムでは、多くの化学と物理が期待できます。プラスチック、セラミック、金属などの専門分野を決定する際には、多くの選択科目から選択できます。

材料科学専攻に最適な学校

材料科学および工学に興味がある場合は、総合大学および技術研究所で最適なプログラムを見つけることができます。小規模な地方大学および リベラル アーツ カレッジ 特に重要な実験インフラストラクチャを必要とする材料科学のような学際的な分野では、堅牢なプログラムを持たない傾向があります。材料科学の強力なプログラムは、米国の次の学校で見つけることができます。

• カリフォルニア工科大学 (カルテック)
• コーネル大学
• マサチューセッツ工科大学（と）
• ノースウェスタン大学
• スタンフォード大学
• カリフォルニア大学バークレー校
• イリノイ大学アーバナ シャンペーン校
• これらの学校はすべて非常に選択的であることに注意してください。実際、MIT、カリフォルニア工科大学、ノースウェスタン大学、スタンフォード大学が 20 位以内にランクインしています。 国内で最も選択的な大学、そしてコーネルはそれほど遅れていません。

  材料科学者の平均給与

  ほぼすべてのエンジニアリング卒業生は、テクノロジーの世界で良い仕事の見通しを持っており、材料科学とエンジニアリングも例外ではありません。もちろん、あなたの潜在的な収入は、あなたが追求する仕事の種類に結びついています.材料科学者は、民間、政府、または教育部門で働くことができます。 payscale.com 材料科学の学士号を持つ従業員の平均給与は、キャリアの早い段階で 67,900 ドル、中途採用で 106,300 ドルであると述べています。