Undersøgelse af materialer gennem molekyler og over årtusinder

Princeton University freshmen Michal Prenovitz og Matine Yuksel lagde omhyggeligt en lille træprøve i en maskine designet til at knuse genstande med tusindvis af kilo kraft. Da maskinens stålkæber langsomt klemte, Professor Ilhan Aksay rullede et par ark papir op og vendte sig til de studerende, der var samlet i nærheden.

"Hvis jeg gør dette, " han sagde, klemmer det rullede rør af papirer i midten, "røret hopper tilbage - medmindre jeg flader det helt ud."

Han skiftede hænderne til rørets ender.

"Men hvis jeg understreger enderne, intet sker, før det pludselig spænder, og der er permanent skade, "sagde han." Førstnævnte ligner at stresse træ i en retning vinkelret på dets cellevægge. I sidstnævnte, spændingen påføres i samme retning som cellevæggene. "

I den næste time, de 10 elever knust, bøjede og brød prøver af forskellige træsorter i Aksays forskningslaboratorium. De målte kraften, der beskadigede prøverne og kiggede gennem mikroskoper for at analysere, hvordan belastningen påvirkede blokkenes interne strukturer.

I næsten 10 år, Aksay, professor i kemisk og biologisk teknik, har introduceret eleverne på sit førsteårs seminar, "Materialer Verden, "til det dagligdagssag, der udgør civilisationens fundament. I løbet af udpeget som Donald P. Wilson '33 og Edna M. Wilson Freshman Seminar, eleverne begynder med at analysere de materialer, der hjalp med at lancere civilisationen. Eleverne studerer materialer som simpelt mudder og adobe mursten, fyret keramik og biologisk producerede materialer som træ. Som semesteret skrider frem, de bevæger sig gennem mere komplekse materialer, slutter med elektrisk ledende polymerer og endda konstruktion af et litiumionbatteri.

"Mit mål er at lære dem om de grundlæggende materialer, vi har omkring os, "Sagde Aksay." Jeg vil give dem svar på nogle af de spørgsmål, der, en dag, de kan få fra deres børn. "

Langs vejen, Aksay introducerer eleverne til laboratorieteknikker. De første år tilbringer halvdelen af ​​hver klasse i en seminardiskussion og flytter derefter til Aksays laboratorium, eller elektronmikroskopet i Bowen Hall, at anvende det, de har lært. For studerende, der ikke planlægger at forfølge en naturvidenskabelig grad, det giver praktisk erfaring i laboratoriet. Science and engineering majors får en tidlig chance for at bruge topmoderne udstyr.

"Fra at tale med mine venner på andre skoler, det er ekstremt sjældent, at en nybegynder får en så lille klasse med høj eksponering for avanceret udstyr, "sagde Austin Pruitt, der planlægger at tage hovedfag i maskin- og rumfartsteknik. Han sagde seminaret, som inkluderer en blanding af studerende, der studerer videnskab og andre discipliner, er ligetil nok ", så alle kan forstå det, men kompleks nok, så det er ny viden for alle i klassen. "

Aksay påpeger, at menneskets udviklingsalder er opkaldt efter grundlæggende materialer - sten, bronze, jern - og klassen følger den organisationsstruktur. I indledende forsøg, elever lavede og undersøgte muddersten. De sammenlignede styrken og sejheden af ​​mudderstenene med sintrede mursten, der er blevet fyret i en ovn, og adobe mursten, hvor halm blandes med mudderet. I de simple eksperimenter, de studerende gennemgik tusinder af år med teknologisk historie.

"Overgangen fra muddersten til sintrede mursten tog omkring 6, 000 år, "Sagde Aksay." Hvorfor? På grund af den teknologiske udvikling - skal du have ovne. Adobe havde brug for landbrugsrevolutionen. Uden hø, du kan ikke få den ulykke at blande mudder med halm. "

Aksay spurgte, hvad eleverne havde observeret om de forskellige typer mursten, og hvorfor materialet forstærkes med opvarmning.

"Formen forbliver den samme, men den kemiske struktur i mursten ændres, når du opvarmer den, "sagde Serena Zheng.

Aksay forklarede, at høje temperaturer inde i ovnen forvandler leret på molekylært niveau.

"Ler bliver noget andet, når du overstiger 600 grader celsius, "sagde han." Krystaller formes som nåle i en høj temperaturvæske, der bliver til glas, når det afkøles. Disse nåle begynder at låse sig fast, og objektet bliver stærkere og stærkere. Jo mere du opvarmer det, jo højere antal krystaller. "

Aksay er selv i spidsen for teknik baseret på det nye materiale grafen, som er en én-atom-tyk form for kulstof. Graphens bemærkelsesværdige egenskaber, herunder styrke, fleksibilitet, og ledningsevne, har lovet at åbne nye områder inden for elektronik såsom fleksibel elektronik og elsystemer. Men indtil relativt for nylig, materialet var ekstremt vanskeligt at skille i tynde ark uden for et laboratorium.

For flere år siden, Professor Robert Prud'homme, også i den kemiske og biologiske ingeniørafdeling, og Aksay udviklede en teknik, der bruger et syrebad til at oxidere grafit og en efterfølgende meget hurtig opvarmning for effektivt at skabe tynde plader af grafen. Denne patenterede metode giver ingeniører mulighed for at udvikle udbredt industriel anvendelse til grafen.

John Lettow, som tog eksamen fra Princeton i 1995 med en grad i kemiteknik, siden har dannet et selskab, Vorbeck Materialer, at udvikle nye produkter - f.eks. elektrisk ledende blæk til trykte kredsløb - baseret på teknologien.

"At få så tætte interaktioner med verdenskendte fakulteter som Ilhan, selv som bachelor på Princeton, er en fantastisk oplevelse, der forbliver hos dig gennem din karriere, "Sagde Lettow." Selvom de måske ikke helt er klar over det endnu, disse elever er usædvanligt heldige. Jeg misunder deres tid i Ilhans klasse. "

Aksay sagde, at formålet med seminaret ikke er at udvikle det næste store tekniske gennembrud, men at udsætte en bred vifte af studerende for fascination af videnskab.

"Jeg forsøger at blande videnskaben med sjov, "sagde han." Mit mål er at lære eleverne, om de er interesseret i videnskab eller ej ting, de vil huske mange årtier fra nu. "