Le matricole dell'Università di Princeton Michal Prenovitz e Matine Yuksel hanno posizionato con cura un piccolo campione di legno in una macchina progettata per schiacciare oggetti con migliaia di libbre di forza. Mentre le ganasce d'acciaio della macchina si stringevano lentamente, Il professor Ilhan Aksay ha arrotolato alcuni fogli di carta e si è rivolto agli studenti riuniti nelle vicinanze.

"Se faccio questo, " Egli ha detto, stringendo nel mezzo il tubo arrotolato di carte, "il tubo rimbalza indietro, a meno che non lo appiattisco completamente."

Passò le mani alle estremità del tubo.

"Ma se sottolineo le estremità, non succede nulla finché improvvisamente non si piega e si verifica un danno permanente, " ha detto. "Il primo è simile a sollecitare il legno in una direzione perpendicolare alle sue pareti cellulari. In quest'ultimo, lo stress viene applicato nella stessa direzione delle pareti cellulari."

Per la prossima ora, i 10 studenti schiacciati, campioni piegati e rotti di diversi tipi di legno nel laboratorio di ricerca di Aksay. Hanno misurato la forza che ha danneggiato i campioni e hanno scrutato attraverso i microscopi per analizzare come lo stress ha influenzato le strutture interne dei blocchi.

Da quasi 10 anni, Aksay, professore di ingegneria chimica e biologica, ha introdotto gli studenti nel suo seminario per matricole, "Mondo dei materiali, " alla materia quotidiana che costituisce il fondamento della civiltà. Nel corso, designato come Donald P. Wilson '33 e Edna M. Wilson Freshman Seminar, gli studenti iniziano analizzando i materiali che hanno contribuito a lanciare la civiltà. Gli studenti studiano materiali come semplice fango e mattoni di adobe, ceramiche cotte e materiali prodotti biologicamente come il legno. Con l'avanzare del semestre, si muovono attraverso materiali più complessi, finendo con polimeri elettricamente conduttivi e persino la costruzione di una batteria agli ioni di litio.

"Il mio obiettivo è insegnare loro i materiali fondamentali che abbiamo intorno a noi, " ha detto Aksay. "Voglio dare loro le risposte ad alcune delle domande che, un giorno, possono ottenere dai loro figli."

Lungo la strada, Aksay introduce gli studenti alle tecniche di laboratorio. Le matricole trascorrono metà di ogni lezione in una discussione seminariale e poi si trasferiscono nel laboratorio di Aksay, o il microscopio elettronico a Bowen Hall, applicare quanto appreso. Per gli studenti che non hanno intenzione di perseguire una laurea in scienze, offre un'esperienza pratica in laboratorio. I laureati in scienze e ingegneria hanno presto la possibilità di utilizzare attrezzature all'avanguardia.

"Dal parlare con i miei amici di altre scuole, è estremamente raro per una matricola ottenere una classe così piccola con un'elevata esposizione a attrezzature avanzate, " disse Austin Pruitt, che intende specializzarsi in ingegneria meccanica e aerospaziale. Ha detto che il seminario, che include un mix di studenti che studiano scienze e altre discipline, è abbastanza semplice "in modo che tutti possano capirlo, ma abbastanza complesso in modo che sia una nuova conoscenza per tutti nella classe."

Aksay sottolinea che le età dello sviluppo umano prendono il nome dai materiali di base:pietra, bronzo, ferro, e la classe segue quella struttura organizzativa. Nei primi esperimenti, gli studenti fabbricavano ed esaminavano mattoni di fango. Hanno confrontato la forza e la robustezza dei mattoni di fango con i mattoni sinterizzati, che sono stati cotti in un forno, e mattoni di adobe, in cui la paglia si mescola al fango. In quei semplici esperimenti, gli studenti hanno attraversato migliaia di anni di storia tecnologica.

"Il passaggio dai mattoni di fango ai mattoni sinterizzati ha richiesto circa 6, 000 anni, " Aksay ha detto. "Perché? A causa dello sviluppo tecnologico, devi avere forni. Adobe aveva bisogno della rivoluzione agricola. senza fieno, non puoi avere l'incidente di mescolare il fango con la paglia."

Aksay ha chiesto cosa avevano osservato gli studenti sui vari tipi di mattoni, e perché il materiale si è rinforzato con il riscaldamento.

"La forma rimane la stessa, ma la struttura chimica all'interno del mattone cambia man mano che lo riscaldi, ", ha detto Serena Zheng.

Aksay ha spiegato che le alte temperature all'interno del forno trasformano l'argilla a livello molecolare.

"L'argilla diventa qualcosa di diverso quando si superano i 600 gradi centigradi, " ha detto. "I cristalli si formano come aghi all'interno di un liquido ad alta temperatura che diventa vetro una volta raffreddato. Questi aghi iniziano a bloccarsi e l'oggetto diventa sempre più forte. Più lo scaldi, maggiore è il numero di cristalli."

Lo stesso Aksay è in prima linea nell'ingegneria basata sul nuovo materiale grafene, che è una forma di carbonio dello spessore di un atomo. Le notevoli caratteristiche del grafene, compresa la forza, flessibilità, e conducibilità, hanno promesso di aprire nuove aree dell'elettronica come l'elettronica flessibile e i sistemi di alimentazione. Ma fino a tempi relativamente recenti, il materiale era estremamente difficile da separare in fogli sottili al di fuori di un laboratorio.

Diversi anni fa, Professor Robert Prud'homme, anche nel dipartimento di ingegneria chimica e biologica, e Aksay hanno sviluppato una tecnica che utilizza un bagno acido per ossidare la grafite e un successivo riscaldamento molto rapido per creare in modo efficiente sottili fogli di grafene. Questo metodo brevettato offre agli ingegneri un modo per sviluppare usi industriali diffusi per il grafene.

John Lettow, che si è laureato a Princeton nel 1995 con una laurea in ingegneria chimica, da allora ha costituito una società, Materiali Vorbeck, sviluppare nuovi prodotti, come l'inchiostro elettricamente conduttivo per i circuiti stampati, basati sulla tecnologia.

"Riuscire ad avere interazioni così strette con docenti di fama mondiale come Ilhan, anche come studente universitario a Princeton, è un'esperienza straordinaria che ti accompagnerà per tutta la tua carriera, " disse Lettow. "Anche se potrebbero non rendersene ancora completamente conto, questi studenti sono eccezionalmente fortunati. Invidio il loro tempo nella classe di Ilhan."

Aksay ha affermato che lo scopo del seminario non è sviluppare la prossima grande svolta tecnica, ma esporre un'ampia gamma di studenti al fascino della scienza.

"Cerco di mescolare la scienza con il divertimento, " ha detto. "Il mio obiettivo è insegnare agli studenti, se sono interessati alla scienza o no, cose che ricorderanno molti decenni da oggi."