Les étudiants de première année de l'Université de Princeton, Michal Prenovitz et Matine Yuksel, ont soigneusement placé un petit échantillon de bois dans une machine conçue pour écraser des objets avec des milliers de livres de force. Alors que les mâchoires en acier de la machine se serraient lentement, Le professeur Ilhan Aksay a enroulé quelques feuilles de papier et s'est tourné vers les étudiants rassemblés à proximité.

"Si je fais ça, " il a dit, en serrant le tube de papier enroulé au milieu, "le tube rebondit, à moins que je ne l'aplatisse complètement."

Il passa ses mains aux extrémités du tube.

"Mais si j'insiste sur les extrémités, rien ne se passe jusqu'à ce qu'il se déforme soudainement et qu'il y ait des dommages permanents, " dit-il. " Le premier s'apparente à forcer le bois dans une direction perpendiculaire à ses parois cellulaires. Dans ce dernier, la contrainte est appliquée dans la même direction que les parois cellulaires."

Pour la prochaine heure, les 10 étudiants écrasés, échantillons pliés et cassés de différents types de bois dans le laboratoire de recherche d'Aksay. Ils ont mesuré la force qui a endommagé les échantillons et ont examiné au microscope pour analyser comment la contrainte affectait les structures internes des blocs.

Depuis près de 10 ans, Aksay, professeur de génie chimique et biologique, a introduit les étudiants dans son séminaire de première année, "Le monde des matériaux, " à la matière quotidienne qui constitue le fondement de la civilisation. Au cours, désigné comme Donald P. Wilson '33 et Edna M. Wilson Freshman Seminar, les élèves commencent par analyser les matériaux qui ont aidé à lancer la civilisation. Les élèves étudient des matériaux tels que de simples briques de boue et d'adobe, céramiques cuites et matériaux produits biologiquement comme le bois. Au fur et à mesure du semestre, ils se déplacent à travers des matériaux plus complexes, se terminant par des polymères électriquement conducteurs et même la construction d'une batterie lithium-ion.

"Mon objectif est de leur enseigner les matériaux fondamentaux que nous avons autour de nous, " Aksay a dit. " Je veux leur donner des réponses à certaines des questions qui, un jour, ils peuvent obtenir de leurs enfants.

Le long du chemin, Aksay initie les étudiants aux techniques de laboratoire. Les étudiants de première année consacrent la moitié de chaque cours à une discussion en séminaire, puis se rendent au laboratoire d'Aksay, ou le microscope électronique à Bowen Hall, d'appliquer ce qu'ils ont appris. Pour les étudiants qui n'envisagent pas de poursuivre des études en sciences, il offre une expérience pratique en laboratoire. Les majors en sciences et en ingénierie ont une chance précoce d'utiliser des équipements de pointe.

"De parler à mes amis dans d'autres écoles, il est extrêmement rare qu'un étudiant de première année obtienne une si petite classe avec une forte exposition à des équipements de pointe, " a déclaré Austin Pruitt, qui envisage de se spécialiser en génie mécanique et aérospatial. Il a dit que le séminaire, qui comprend un mélange d'étudiants étudiant les sciences et d'autres disciplines, est assez simple "pour que tout le monde puisse le comprendre, mais suffisamment complexe pour qu'il s'agisse de nouvelles connaissances pour tout le monde dans la classe."

Aksay souligne que les âges du développement humain sont nommés pour les matériaux de base-pierre, bronze, fer—et la classe suit cette structure organisationnelle. Dans les premières expériences, les étudiants fabriquaient et examinaient des briques en terre crue. Ils ont comparé la résistance et la ténacité des briques de boue avec des briques frittées, qui ont été cuits dans un four, et des briques d'adobe, dans lequel la paille est mélangée à la boue. Dans ces expériences simples, les étudiants ont traversé des milliers d'années d'histoire technologique.

"La transition des briques de boue aux briques frittées a pris environ 6, 000 ans, " dit Aksay. " Pourquoi ? En raison du développement technologique, vous devez avoir des fours. Adobe avait besoin de la révolution agricole. Sans foin, vous ne pouvez pas avoir l'accident de mélanger de la boue avec de la paille."

Aksay a demandé ce que les étudiants avaient observé sur les différents types de briques, et pourquoi le matériau renforcé avec le chauffage.

"La forme reste la même, mais la structure chimique à l'intérieur de la brique change au fur et à mesure que vous la chauffez, ", a déclaré Serena Zheng.

Aksay a expliqué que les températures élevées à l'intérieur du four transforment l'argile au niveau moléculaire.

"L'argile devient quelque chose de différent lorsque vous dépassez 600 degrés centigrades, " dit-il. " Les cristaux se forment comme des aiguilles dans un liquide à haute température qui devient du verre lorsqu'il est refroidi. Ces aiguilles commencent à se bloquer et l'objet devient de plus en plus fort. Plus vous le chauffez, plus le nombre de cristaux est élevé."

Aksay lui-même est à la pointe de l'ingénierie basée sur le nouveau matériau graphène, qui est une forme de carbone d'une épaisseur d'un atome. Les caractéristiques remarquables du graphène, y compris la force, la flexibilité, et conductivité, ont promis d'ouvrir de nouveaux domaines de l'électronique tels que l'électronique flexible et les systèmes d'alimentation. Mais jusqu'à relativement récemment, le matériau était extrêmement difficile à séparer en feuilles minces à l'extérieur d'un laboratoire.

Il y a plusieurs années, Professeur Robert Prud'homme, également dans le département de génie chimique et biologique, et Aksay a développé une technique qui utilise un bain d'acide pour oxyder le graphite et un chauffage ultérieur très rapide pour créer efficacement de fines feuilles de graphène. Cette méthode brevetée offre aux ingénieurs un moyen de développer des utilisations industrielles généralisées du graphène.

John Lettow, diplômé de Princeton en 1995 avec un diplôme en génie chimique, a depuis formé une société, Matériaux Vorbeck, développer de nouveaux produits, tels que des encres conductrices d'électricité pour circuits imprimés, basés sur cette technologie.

"Avoir des interactions aussi étroites avec des professeurs de renommée mondiale tels qu'Ilhan, même en tant qu'étudiant de premier cycle à Princeton, est une formidable expérience qui vous accompagne tout au long de votre carrière, " a déclaré Lettow. " Bien qu'ils ne le réalisent peut-être pas encore pleinement, ces étudiants sont exceptionnellement chanceux. J'envie leur temps dans la classe d'Ilhan."

Aksay a déclaré que le but du séminaire n'est pas de développer la prochaine grande percée technique mais d'exposer un large éventail d'étudiants à la fascination de la science.

"J'essaie de mélanger la science avec le plaisir, " a-t-il dit. " Mon objectif est d'enseigner aux étudiants, qu'ils s'intéressent ou non à la science, choses dont ils se souviendront dans plusieurs décennies."