Eerstejaars Michal Prenovitz en Matine Yuksel van Princeton University plaatsten zorgvuldig een klein houtmonster in een machine die was ontworpen om objecten met duizenden ponden kracht te verpletteren. Terwijl de stalen kaken van de machine langzaam samenknijpen, Professor Ilhan Aksay rolde een paar vellen papier op en wendde zich tot de studenten die in de buurt waren.

"Als ik dit doe, " hij zei, de opgerolde koker met papier in het midden knijpen, "de buis stuitert terug - tenzij ik hem helemaal plat maak."

Hij verplaatste zijn handen naar de uiteinden van de buis.

"Maar als ik de uiteinden benadruk, er gebeurt niets totdat het plotseling knikt en er blijvende schade is, " zei hij. "De eerste is verwant aan het benadrukken van hout in een richting loodrecht op zijn celwanden. In het laatstgenoemde, de spanning wordt uitgeoefend in dezelfde richting als de celwanden."

Voor het komende uur, de 10 studenten verpletterd, gebogen en gebroken monsters van verschillende houtsoorten in het onderzoekslaboratorium van Aksay. Ze maten de kracht die de monsters beschadigde en tuurden door microscopen om te analyseren hoe de spanning de interne structuren van de blokken beïnvloedde.

Al bijna 10 jaar, Aksay, een professor in de chemische en biologische technologie, heeft studenten geïntroduceerd in zijn eerstejaars seminar, "Materialen Wereld, " tot de alledaagse materie die het fundament vormt van de beschaving. In de loop aangewezen als het Donald P. Wilson '33 en Edna M. Wilson Freshman Seminar, de studenten beginnen met het analyseren van de materialen die hebben bijgedragen aan de lancering van de beschaving. De studenten bestuderen materialen zoals eenvoudige modder en adobe bakstenen, gebakken keramiek en biologisch geproduceerde materialen zoals hout. Naarmate het semester vordert, ze bewegen door complexere materialen, eindigend met elektrisch geleidende polymeren en zelfs de constructie van een lithium-ionbatterij.

"Mijn doel is om ze te leren over de fundamentele materialen die we om ons heen hebben, " zei Aksay. "Ik wil ze antwoorden geven op enkele van de vragen die, op een dag, ze kunnen krijgen van hun kinderen."

Onderweg, Aksay laat de studenten kennismaken met laboratoriumtechnieken. De eerstejaars besteden de helft van elke klas aan een seminardiscussie en gaan dan naar Aksay's lab, of de elektronenmicroscoop in Bowen Hall, om toe te passen wat ze hebben geleerd. Voor studenten die niet van plan zijn een wetenschappelijke opleiding te volgen, het biedt hands-on ervaring in het lab. Majors in wetenschap en techniek krijgen al vroeg de kans om de modernste apparatuur te gebruiken.

"Van praten met mijn vrienden op andere scholen, het is uiterst zeldzaam voor een eerstejaarsstudent om zo'n kleine klas te krijgen met een hoge blootstelling aan geavanceerde apparatuur, " zei Austin Pruitt, die van plan is af te studeren in werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek. Hij zei het seminar, waaronder een mix van studenten die wetenschap en andere disciplines studeren, is duidelijk genoeg "zodat iedereen het kan begrijpen, maar complex genoeg zodat het nieuwe kennis is voor iedereen in de klas."

Aksay wijst erop dat de eeuwen van menselijke ontwikkeling zijn genoemd naar basismaterialen:steen, bronzen, ijzer - en de klas volgt die organisatiestructuur. In de eerste experimenten, studenten maakten en onderzochten modderstenen. Ze vergeleken de sterkte en taaiheid van de modderstenen met gesinterde bakstenen, die in een oven zijn gebakken, en adobebakstenen, waarin stro wordt gemengd met de modder. In die eenvoudige experimenten, de studenten doorkruisten duizenden jaren technologische geschiedenis.

"De overgang van modderstenen naar gesinterde bakstenen duurde ongeveer 6, 000 jaar, ' zei Aksay. 'Waarom? Vanwege de technologische ontwikkeling heb je ovens nodig. Adobe had de landbouwrevolutie nodig. Zonder hooi, je kunt niet per ongeluk modder met stro vermengen."

Aksay vroeg wat de studenten hadden opgemerkt over de verschillende soorten stenen, en waarom het materiaal versterkt werd door verhitting.

"De vorm blijft hetzelfde, maar de chemische structuur in de steen verandert als je hem verwarmt, ' zei Serena Zheng.

Aksay legde uit dat hoge temperaturen in de oven de klei op moleculair niveau transformeren.

"Klei wordt iets anders als je boven de 600 graden Celsius komt, " zei hij. "Kristalen vormen zich als naalden in een vloeistof op hoge temperatuur die bij afkoeling glas wordt. Deze naalden beginnen te blokkeren en het object wordt sterker en sterker. Hoe meer je het verwarmt, hoe hoger het aantal kristallen."

Aksay zelf loopt voorop in engineering op basis van het nieuwe materiaal grafeen, wat een één atoom dikke vorm van koolstof is. De opmerkelijke eigenschappen van grafeen, inclusief kracht, flexibiliteit, en geleidbaarheid, hebben beloofd nieuwe gebieden van elektronica te openen, zoals flexibele elektronica en energiesystemen. Maar tot relatief recent, het materiaal was buitengewoon moeilijk te scheiden in dunne vellen buiten een laboratorium.

Een aantal jaar geleden, Professor Robert Prud'homme, ook op de afdeling chemische en biologische engineering, en Aksay ontwikkelde een techniek die een zuurbad gebruikt om grafiet te oxideren en een daaropvolgende zeer snelle verwarming om op efficiënte wijze dunne vellen grafeen te maken. Deze gepatenteerde methode biedt ingenieurs een manier om wijdverbreide industriële toepassingen voor grafeen te ontwikkelen.

John Lettow, die in 1995 afstudeerde aan Princeton met een graad in chemische technologie, heeft sindsdien een bedrijf opgericht, Vorbeck-materialen, om nieuwe producten te ontwikkelen, zoals elektrisch geleidende inkt voor gedrukte schakelingen, op basis van de technologie.

"Om zulke nauwe interacties te hebben met wereldberoemde faculteiten zoals Ilhan, zelfs als student aan Princeton, is een geweldige ervaring die je je hele carrière bijblijft, "Zei Lettow. "Hoewel ze het misschien nog niet helemaal beseffen, deze studenten hebben uitzonderlijk geluk. Ik ben jaloers op hun tijd in de klas van Ilhan."

Aksay zei dat het doel van het seminar niet is om de volgende grote technische doorbraak te ontwikkelen, maar om een ​​breed scala aan studenten bloot te stellen aan de fascinatie van wetenschap.

"Ik probeer de wetenschap te combineren met plezier, " zei hij. "Mijn doel is om studenten te leren, of ze nu geïnteresseerd zijn in wetenschap of niet, dingen die ze zich over vele decennia zullen herinneren."