美国大学纳米工程专业介绍与本科常见课程设置

纳米技术(nanotechnology)自1981年扫描隧道显微镜发明后便开始兴起,作为一门交叉性很强的技术科学被科学家们研究并广泛应用在众多领域,改变了包括航空航天、能源、医学、微电子和计算机技术等行业。利用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强;不仅更加耐用,且维修成本比上一代材料更低。在过去的十年中制造的几乎所有的电子设备,包括目前最先进的计算机芯片和个人电子设备都有纳米技术的身影。

25年前纳米技术作为一个新兴的研究领域并不被普通人所熟知,然而今天纳米科技作为最具突破性的战略性前沿技术之一,已给我们的生活带来不亚于电力代替蒸汽的颠覆性改变。美国作为拥有顶尖纳米技术研究以及教育资源的国家,每年都吸引着来自世界各地的学子前往美国大学攻读纳米技术专业。今天,曾老师就为大家详细介绍纳米技术相关专业的主要学习内容以及本科课程设置,希望对大家有所帮助:

什么是纳米技术

纳米技术(Nanotechnology)是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类,美国国家纳米科技启动计划将其定义为“1至100纳米尺寸尤其是现存科技在纳米规模时的延伸”。其目的在于研究于纳米规模时,物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米技术目前可能仍处于科学的前沿,但大自然已经在纳米尺寸上工作了数十亿年。微小的生物“机器”让生物存活。例如,细胞内的分子马达帮助你弯曲肌肉,帮助植物将阳光转化为能量等等。

 

纳米技术专业研究材料在原子和分子水平上的行为和操作。正因为如此,创新的可能性是无限的: 研究人员正在研究能够自我修复的纳米材料。有朝一日,医生们可能会在病人体内安装纳米级机器,帮助他们看东西、移动和治疗。如果你在这一领域获得了学士学位,你可以继续攻读硕士/博士学位课程,或者开始在研究和制造领域协助工程师和科学家。

 

如果你选择这个专业,你将会了解到,纳米尺寸上制造的材料和机器将会以意想不到的方式运转。根据collegeboard的介绍,选择纳米技术专业的学生,需要做好准备在学习工程中接触以下内容:

  • 维护和修理设备

  • 获得纳米级制造技术的实践经验

  • 了解“clean room”的复杂细节

  • 与团队合作设计和制造纳米设备

  • 操作原子力显微镜和其他高科技设备

  • 在纳米尺度上测试和测量材料

  • 实践科学方法并设计实验

  • 探索纳米材料的特殊性能和惊人的行为

  • 掌握物理、化学和生物学的概念

 

纳米工程专业需要学习哪些科目?

由于纳米技术这一领域的新性质,要找到一所大学来学习纳米技术课程可能会比较困难。目前只有少数的大学提供相关的课程,并且他们有很多不同的学位,包学士、硕士和博士学位。由于纳米技术的跨学科性质,纳米技术更多时候是作为物理,材料科学或电子工程这些大的专业下属的一个研究方向,你可能会接触到科学、生物、数学、物理和计算机科学的课程。

 

University of California San Diego课程举例

以University of California San Diego为例,本科阶段要完成B.S. in NanoEngineering(纳米工程理学学士学位)要求学生完成至少185个学分(其中有48个学分为通识课程G.E.要求),并且每一门课程(除了NANO 1/4/199这三门以外)都必须选择以A/B/C/D/F为标准的成绩(letter grade)。

 

进入专业课学习的前两年(大一大二),所有学生都要进行同样的基础科学准备和纳米工程的核心课程。大二之后,学生们就必须选择工程学专业的研究方向。

Source: Undergraduate NE Curriculum

 

1. Math 20A-B: Calculus for Science and Engineering 科学与工程微积分

该系列课程研究函数的微分(Differentiation)、积分(Integration)以及有关概念和应用。它是数学的一个基础学科,内容主要包括函数、图、连续性、极限、导数、切线;代数、指数、对数和三角函数的应用;积分导论;单变量积分及其应用:包括指数、对数、双曲和三角函数;集成的方法;无穷级数;平面上的极坐标和复指数等。

 

2. MATH 20C: Calculus and Analytic Geometry 微积分与解析几何

该课程主要讲解向量几何,向量函数及其导数。偏微分法,最大极限值和最小极限值,双重积分等。

 

3. MATH 20D: Introduction to Differential Equations 微分方程导论

该课程主要讲解常微分方程: 精确的,可分离的,线性的; 常系数,待定系数,参数的变分;级数解;拉普拉斯变换等工程科学会使用到的数学技巧。同时该课程还将学习使用Matlab计算符号与图形。

 

4. MATH 20E. Vector Calculus 向量微积分

该课程主要讲解多元积分中的变量代换,雅可比矩阵,线积分,格林定理。向量场,梯度场,散度,旋度。球形/圆柱坐标。几个变量的泰勒级数。表面积分,斯托克定理。高斯定理。守恒场等数学理论。 

 

5. MATH 18. Linear Algebra 线性代数

该课程主要讲解矩阵代数,高斯消去,和行列式。同时介绍线性和仿射子空间,欧氏空间,特征值和特征向量,二次形式,正交矩阵,对称矩阵的对角化等;并使用Matlab计算符号和图形解。

 

6. CHEM 6A-B-C. General Chemistry I, II, III

该系列课程主要为想要进入科学和工程专业的学生设置,主题包括:1.原子理论、成键、分子几何、化学计量学、反应类型及热化学;2.共价键、气体、液体和固体、依数性、物理和化学平衡、酸和碱、溶解度;3.热力学、动力学、电化学、配位化学,以及核子、主基有机和生物化学的介绍。

 

7. PHYS 2A. Physics—Mechanics 物理-力学

本课程以微积分为基础,涵盖矢量、一维和二维运动、牛顿第一和第二定律、功和能量、能量守恒、线性动量、碰撞、旋转运动学、旋转动力学、刚体平衡、振动、万有引力。

 

8. PHYS 2B. Physics—Electricity and Magnetism 物理-电和磁

该课程继续PHYS 2A的内容,包括电荷和物质、电场、高斯定律、电势、电容器和介质、电流和电阻、电动势和电路、磁场、安培定律、法拉第定律、电感、电磁振荡、交流电和麦克斯韦方程。

 

9. PHYS 2C. Physics—Fluids, Waves, Thermodynamics, and Optics 物理-流体、波、热力学和光学

本课程涵盖流体力学,弹性介质中的波,声波,温度,热和热力学第一定律,气体动力学理论,熵和热力学第二定律,麦克斯韦方程,电磁波,几何光学,干涉和衍射。

 

10. PHYS 2D. Physics—Relativity and Quantum Physics 相对论和量子物理学

该课程为基础物理课程系列的最后一门,内容涵盖物质的原子观、电和辐射、卢瑟福和波尔的原子模型、相对论、x射线、波和粒子二象性、物质波、薛定谔方程、固体的原子观、自然放射性等。

 

在以上这些工程类型基础课程中,数学与物理是相辅相成的,尤其是数学课程更是作为大多数物理课程的先修课。因此,打好数学基础对于之后的学习非常重要!

 Nanoengineering

Source: nanotechnology.alliedacademies.com

除了数学,化学,物理之外,纳米工程专业的主要入门低阶课程有以下2门:

1. NANO 11. Introduction to NanoEngineering 纳米工程概论

该课程主要介绍纳米工程,包括基本的尺度定律,概述纳米材料的合成、性质和相关的技术应用,重点在纳米医药、能源和先进材料领域。学习这门课之前必须先完成一门一学分的NANO 4. Experience NanoEengineering 纳米工程经历的课程,主要介绍使用纳米工程实验室的一些基础技能。尝试使用纳米制造技术、集成和分析工具进行实践培训和实验。

 

2. NANO 15. Engineering Computation Using Matlab 使用Matlab工具进行工程计算

该课程介绍用计算方法解决工程问题。使用MATLAB制定问题陈述,选择算法,编写计算机程序,并分析输出。介绍了纳米工程、化学工程和材料科学的计算问题。该课程不需要任何编程技能。

Source : medicaldevice-network

 

在顺利完成上述所有课程之后,纳米工程专业的学生们才可进行高阶专业课的学习。要拿到该理学学士学位,学生们需要完成纳米工程专业37个学分的核心课程: 要求包括一个单元的研讨会(NANO 1)和九门核心课程(NANO 101 to 104, 110 to 112, and 120A-B)。

 

1. NANO 101. Introduction to NanoEngineering 纳米工程概论

该课程介绍了纳米工程/纳米尺度制造: 纳米印刷术和自组装描述工具; 纳米材料和纳米结构: 纳米管、纳米线、纳米颗粒和纳米复合材料; 纳米尺度和分子电子学; 磁性系统中的纳米技术; 纳米技术在综合系统中的应用; 纳米光电子学; 纳米生物技术: 仿生系统、纳米马达、纳米流体和纳米医学等内容。

 

2. NANO 102. Foundations in NanoEngineering: Chemical Principles 纳米工程基础: 化学原理

该课程涉及纳米结构材料和器件的合成、组装和性能的化学原理。化学相互作用、小系统的经典和统计热力学、扩散、碳基纳米材料、超分子化学、液晶、胶体和聚合物化学、脂囊泡、表面修饰、表面功能化、催化。

 

3. NANO 103. Foundations in NanoEngineering: Biochemical Principles 纳米工程基础: 生物化学原理

该课程讲解专为纳米技术设计的生物化学原理;生物分子的结构和功能及其在分子相互作用和信号通路中的特殊作用;以及在微、纳米尺度上的检测方法。

 

4. NANO 104. Foundations in NanoEngineering: Physical Principles 纳米工程基础: 物理原理

该课程主要内容为量子力学和奈米电子学导论:涉及波动力学,薛定谔方程,自由和受限电子,固体能带理论,0D、1D和2D的纳米固体,以及纳米电子器件的应用。

 

5. NANO 110. Molecular Modeling of Nanoscale Systems 纳米系统的分子模型

该课程讲解了分子建模和模拟在纳米工程中的原理和应用。主题包括分子力学、能量最小化、统计力学、分子动力学模拟和蒙特卡洛模拟。学生将获得运行仿真和分析仿真结果的实际训练。

 

6. NANO 111. Characterization of NanoEngineering Systems 纳米工程系统的特性

该课程涵盖了在纳米尺度构造的材料和器件成像,测量和分析方法的基础和实践。光学和电子显微镜; 扫描探针方法; 光子,离子,电子探针方法,光谱,磁,电化学和热方法。

 

7. NANO 112. Synthesis and Fabrication of NanoEngineering Systems 纳米工程系统的合成与制造

该课程介绍纳米工程中材料和器件的制造方法:包括纳米粒子,囊泡,管和线的合成;自上而下的方法包括化学气相沉积,传统和先进的光刻,掺杂和蚀刻;自底向上的方法包括自组装;以及如何将异质结构集成到功能设备中。

 

8. NANO 120A-B: NanoEngineering System Design I, II 纳米工程系统设计

该系列课程介绍了产品设计原理和设计过程,以及设计和生产中的产品质量保证原则。课程内容包括纳米级元件设计与生产技术的应用与整合,工程经济学,职业道德,安全和环保设计。同时学生们需要完成一个团队项目,为一个真正的工程应用设计系统原型。

 

Source: Major Requirements

 

除了必修的9门核心课程以外,还需完成8个学分的纳米工程选修课,以及20学分5门重点学习方向的课程。重点学习方向有:生物工程Bioengineering,化学工程Chemical Engineering,电气工程Electrical Engineering,机械工程Mechanical Engineering,材料科学Materials Science。

 

Source: NE Engineering Focuses

在美国,本科阶段开设纳米工程专业的学校大概有200多所,有很多学校将相关专业组合在一起开设,或者设置为专业研究方向,因此各个学校实际对应的专业名称的叫法各不相同。对纳米工程感兴趣的同学们在选择学校和项目前,还应该多做详细的了解。