Центры материаловедения и инженерии

Центры материаловедения и инженерии ( MRSEC ) — это университетские исследовательские центры, поддерживаемые программой MRSEC Отдела исследований материалов Национального научного фонда США (NSF). Центры поддерживают междисциплинарные исследования в области материаловедения. MRSEC являются важным компонентом исследовательского портфеля центров NSF. MRSEC были созданы NSF в 1994 году. но их корни уходят в постспутниковую эпоху. Эти центры потребовали значительных изменений в проведении исследований материалов и образования.

Поскольку большая часть информации о текущих MRSEC доступна на веб-сайтах. представлен лишь краткий обзор текущей программы. Основная цель этой статьи — рассмотреть исторические аспекты MRSEC и значение их влияния на исследования материалов и образование в США.

Краткое описание программы

Исследования в MRSEC проводятся междисциплинарными исследовательскими группами (IRG), коллективами от шести до десятка и более исследователей. Размер MRSEC варьируется от двух до четырех IRG. Темы IRG внутри центра могут быть сосредоточены на тесно связанных научных или технологических темах или могут охватывать отдельные области исследований.

Награды MRSEC присуждаются сроком на шесть лет, соревнования проводятся каждые три года. Конкурсы открыты для всех академических учреждений США. От одного учреждения присуждается только одна награда. Уровни финансирования конкретного MRSEC в настоящее время колеблются примерно в несколько миллионов долларов в год. Каждый центр обладает значительной гибкостью в распределении своих средств в соответствии с предложенными и одобренными предложениями по исследованиям и образованию. Типичные МРТС выделяют средства на поддержку «посевных проектов».

MRSECs поддерживают партнерские отношения с другими академическими учреждениями, национальными лабораториями и промышленностью, а также международное сотрудничество. Центры также располагают обширной экспериментальной и вычислительной базой, которая обычно доступна для внешних пользователей.

Ключевой задачей этих центров является развитие рабочей силы. Самый крупный компонент финансирования центра поддерживает студентов (бакалавров и аспирантов) и постдокторантов. Кроме того, MRSEC проводят информационно-пропагандистскую деятельность с участием учащихся K-12 и государственного образования посредством сотрудничества с музеями и другими государственными учреждениями.

Историческая справка

До 1960 г.

Современное изучение материалов пересекается со многими традиционными научными дисциплинами, включая физику, химию, инженерное дело и, во все большей степени, биологические науки и математику. До середины 20-го века эти различные дисциплины подходили к изучению материалов с использованием своих собственных отличительных методологий. Междисциплинарное сотрудничество, особенно в академических учреждениях, не было нормой. Исключением в прошлом были успешные совместные подходы, которые привели к интенсивному технологическому развитию во время Второй мировой войны, включая военное и мирное применение производства ядерной энергии.

В конце 1950-х годов правительство США увеличило поддержку междисциплинарных совместных исследований в академических учреждениях. Запуск российского космического спутника «Спутник» 4 октября 1957 года оказал глубокое влияние на проведение научных и технологических исследований в Соединенных Штатах. Были основаны два новых агентства: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA, позже DARPA ) в составе Министерства обороны. НАСА должно было определить исследование космоса при поддержке США. Перед ARPA были поставлены более широкие задачи в области технологий и науки, часто с потенциальным военным применением. Кроме того, Закон об образовании в области национальной обороны 1958 года был направлен на увеличение числа подготовленных инженеров, ученых и математиков.

Энтузиазм, возникший после запуска спутника в отношении увеличения инвестиций в научные исследования, привел к тому, что в марте 1958 года Научно-консультативный комитет президента Эйзенхауэра (PSAC) вынес более широкую рекомендацию о координации исследований материалов в Соединенных Штатах. Последующий доклад, озаглавленный «Укрепление американской науки», был представлен президенту Эйзенхауэру в декабре 1958 года. Этот отчет привел указом президента Эйзенхауэра от 13 марта 1959 года к формированию Федерального совета по науке и технологиям. Одним из первых действий этого совета было создание «Координационного комитета по исследованию и разработке материалов» (CCMRD), который возглавил Джон В. Уильямс, директор по исследованиям Комиссии по атомной энергии (AEC). Конечным результатом стало создание в середине 1960 года трех университетских междисциплинарных лабораторий (IDL) под руководством ARPA.

Идея междисциплинарной лаборатории в области твердого тела и материаловедения уже оказалась чрезвычайно успешной в промышленных лабораториях (таких как Bell Laboratories и другие), что привело, например, к разработке транзистора и лазера. Создание таких лабораторий в академической среде естественным образом возникло из-за потребности постспутниковой эпохи в большом, высококвалифицированном научном персонале.

Междисциплинарные лаборатории (МВЛ) 1960-1972 гг.

MRSEC произошли от Междисциплинарных лабораторий (IDL), созданных Министерством обороны в 1960 году. 11 июля 1960 года ARPA объявило о создании трех междисциплинарных лабораторий в Корнельском университете, Пенсильванском университете и Северо-Западном университете. Контракты требовали, чтобы эти университеты «разработали междисциплинарную программу исследования материалов и предоставили необходимый персонал и оборудование для проведения исследований в области материаловедения...» В следующем году (1961) было создано еще восемь ИДЛ: Университет Брауна, Чикагский университет, Гарвард, Университет Мэриленда, Массачусетский технологический институт, Университет Северной Каролины, Университет Пердью и Стэнфордский университет. В 1962 году в Университете Иллинойса был добавлен 12-й IDL, которым руководила Комиссия по атомной энергии (AEC). Впоследствии было заключено еще три контракта с AEC и два контракта через НАСА. Роль AEC в создании сильного сообщества исследователей материалов была хорошо известна с момента появления ядерных реакторов и важности материалов для стоимости, эффективности и безопасности реакторов. Еще в 1955 году Джон фон Нейман , известный математик и участник Манхэттенского проекта, в качестве комиссара AEC и члена Генерального консультативного комитета AEC (GAC), решительно поддержал создание института, ориентированного на материалы, в академической среде.

Влияние ИДЛ на обучение студентов было значительным. К 1969 году было присуждено более 360 новых докторских степеней. Отчет Национальной академии наук пришли к выводу, что эти программы на базе центров сыграли важную роль в определении «материаловедения и инженерии» как новой междисциплинарной деятельности, о чем свидетельствует быстрый рост кафедр материаловедения в период с 1960 по 1970 годы и далее. Кроме того, создание инфраструктуры новых объектов в этих центрах передового опыта привело к подготовке не только ученых-материаловедов, но также физиков, химиков, инженеров и других специалистов.

Исследование Национальной академии отметил, что, хотя IDL считались успешными, существовали возможности для роста междисциплинарного сотрудничества между преподавателями разных факультетов университета. Однако было признано, что совместное блочное финансирование и совместное использование общих экспериментальных установок студентами и преподавателями различных факультетов посеяли семена для повышения междисциплинарности в исследованиях материалов.

Лаборатории исследования материалов (MRL) 1972–1994 гг.

В конце 1969 года поправка к Закону о военных разрешениях, предложенная сенатором Майком Мэнсфилдом , наложила ограничения на финансирование долгосрочных фундаментальных исследований агентствами Министерства обороны, включая ARPA/DARPA. (ARPA было изменено на DARPA в 1972 году). Следовательно, в 1970 году было принято решение передать IDL Национальному научному фонду. Грант IDL блочного типа для междисциплинарных исследований и общих помещений означал бы явное отклонение от подхода к финансированию NSF в то время, который заключался в поддержке преимущественно небольших грантов для одного исследователя в конкретной дисциплине. После углубленного анализа программы IDL, проведенного NSF, было рекомендовано передать существовавшие на тот момент 12 IDL в NSF. Однако этот трансфер сопровождался несколькими важными критическими положениями. В их число входило следующее:

«Лаборатории, теперь переименованные в «Лаборатории исследования материалов», сохранят местное блочное (или «основное») финансирование, предназначенное для «облегчения исследований в области материаловедения и инженерии, которые либо трудно, либо невозможно проводить при традиционном финансировании индивидуальных исследований». ' Самое главное, что новый компонент, добавленный NSF, заключался в том, что «научное мастерство рассматривается как необходимое, но уже недостаточное условие для получения основной поддержки MRL». Кроме того, MRL будут оцениваться по их способности способствовать «последовательным, междисциплинарным проектам с участием нескольких исследователей, требующим опыта двух или более дисциплин, связанных с материалами». Эти так называемые целевые группы являются основой нынешнего основного финансирования MRL; в своих лучших проявлениях они добились трансформации в том, как проводятся исследования материалов в университетах и ​​в том, как происходит последипломное образование».

Принятие NSF новых лабораторий материалов в 1972 году привело к созданию Отдела исследования материалов (DMR). Его первоначальный портфель состоял из программы MRL, а также программ отдельных исследователей, тесно связанных с материаловедением, которые были взяты из других частей NSF. Первоначально программа MRL составляла примерно 40% бюджета DMR. К 1985 году, с ростом программ индивидуальных исследователей и небольших групп, программа MRL финансировалась на уровне около 20% от общего бюджета DMR.

В период с 1972 по 1985 год был добавлен ряд дополнительных MRL, а некоторые из существующих центров были ликвидированы. В следующей таблице обобщена эта информация:

ТАБЛИЦА 1 Междисциплинарные лаборатории (IDL) и лаборатории исследования материалов (MRL), 1960–1996 гг. Лаборатории были идентифицированы как IDL в период с 1960 по 1972 год, а MRL - ​​с 1972 года. Лаборатории, ликвидированные в 1994 и 1996 годах, имели право участвовать в конкурсе с другими учреждениями за создание новых Центров материаловедения и инженерии (MRSEC) в 1994 и 1996 годах соответственно.

УЧРЕЖДЕНИЕ	ГОД НАЧАЛСЯ	ГОД ПРЕКРАЩЕНИЯ
Корнелл У.	1960	1994
Университет Пенсильвании	1960	1996
Северо-Западный У.	1960	1996
Браун У.	1961	1988
Университет Чикаго	1961	1994
Гарвард У.	1961	1994
Университет Мэриленда	1961	1977
Массачусетский технологический институт	1961	1994
Университет Северной Каролины	1961	1978
Пердью У.	1961	1987
Стэнфорд У.	1961	1994
Университет Иллинойса Урбана-Чанпейн	1962 (с АЭК)	1994
Карнеги-Меллон У.	1973	1987
Университет Массачусетса, Амхерст	1973	1994
Пенсильвания Стэйт У.	1974	1987
Кейс Вестерн Ю.	1974	1987
Университет штата Огайо.	1982	1987
Калифорнийский университет в Санта-Барбаре	1992	1996

Технические достижения MRL значительны и подробно описаны в ряде исследований. Еще одним важным фактором стали культурные изменения в университетах США в том, как исследования могут проводиться за пределами традиционных ведомственных границ. Эта тенденция была инициирована IDL, но значительно усилена программой MRL из-за новых руководящих принципов NSF, касающихся требований междисциплинарности. Новое поколение студентов будет обучаться в тесной совместной и междисциплинарной среде, а опыт программ IDL/MRL в области материаловедения и наук о конденсированных средах станет испытательным полигоном для усилий других центров в широком спектре областей.

Влияние IDL/MRL на другие центры NSF

В середине 1980-х годов произошло сближение ряда благоприятных тенденций для создания центров NSF в широком спектре областей. Был большой интерес к государственным инвестициям в фундаментальную науку, которые можно было бы использовать путем сопоставления средств со стороны промышленности и других источников. Кроме того, получила широкую оценку роль междисциплинарных групп в проведении исследований и обучении студентов.

Первой инициативой NSF на базе новых центров стало создание Центров инженерных исследований (ERC) в 1985 году. способствовало созданию центров нового типа, эта историческая связь не получила широкого признания. И NSF, и Управление научно-технической политики рассматривали создание ERC как главную новую инициативу 1985 года по привлечению средств NSF. Следующее описание объявления программы ERC в 1985 году поясняет:

«Джордж А. Кейворт II, научный советник президента Рейгана и директор Управления научно-технологической политики , называет создание ERC Национальным научным фондом следующим образом:«самое важное, что мы сделали как администрация для повышения эффективности и результативности федеральных средств на НИОКР». Он сказал, что центры удовлетворяют широко признанную потребность в различных областях науки и техники: «Продолжение расширения границ в этих областях было ограничено трудностью создания междисциплинарных команд для работы над проблемами. Наши университеты по понятным причинам созданы для проведения дисциплинарных исследований. С другой стороны, мы все чаще оказываемся нацией, сталкивающейся с решением проблем, которые имеют технически обоснованные решения. Нам необходимо предоставить нашим молодым людям среду, позволяющую решать проблемы... Эти центры - я бы скорее назвал их научно-техническими центрами - представляют собой междисциплинарный механизм, с помощью которого химики, физики, нейробиологи, инженеры и т. д. могут собираться вместе и решать захватывающие, интеллектуально сложные, реальные проблемы». "

отметил Уильям О. Бейкер , что приведенные выше комментарии об экономическом потенциале ERC почти такие же, как и те, которые описывали первоначальные IDL в начале 1960-х годов. Бейкер заключает, что «действительно приятно обнаружить такое нынешнее согласие по поводу концепции, в которой задействована столь значительная часть наших лучших академических талантов».

Первые шесть грантов ERC были выданы в 1985 году. Эти гранты обычно выдаются на пять лет с возможностью продления еще на 5 лет при общей продолжительности финансирования 10 лет. В том же году NSF присудил пятилетние награды пяти суперкомпьютерным центрам и разработал планы разработки программы для научно-технических центров (НТЦ), которая в конечном итоге затронет все области программ NSF. Первые 11 СТС были созданы в 1988 году. 13 центров, входящих в класс НТС 2013 года, охватывают широкий спектр тем: от исследований мозга и интеллекта до моделирования атмосферных процессов и изучения квантовых материалов.

Из-за опасений по поводу влияния на финансирование центра наград отдельных исследователей Национальный научный совет потребовал, чтобы награды центров не могли продлеваться без открытого повторного конкурса. С момента создания ERC и STC было создано большое количество других центров по всем основным дисциплинам NSF, которые теперь представляют собой важный элемент портфеля финансирования NSF.

Создание MRSEC (1994–1996 гг.)

Большинство MRL были запущены в период с 1972 по 1984 год, и лишь с несколькими более поздними дополнениями. Конкурс MRL 1992 года привел к открытию только одного нового центра: MRL в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Отсутствие новых наград в сочетании с требованием повторного конкурса Национального научного совета послужило стимулом для развития программы Центров науки и инженерии материалов NSF (MRSEC). Раньше MRL, получив финансирование, можно было постоянно поддерживать без необходимости конкурировать с другими центральными кандидатами. Программа MRSEC ограничивает выплаты фиксированным периодом времени, в настоящее время шестью годами. Дополнительная поддержка возможна, но только на основе нового предложения, конкурирующего на национальном уровне со всеми другими претендентами.

Переход от программ MRL к программам MRSEC произошел через два соревнования, проведенных в 1993/4 и 1995/96 годах соответственно. Соревнования были открыты для всех академических учреждений США, в том числе имеющих действующие на тот момент награды MRL. Учреждения, получившие награды в рамках программы Materials Research Group (MRG), которая была начата в NSF в 1984 году, имели право участвовать в конкурсе. Все награды MRL и MRG были прекращены после 1996 года. Всего в соревнованиях 1994–96 годов участвовало 10 MRL и 17 MRG. Как видно из Таблицы 2, девять MRL успешно перешли на MRSEC, а шесть наград MRSEC были вручены учреждениям, ранее получившим награды MRG. Важно отметить, что новые награды MRSEC были вручены шести учреждениям, которые никогда не имели какого-либо существенного центра NSF или большой групповой поддержки в исследованиях материалов.

СТОЛ. Центры материаловедения и инженерии (весна 2023 г.).

УЧРЕЖДЕНИЕ	ГОД НАЧАЛА
Брандейс У.	2020
Калифорнийский университет Ирвин	2020
Калифорнийский университет Сан-Диего	2020
У. Кал. Санта-Барбара	2023
Университет Чикаго	2020
Колумбия У.	2020
Университет штата Делавэр	2020
Гарвард У.	2020
Университет Иллинойса, Калифорнийский университет	2023
Университет Миннесоты	2020
Северо-Западный У.	2023
Университет штата Огайо.	2020
Пенн. Государство У.	2020
Принстон У.	2020
Университет Теннесси	2023
Университет Техаса	2023
Университет Вашингтона	2023
Университет Висконсина	2023

Исследование Национальной академии программы MRSEC (2007 г.)

Оценка программы MRSEC была опубликована Национальной академией наук в 2007 году. В кратком изложении суммируется влияние программы:

«Награды MRSEC по-прежнему пользуются большим спросом. Острая конкуренция за них внутри сообщества указывает на их высокую ценность».

В отчете перечислен ряд ключевых областей, на которые программа MRSEC оказывает влияние, включая предоставление ресурсов и условий, которые способствуют:

• междисциплинарные совместные исследования;
• междисциплинарная подготовка будущих научно-технических кадров;
• быстрое реагирование на новые идеи, включая поддержку проектов с более высоким риском, чем это возможно при использовании грантов для одного исследователя;
• усиление институциональной, местной и/или государственной поддержки исследований материалов;
• привлечение высококвалифицированных студентов и младших преподавателей;
• развитие инфраструктуры, полезной для организации и управления экспериментальной и вычислительной базой, а также образовательной и производственной деятельности.

Среди рекомендаций отчета — увеличение размера грантов центров, что позволило бы выделить адекватные ресурсы на образование и информационно-просветительскую работу, гарантируя при этом, что поддержка исследовательской деятельности не будет поставлена ​​под угрозу. Кроме того, исследование NAS рекомендовало усилить аспекты сотрудничества MRSEC и продолжить прогресс, достигнутый в прошлом, в создании национальной сети сотрудничающих центров. В докладе делается вывод, что такая сеть, когда она будет полностью создана, «укрепит материаловедение и инженерию в Соединенных Штатах как дисциплину и фактор конкурентоспособности США».

Дальнейшее чтение

• Брайант, Клайд Л. (август 2002 г.). «Вблизи: Центры материаловедения и инженерные центры — Национальная сеть материаловедения США» (PDF) . Вестник МРС . 27 : 637–645. дои : 10.1557/mrs2002.201 .

Внешние ссылки

• Национальный научный фонд — Научно-исследовательские и инженерные центры материаловедческих исследований.