Princeton University nybörjare Michal Prenovitz och Matine Yuksel placerade försiktigt ett litet träprov i en maskin utformad för att krossa föremål med tusentals pund kraft. När maskinens stålkäftar långsamt klämdes, Professor Ilhan Aksay rullade ihop några pappersark och vände sig mot eleverna som samlats i närheten.

"Om jag gör det här, " han sa, klämma ihop det rullade pappersröret i mitten, "röret studsar tillbaka — om jag inte plattar det helt."

Han bytte händerna mot rörets ändar.

"Men om jag betonar ändarna, ingenting händer förrän det plötsligt spänns och det blir permanent skada, " sade han. "Den förra är besläktad med att betona trä i en riktning som är vinkelrät mot dess cellväggar. I det senare, spänningen appliceras i samma riktning som cellväggarna."

För nästa timme, de 10 eleverna krossade, böjt och krossat prover av olika träslag i Aksays forskningslaboratorium. De mätte kraften som skadade proverna och kikade genom mikroskop för att analysera hur spänningen påverkade blockens inre strukturer.

I nästan 10 år, Aksay, professor i kemisk och biologisk teknik, har introducerat studenter i sitt förstaårsseminarium, "Material World, " till den vardagliga materia som utgör grunden för civilisationen. I kursen, utsedd som Donald P. Wilson '33 och Edna M. Wilson Freshman Seminar, eleverna börjar med att analysera det material som hjälpte till att starta civilisationen. Eleverna studerar material som enkel lera och adobe tegelstenar, bränd keramik och biologiskt framställda material som trä. Allt eftersom terminen fortskrider, de rör sig genom mer komplexa material, slutar med elektriskt ledande polymerer och till och med konstruktionen av ett litiumjonbatteri.

"Mitt mål är att lära dem om de grundläggande materialen som vi har omkring oss, " sa Aksay. "Jag vill ge dem svar på några av de frågor som, en dag, de kan få från sina barn."

Längs vägen, Aksay introducerar eleverna för labbtekniker. Föreårsstudenterna tillbringar hälften av varje klass i en seminariediskussion och flyttar sedan till Aksays labb, eller elektronmikroskopet i Bowen Hall, att tillämpa det de har lärt sig. För studenter som inte planerar att ta en naturvetenskaplig examen, det ger praktisk erfarenhet i labbet. Civilingenjörer får tidigt en chans att använda toppmodern utrustning.

"Från att ha pratat med mina vänner på andra skolor, det är extremt sällsynt att en nybörjare får en så liten klass med hög exponering för avancerad utrustning, sa Austin Pruitt, som planerar att ta huvudämne i maskin- och flygteknik. Han sa att seminariet, som inkluderar en blandning av studenter som studerar naturvetenskap och andra discipliner, är okomplicerat nog "så att alla kan förstå det, men tillräckligt komplex så att det är ny kunskap för alla i klassen."

Aksay påpekar att den mänskliga utvecklingens åldrar är uppkallade efter grundläggande material - sten, brons, järn — och klassen följer den organisationsstrukturen. I inledande experiment, studenter tillverkade och undersökte lertegel. De jämförde lerstenarnas styrka och seghet med sintrade tegelstenar, som har eldats i en ugn, och adobe tegelstenar, där halm blandas med leran. I dessa enkla experiment, studenterna genomgick tusentals år av teknologisk historia.

"Övergången från lertegel till sintrade tegelstenar tog ungefär 6, 000 år, " sa Aksay. "Varför? På grund av den tekniska utvecklingen måste man ha ugnar. Adobe behövde jordbruksrevolutionen. Utan hö, du kan inte råka ut för olyckan att blanda lera med halm."

Aksay frågade vad eleverna hade observerat om de olika typerna av tegelstenar, och varför materialet stärktes med uppvärmning.

"Formen förblir densamma, men den kemiska strukturen i tegelstenen förändras när du värmer den, sa Serena Zheng.

Aksay förklarade att höga temperaturer inuti ugnen omvandlar leran på molekylär nivå.

"Lera blir något annorlunda när du överstiger 600 grader Celsius, " sade han. "Kristaller bildar som nålar i en vätska med hög temperatur som blir glas när den kyls. Dessa nålar börjar låsa sig och föremålet blir starkare och starkare. Ju mer du värmer den, ju högre antal kristaller."

Aksay själv ligger i framkant av ingenjörskonst baserad på det nya materialet grafen, som är en enatoms tjock form av kol. Grafens anmärkningsvärda egenskaper, inklusive styrka, flexibilitet, och konduktivitet, har lovat att öppna nya områden inom elektronik som flexibel elektronik och kraftsystem. Men tills relativt nyligen, materialet var extremt svårt att separera till tunna ark utanför ett laboratorium.

Många år sedan, Professor Robert Prud'homme, även inom den kemiska och biologiska ingenjörsavdelningen, och Aksay utvecklade en teknik som använder ett syrabad för att oxidera grafit och en efterföljande mycket snabb uppvärmning för att effektivt skapa tunna ark av grafen. Denna patenterade metod erbjuder ett sätt för ingenjörer att utveckla omfattande industriella användningsområden för grafen.

John Lettow, som tog examen från Princeton 1995 med en examen i kemiteknik, har sedan dess bildat ett företag, Vorbeck Material, att utveckla nya produkter – som elektriskt ledande bläck för tryckta kretsar – baserat på tekniken.

"Att få så nära interaktioner med världsberömda fakulteter som Ilhan, även som student vid Princeton, är en fantastisk upplevelse som stannar med dig under hela din karriär, " sa Lettow. "Även om de kanske inte helt inser det ännu, dessa elever har exceptionell tur. Jag avundas deras tid i Ilhans klass."

Aksay sa att syftet med seminariet inte är att utveckla nästa stora tekniska genombrott utan att exponera ett brett spektrum av studenter för vetenskapens fascination.

"Jag försöker blanda vetenskap med roligt, " sa han. "Mitt mål är att lära eleverna, oavsett om de är intresserade av vetenskap eller inte, saker som de kommer att minnas många decennier från nu."