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Materialwissenschaft - ein interdisziplinärer Forschungszweig

Die Materialwissenschaft beschäftigt sich mit Erforschung, Entwicklung, Charakterisierung, Herstellung und Verarbeitung der Werkstoffe.

Materialwissenschaft - die Basis

Es ist eine interdisziplinäre Wissenschaft und umfasst Chemie, Physik, Mineralogie und viele anderen Wissenschaften und beschäftigt sich damit verbunden auch mit Kupfer, Eisen und Stahl. Der Übergang von den natürlichen Werkstoffen, wie Stein, Holz, Elfenbein oder Leder zu den gezielt gewonnenen Werkstoffen wie Kupfer, Stahl oder Eisen. Schon in der Jungsteinzeit, so um 4300 v. Chr., wurden Kupfer, Stahl und Eisen gewonnen. Im Anschluss daran ist der Übergang in die Bronzezeit erfolgt und erst in der Eisenzeit konnte neben Eisen, Stahl und Kupfer auch Aluminium hergestellt werden - mit dem Hall-Héroult-Prozess. Lange haben sich die Materialwissenschaften fast nur für die metallischen Werkstoffe, wie Eisen, Kupfer oder Stahl interessiert, doch seit der Beton wiederentdeckt worden ist, hat sich dies geändert. Obwohl dann später auch die ersten produzierten Kunststoffe für ein breites Publikum interessant wurden, die in Massenfertigung produziert worden sind, blieben Eisen, Kupfer und Stahl weiterhin von den Materialwissenschaften erforscht.

Die ersten Metalle und die alten Zeiten

Kupfer, Stahl und Eisen waren einige der ersten Metalle, die von der Menschheit in der Entwicklung kennen gelernt worden sind. Kupfer lässt sich sehr unkompliziert verarbeiten. Deswegen war Kupfer schon vor 10.000 Jahren bei den ältesten Kulturen, die man kennt, gerne verwendet. Die Epoche des weiträumigen Gebrauchs vom Kupfer (5. bis 3. Jahrtausend vor Christus) nennt sich Kupferzeit. In der Alchemie assoziieren die Anhänger das Kupfer mit Venus, als Symbol der Weiblichkeit. Sogar die ersten Spiegel wurden aus Kupfer hergestellt. Der größte Hersteller vom Kupfer vor der Industrie war das Römische Reich. Kupfer ist noch heute ein sehr beliebtes Material.

Stahl - stabil und zuverlässig

Mit Stahl sammelt die Menschheit schon lange praktische Erfahrung, denn Stahl wird mit seinen stabilen Eigenschaften, wie Festigkeit, Korrosionsverhalten und die gute Schweißeignung sehr gerne in der Technik verwendet. Es ist viel stabiler als Kupfer. Im europäischen Register vom Stahl findet man mehr als 2.300 Sorten vom Stahl. Kohle und Stahl haben über einen sehr langen Zeitraum die Hauptsäulen der Schwerindustrie gebildet und waren so die Grundlage für die politische Macht der Staaten. Stahl wird als die Eisen Kohlenstoff-Legierung definiert, mit weniger als 2,06 % Kohlenstoff. Stahl bzw. Eisen ist 7,85-7,87 g/cm3 dicht. Stahl schmilzt bei einer Temperatur, die bis zu 1.536°C hoch sein kann und hält dadurch viel höhere Temperaturen aus als Kupfer. Die erste Herstellung von Stahl wurde im 1. Jahrtausend v. Chr. datiert - viel später, als Kupfer. Stahl ist auch im Sinne der Ökologie ein schonendes Material, weil man Stahl fast ohne Qualitätsverlust unbegrenzt wieder nutzen kann.

Eisen - von Dekoration zur allgemeinen Nützlichkeit

Die erste Nutzung von Eisen wurde mit etwa 4000 v. Chr. in Ägypten dokumentiert. Es war ein gediegenes Eisen und es diente zur Dekoration und Anfertigung von Speerspitzen. Es ist für solche Zwecke besser geeignet gewesen als Stahl oder Kupfer. Später findet man verhüttetes Eisen in Mesopotamien, und Ägypten, welches aber nur zur zeremoniellen Nutzung gedacht war. Vielleicht entstand Eisen als Nebenprodukt der Bronzeherstellung. In den Jahren 1600 bis 1200 v. Chr. hat man immer mehr auf Eisen gezählt, eril die Hethiter eine Methode zur Herstellung von Eisen entwickelt haben. Eisen ist vermutlich neben Nickel ein Hauptbestandteil des Erdkerns. Eisen gewinnt man durch die chemische Reduktion der Eisenerze mit Kohlenstoff. Das Eisen wird, im Gegensatz zu Stahl oder Kupfer, im Hochofen gewonnen.

Materialwissenschaften

Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung - d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung - von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Artikel über die Materialentwicklung und deren Anwendungen, sowie über die Struktur und Eigenschaften neuer Werkstoffe.

News zu Materialwissenschaften:

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Switched-on DNA

Sparking nano-electronic applications

DNA, the stuff of life, may very well also pack quite the jolt for engineers trying to advance the development of tiny, low-cost electronic devices.

20.02.2017 | nachricht Nachricht

Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte

Die Entwicklung smarter Textilien wird am Fachbereich Textil- und Bekleidungstechnik der Hochschule Niederrhein weiter vorangetrieben. Das nächste geplante Projekt könnte den Umgang in der Medizin mit Herzinsuffizienzen grundlegend verändern.

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17.02.2017 | nachricht Nachricht

Glasforschung: Neue Technologie zum Umformen von GOBs zu Glaswafern

TAZ Spiegelau und Ullrich GmbH präsentieren Forschungserfolge

Im Rahmen des Abschlusstreffens zum Forschungsprojekt „Glaswafer aus Gobs“, kurz „GlaGOB“, trafen sich kürzlich Vertreter der Ullrich GmbH aus Zwiesel, Zwiesel...

16.02.2017 | nachricht Nachricht

Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen

Hauchdünne Halbleiterschichten verhalten sich unterschiedlich, je nachdem, auf welchem Untergrund sie aufgebracht sind. Das hat ein Team um den Physiker Dr. Arash Rahimi-Iman von der Philipps-Universität Marburg herausgefunden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler veröffentlichen ihre Ergebnisse im Fachblatt „2D materials“.

Halbleitermaterialien stecken in vielen Geräten, beispielsweise in Bauteilen von Computern, in Solarzellen, in Fotodetektoren und Leuchtdioden....

16.02.2017 | nachricht Nachricht

Using a simple, scalable method, a material that can be used as a sensor is developed

Materials offering huge potential using newspapers and sugar as the raw material and by means of simple chemical reactions are being synthesised at the UPV/EHU-University of the Basque Country

Erlantz Lizundia, a researcher in the UPV/EHU's department of Physical Chemistry and expert in cellulose, started the research during a period of time he spent...

15.02.2017 | nachricht Nachricht

Metallorganische Gerüste fungieren als Webstühle

Ein wichtiger Fortschritt in der Herstellung zweidimensionaler polymerbasierter Materialien ist Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelungen: Um Tücher aus monomolekularen Fäden zu fertigen, nutzten die Wissenschaftler die am KIT entwickelten SURMOFs – auf Oberflächen verankerte metallorganische Gerüste. Sie fügten vierarmige Monomere, also kleinere Molekülbausteine, in einzelne SURMOF-Schichten ein. Durch Verknüpfung der Monomere entstanden zu flachen Textilien verwobene Polymerfäden. Die Forscher stellen ihre molekularen Gewebe in der Zeitschrift Nature Communications vor. (DOI: 10.1038/ncomms14442)

Ein wichtiger Fortschritt in der Herstellung zweidimensionaler polymerbasierter Materialien ist Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)...

15.02.2017 | nachricht Nachricht

New mechanical metamaterials can block symmetry of motion, findings suggest

Engineers and scientists at The University of Texas at Austin and the AMOLF institute in the Netherlands have invented the first mechanical metamaterials that easily transfer motion effortlessly in one direction while blocking it in the other, as described in a paper published on Feb. 13 in Nature. The material can be thought of as a mechanical one-way shield that blocks energy from coming in but easily transmits it going out the other side.

The researchers developed the first nonreciprocal mechanical materials using metamaterials, which are synthetic materials with properties that cannot be found...

14.02.2017 | nachricht Nachricht

New study of ferroelectrics offers roadmap to multivalued logic for neuromorphic computing

Research published Wednesday, in Nature Scientific Reports lays out a theoretical map to use ferroelectric material to process information using multivalued logic - a leap beyond the simple ones and zeroes that make up our current computing systems that could let us process information much more efficiently.

The language of computers is written in just two symbols -- ones and zeroes, meaning yes or no. But a world of richer possibilities awaits us if we could...

13.02.2017 | nachricht Nachricht

Zweidimensionales Wundermaterial könnte Computer noch schneller machen

Hightech-Produkte werden von Generation zu Generation immer kleiner und leistungsfähiger. Um diesen technischen Fortschritt zu garantieren, benötigt es immer wieder neue Materialien mit neuen Eigenschaften.

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10.02.2017 | nachricht Nachricht

Vom Zellstoff zum Formteil – Fraunhofer entwickelt neue Technologie für faserverstärkte Kunststoffe

Zellstoff ist ein attraktives Material für den Einsatz in faserverstärkten Kunststoffen, etwa für Leichtbau-Anwendung oder als Material für Transportbehälter und Paletten. Bisher ist es allerdings nicht möglich, gängige Zellstoff-Lieferformen auf effiziente Weise dafür zu nutzen. Das will das Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in einem neuen Projekt ändern: Gemeinsam mit Partnern wird eine Technologieplattform zur Herstellung hochwertiger Zellstoff-Compounds und deren Weiterverarbeitung zu Formteilen entwickelt.

Zellstoff ist ein attraktives Material für den Einsatz in faserverstärkten Kunststoffen, etwa für Leichtbau-Anwendung oder als Material für Transportbehälter...

10.02.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

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Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

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Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

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Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

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Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

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Kniffe mit Wirkung in der Biotechnik

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