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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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Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Akkus

Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat erstmals Nanopartikel aus einer Titanoxidverbindung (Ti4O7) mit extrem großen Oberflächen hergestellt und in Lithium-Schwefelbatterien als Kathodenmaterial getestet. Das hochporöse Nanomaterial besitzt eine hohe Speicherkapazität, die über viele Ladezyklen annähernd stabil bleibt.

Um Strom kompakt zu speichern, sind Lithium-Akkus momentan eine der besten Lösungen. In diesen Akkus wandern Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Energie, sicher und leicht transportiert – Adaptive Verarbeitung komplexer Steuerungsdaten

Rohre für die Öl- und Gasindustrie, besonders sogenannte Riser, mit denen die Rohstoffe aus dem Meeresgrund nach oben gefördert werden, sind hoch sicherheitsrelevant: Jedes einzelne muss den enormen Belastungen der Tiefsee zu 100 Prozent standhalten. Die Steuerung von Fertigungsprozessen für gewickelte Rohre aus thermoplastischen Faserverbundkunststoffen ist daher äußerst komplex. Für Anlagen zur Herstellung solcher Rohre und Druckbehälter erarbeiten dreizehn internationale Partner im EU-Forschungsprojekt »ambliFibre« unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT aus Aachen jetzt ein hochflexibles und gleichzeitig äußerst zuverlässiges Regelungskonzept.

Rohre, die in der Tiefsee zur Gas- oder Ölförderung dienen, müssen extremen Belastungen durch Wellengang und Druck standhalten und dauerhaft beständig...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Viel mehr als nur Draht... Internationales Kalibrierzentrum der TU Bergakademie Freiberg gegründet

Nägel, Schrauben, Drahtseile, Schmuck, Klaviersaiten, Stromkabel – Draht ist aus dem Alltag nicht wegzudenken. Aber auch (Stahl-)Träger, die Führungsschienen in Aufzügen und viele andere Stäbe zählt die Fachwelt zu so genannten Langprodukten. Die Automobil-, Elektro-, Reifen- und Bauindustrie sind deren größte Abnehmer. Aber wie entsteht ein Langprodukt?

Die TU Bergakademie Freiberg bildet am Institut für Metallformung Ingenieure aus, die bereits während des Studiums die Theorie des Kalibrierens erlernen und...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Gas gives laser-induced graphene super properties

Rice University scientists who invented laser-induced graphene (LIG) for applications like supercapacitors have now figured out a way to make the spongy graphene either superhydrophobic or superhydrophilic.

And it's a gas.

Until recently, the Rice lab of James Tour made LIG only in open air, using a laser to burn part of the way through a flexible polyimide sheet to get...

16.05.2017 | nachricht Nachricht

X-rays from copper source set new gold standard for measuring industrial materials

World's most accurate measurements of important X-ray spectrum could advance applications from infrastructure to drugs

Researchers at the National Institute of Standards and Technology (NIST) have produced and precisely measured a spectrum of X-rays using a new,...

15.05.2017 | nachricht Nachricht

Electrostatic design of materials: TU Graz demonstrates a fundamentally new approach

Collective electrostatic effects are used to intentionally manipulate material properties

Computational materials design is traditionally used to improve and further develop already existing materials. Simulations grant a deep insight into the...

15.05.2017 | nachricht Nachricht

Liquid-crystal and bacterial living materials self-organize and move in their own way

Smart glass, transitional lenses and mood rings are not the only things made of liquid crystals; mucus, slug slime and cell membranes also contain them. Now, a team of researchers is trying to better understand how liquid crystals, combined with bacteria, form living materials and how the two interact to organize and move.

"One of the ideas we came up with was materials that live," said Igor S. Aronson, holder of the Huck Chair and Professor of Biomedical Engineering, Chemistry...

12.05.2017 | nachricht Nachricht

Three-dimensional direction-dependent force measurement at the subatomic scale

International researchers led by Osaka University develop a microscopy technique to probe materials at the subatomic scale in multiple directions simultaneously

Atomic force microscopy (AFM) is an extremely sensitive technique that allows us to image materials and/or characterize their physical properties on the atomic...

11.05.2017 | nachricht Nachricht

Exploring the conversion of heat to electricity in single molecules

The direct conversion of a temperature difference into electricity, known as the thermoelectric effect, is an environmentally friendly approach to directly harvesting electricity from heat. The ability of a material to convert heat to electricity is measured by its thermoelectric figure of merit.

Materials with a high thermoelectric figure of merit are thus widely desired for use in energy harvesting. Quantum confinement effects in nanomaterials arising...

11.05.2017 | nachricht Nachricht

Elektrostatisches Materialdesign: TU Graz zeigt fundamental neuen Ansatz

Forschende des Instituts für Festkörperphysik stellen in Advanced Materials einen radikal neuen Ansatz zur gezielten Gestaltung optischer und elektronischer Eigenschaften von Materialien vor.

Herkömmlicherweise wird computergestütztes Materialdesign dazu genutzt, um bereits existierende Materialien zu verbessern und weiterzuentwickeln. Simulationen...

11.05.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
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Medikamente aus der CLOUD: Neuer Standard für die Suche nach Wirkstoffkombinationen

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