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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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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.

Hightech-Produkte werden von Generation zu Generation immer kleiner und leistungsfähiger. Um diesen technischen Fortschritt zu garantieren, benötigt es immer...

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

UNIST engineers oxide semiconductor just single atom thick

A new study, affiliated with UNIST has introduced a novel method for fabrication of world's thinnest oxide semiconductor that is just one atom thick. This may open up new possibilities for thin, transparent, and flexible electronic devices, such as ultra-small sensors.

This new ultra-thin oxide semiconductors was created by a team of scientists, led by Professor Zonghoon Lee of Materials Science and Engineering at UNIST. In...

08.02.2017 | nachricht Nachricht

Record-breaking material that contracts when heated

Researchers based at Nagoya University discover ceramic material that contracts on heating by more than twice the previous record-holding material

Machines and devices used in modern industry are required to withstand harsh conditions. When the environmental temperature changes, the volume of the...

08.02.2017 | nachricht Nachricht

Mimicking nature's cellular architectures via 3-D printing

Research offers new level of control over the structure of 3-D printed materials

Nature does amazing things with limited design materials. Grass, for example, can support its own weight, resist strong wind loads, and recover after being...

07.02.2017 | nachricht Nachricht

Artificially introduced atomic-level sensors enable measurements of the electric field within a working semiconductor device

Semiconductors lie at the heart of many of the electronic devices that govern our daily lives. The proper functioning of semiconductor devices relies on their internally generated electric fields. Being able to measure these fields on the nanoscale is crucial for the development of next-generation electronics, but present techniques have been restricted to measurements of the electric field at a semiconductor's surface.

Semiconductors lie at the heart of many of the electronic devices that govern our daily lives. The proper functioning of semiconductor devices relies on their...

02.02.2017 | nachricht Nachricht

Thin, flexible, light-absorbent material for energy and stealth applications

Transparent window coatings that keep buildings and cars cool on sunny days. Devices that could more than triple solar cell efficiencies. Thin, lightweight shields that block thermal detection. These are potential applications for a thin, flexible, light-absorbing material developed by engineers at the University of California San Diego.

The material, called a near-perfect broadband absorber, absorbs more than 87 percent of near-infrared light (1,200 to 2,200 nanometer wavelengths), with 98...

02.02.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

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Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

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Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

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Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

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Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
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Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

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27.02.2017 | Medizintechnik