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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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Wärmeleitfähigkeit bei hohen Temperaturen - Universelle Messapparatur entwickelt

Die Bestimmung der thermischen Eigenschaften von Materialien ist in vielen Anwendungsbereichen essenziell. Insbesondere die Wärmeleitfähigkeit hat einen unmittelbaren Einfluss auf alle wärmetechnischen Anwendungen der Werkstoffe. Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden haben nun einen kompakten Versuchsaufbau entwickelt, mit dem die Wärmeleitfähigkeit auch von porösen bzw. anisotropen Werkstoffen sowie Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden bei höheren Temperaturen zuverlässig gemessen werden kann.

Typische Materialsysteme sind z. B. offen oder geschlossen poröse Kunststoffe, Metalle oder Keramiken sowie Schicht- oder Faserverbundstrukturen aus...

10.08.2017 | nachricht Nachricht

Nachhaltigkeit: Forscher der Uni Halle entwickeln Milchkapsel, die sich selbst auflöst

Milch ohne Plastik- oder Pappverpackung: Eine Milchkapsel mit einer löslichen Hülle haben Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) entwickelt. Werden die Kapseln in ein heißes Getränk gegeben, lösen sie sich von selbst auf. Damit lässt sich nicht nur der Verbrauch von Verpackungsmaterialien reduzieren, die Kapseln sind auch einfacher zu benutzen als herkömmliche Plastikdöschen. Ihre Ergebnisse stellt die Forschergruppe in der Fachzeitschrift "Chemical Engineering & Technology" vor.

Bei den neuen Milchkapseln handelt es sich im Grunde um Zuckerwürfel, die mit Milch oder Kondensmilch gefüllt sind. "Durch ihre Zuckerkruste haben die Kapseln...

10.08.2017 | nachricht Nachricht

New optical method pinpoints weak spots in jet engine thermal coatings

Approach could predict coating lifetime and help improve efficiency of airplane engines

Researchers have demonstrated, for the first time, that an optical analysis method can reveal weak areas in ceramic thermal barrier coatings that protect jet...

10.08.2017 | nachricht Nachricht

Landscapes give latitude to 2-D material designers

Rice University, Oak Ridge scientists show growing atom-thin sheets on cones allows control of defects

Rice University researchers have learned to manipulate two-dimensional materials to design in defects that enhance the materials' properties.

10.08.2017 | nachricht Nachricht

Scientists shine new light on the “other high temperature superconductor”

A study led by scientists of the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) at the Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg presents evidence of the coexistence of superconductivity and “charge-density-waves” in compounds of the poorly-studied family of bismuthates. This observation opens up new perspectives for a deeper understanding of the phenomenon of high-temperature superconductivity, a topic which is at the core of condensed matter research since more than 30 years. The paper by Nicoletti et al has been published in the PNAS.

Since the beginning of the 20th century, superconductivity had been observed in some metals at temperatures only a few degrees above the absolute zero (minus...

09.08.2017 | nachricht Nachricht

How superhydrophobic materials stay totally dry

Raincoats, car windshields, waterproof phones: They all use a little chemistry to stay dry. Inspired by nature, chemists use extremely water-fearing, or superhydrophobic, coatings to repel water from surfaces to keep them dry. Watch as the Reactions team uses a high-speed camera and some brave volunteers to bring the science of staying dry to life: https://youtu.be/YR4uCvy7wOA.

Raincoats, car windshields, waterproof phones: They all use a little chemistry to stay dry. Inspired by nature, chemists use extremely water-fearing, or...

08.08.2017 | nachricht Nachricht

Goldpartikel heilen sich selbst

Selbstheilende Materialien können Schäden wie Kratzer, Risse oder Dellen selbständig reparieren und ihre ursprüngliche Gestalt wieder annehmen. Dafür müssen sie aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden, deren kombinierte Eigenschaften zu den gewünschten Eigenschaften führen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und am Technion - Israel Institute of Technology haben jetzt entdeckt, dass auch winzige Partikel aus reinem Gold über erstaunliche Selbstheilungsfähigkeiten verfügen.

Werkstoffe mit Formgedächtnis auszustatten, ist eine sehr umständliche und mühsame Arbeit. Bei reinen Metallen galten Selbstheilungskräfte, die mechanisch...

08.08.2017 | nachricht Nachricht

Materials governed by light

Researchers at the UPV/EHU-University of the Basque Country have obtained hybrid photoactive materials with more stable and more rigid dyes that promise a broad range of applications

Hybrid materials are those that combine components of differing origins (organic and inorganic) in order to obtain materials different from conventional ones...

07.08.2017 | nachricht Nachricht

New model for bimolecular reactions in nanoreactors

Nanoreactors are tiny systems which facilitate specific chemical reactions, as a catalyst does. Many are found in biological systems, such as certain proteins. But chemists are also able to synthesise artificial nanoreactors to control chemical reactions. An important class of these nanoreactors has a "yolk & shell" architecture like an egg: a catalytically active metallic nanoparticle is surrounded by a shell consisting of a polymeric network. These kinds of nanoreactors can create isolated environments for specific reactions and restrict them to the tiny space inside the shell.

Mathematical description delivers new insights

04.08.2017 | nachricht Nachricht

Cicada wings may inspire new surface technologies

Researchers are looking to insects - specifically cicadas - for insight into the design of artificial surfaces with de-icing, self-cleaning and anti-fogging abilities.

Their wings allow cicadas to fly, of course, but they also are good at repelling water - a condition that humans can appreciate, too.

03.08.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
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Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie