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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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A better understanding of nanomaterials

In the past six years, the National Research Programme “Opportunities and Risks of Nanomaterials” (NRP 64) intensively studied the development, use, behaviour and degradation of engineered nanomaterials, including their impact on humans and on the environment.

Twenty-three research projects on biomedicine, the environment, energy, construction materials and food demonstrated the enormous potential of engineered...

06.04.2017 | nachricht Nachricht

Radartechnologie für effizientere Windräder: Neuer Materialscanner prüft Rotorblätter auf Defekte

Der Anteil der Windenergie im Strommix steigt weltweit stetig an und mit ihr der Bedarf an effizienten und qualitativ hochwertigen Windkraftanlagen ››Made in Germany‹‹. Herzstück des Windrads sind die Rotorblätter, deren Produktion und Wartung strenge Prüfverfahren erfordert. Mit dem neuartigen Radarscanner des Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF werden Defekte in der Materialzusammensetzung der Windradflügel wesentlich genauer als bisher aufgespürt und in Querschnittsansicht visualisiert. Das spart Produktions- und Betriebskosten. Das Fraunhofer IAF präsentiert einen Demonstrator des Materialscanners auf der Hannover Messe 2017.

Für eine klimaverträgliche Stromversorgung ohne fossile Brennstoffe ist die Windkraft mittlerweile unverzichtbar. Etwa 50 Gigawatt und damit 12 % des gesamten...

06.04.2017 | nachricht Nachricht

Seaweed: From superfood to superconductor

Seaweed, the edible algae with a long history in some Asian cuisines, and which has also become part of the Western foodie culture, could turn out to be an essential ingredient in another trend: the development of more sustainable ways to power our devices.

Researchers have made a seaweed-derived material to help boost the performance of superconductors, lithium-ion batteries and fuel cells.

05.04.2017 | nachricht Nachricht

Materials may lead to self-healing smartphones

Taking a cue from the Marvel Universe, researchers report that they have developed a self-healing polymeric material with an eye toward electronics and soft robotics that can repair themselves. The material is stretchable and transparent, conducts ions to generate current and could one day help your broken smartphone go back together again.

The researchers will present their work today at the 253rd National Meeting & Exposition of the American Chemical Society (ACS). ACS, the world's largest...

04.04.2017 | nachricht Nachricht

Plättchen statt Quantenpunkte

Forscher um ETH-Professor David Norris klären anhand eines Modells den generellen Mechanismus, wie sich Nano-Plättchen bilden. Mit Katzengold konnten sie ihre Theorie auch gleich bestätigen.

Die Wissenschaft erforscht seit den 1980er Jahren farbig leuchtende Quantenpunkte (engl.: Quantum Dots, QDs), und mittlerweile sind diese Nano-Kristalle auch...

04.04.2017 | nachricht Nachricht

Cold plasma: Get started with the Disc Jet

Plasmas are often found in the center of stars – on Earth, the electrically charged gas mixtures are a rare occurrence, such as in lightning discharges or aurora borealis lights. However, you can provide some help with high heat or high electrical voltages.

Fraunhofer researchers have produced cold plasmas and used them for the surface treatment of temperature-sensitive materials. In doing so, recesses or...

03.04.2017 | nachricht Nachricht

Kaltes Plasma: Mit dem Disc-Jet durchstarten

Im Zentrum von Sternen findet man Plasmen häufig – auf der Erde kommen die elektrisch geladenen Gasgemische nur selten vor, zum Beispiel in Blitzentladungen oder Polarlichtern. Man kann jedoch mit großer Hitze oder hohen elektrischen Spannungen nachhelfen. Fraunhofer-Forscher haben kalte Plasmen erzeugt und sie für die Oberflächenbehandlung temperaturempfindlicher Materialien genutzt. Dank einer neuartigen Technik waren dabei Vertiefungen oder Hinterschneidungen kein Problem mehr – der Disc-Jet kommt überall hin.

Plasmen werden in der Industrie schon lange eingesetzt, um Oberflächen zu reinigen oder so zu bearbeiten, dass Materialien wie Lacke oder Klebstoffe besser...

03.04.2017 | nachricht Nachricht

Built from the bottom up, nanoribbons pave the way to 'on-off' states for graphene

A new way to grow narrow ribbons of graphene, a lightweight and strong structure of single-atom-thick carbon atoms linked into hexagons, may address a shortcoming that has prevented the material from achieving its full potential in electronic applications. Graphene nanoribbons, mere billionths of a meter wide, exhibit different electronic properties than two-dimensional sheets of the material.

"Confinement changes graphene's behavior," said An-Ping Li, a physicist at the Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Graphene in sheets is an...

31.03.2017 | nachricht Nachricht

Zuckerrübenschnitzel: der neue Rohstoff für Werkstoffe?

Die Verwendung von Zuckerrübenschnitzeln in Verbundwerkstoffen oder als Bestandteil von Kunststofffolien bietet Zuckerrübenproduzenten zukünftig neue Geschäftsfelder und reduziert den Verbrauch an fossilen Rohstoffen. Die Fraunhofer-Institute UMSICHT und WKI erforschen gemeinsam mit Partnern aus Landwirtschaft und Industrie innovative und wirtschaftliche Nutzungsmöglichkeiten von Rübenschnitzeln.

Während der Rübenernte und Verarbeitung fallen allein bei den großen deutschen Zuckerherstellern Rübenschnitzel im siebenstelligen Tonnenbereich an. Diese so...

30.03.2017 | nachricht Nachricht

Reliable molecular toggle switch developed

New dimension of miniaturized electronic components -- switch can be operated as often as desired -- future circuits may be a hundred times smaller

Nanotechnology constantly allows for new records in miniaturization. Reduction of the dimension of electronic components, however, has physical limits that...

30.03.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

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Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
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Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

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Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten