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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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Liquid shock absorbers

Remarkable liquid materials called colloids stiffen under impact. Researchers funded by the SNSF have studied the effect of powerful impacts such as those produced by firearms or micrometeorites.

At first glance, colloids resemble homogeneous liquids such as milk or blood plasma. But in fact they consist of particles in suspension. Some colloids have...

08.11.2017 | nachricht Nachricht

Wood goes high-tech

Wood could potentially replace petrol in chemistry and concrete in construction, according to studies conducted under the National Research Programme "Resource Wood". They show how precious chemical compounds can be extracted from wood, how its usability as a building material can be improved, and how forest management can be optimsed.

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07.11.2017 | nachricht Nachricht

Aus Holz wird Hightech

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Holz ist mehr als ein traditionelles Material: Als High-Tech-Komponente sowie als Rohstoff für die Chemie weist es ein grosses Innovationspotenzial auf. Zu...

07.11.2017 | nachricht Nachricht

Dendritic fibrous nanosilica: all-in-one nanomaterial for energy, environment and health

Dendritic fibrous nanosilica (DFNS) attracted a great deal of attention in a large number of scientific disciplines such as catalysis, solar energy harvesting (photocatalysis, solar cells, etc.), energy storage, self-cleaning antireflective coatings, surface plasmon resonance (SPR)-based ultra-sensitive sensors, CO2 capture, and biomedical applications (drug delivery, protein and gene delivery, bioimaging, photothermal ablation, Ayurvedic and radiotherapeutics drug delivery, etc.).

As discussed in this review, the unique fibrous morphology of the DFNS family of materials bestows them with several important properties that were brilliantly...

06.11.2017 | nachricht Nachricht

Renaissance der Eisen-Luft-Batterie

Jülicher Forscher zeigen Lade- und Entladereaktionen im laufenden Betrieb mit Nanometer-Präzision

Eisen-Luft-Batterien versprechen eine deutlich höhere Energiedichte als heutige Lithium-Ionen-Batterien. Ihr Hauptbestandteil, Eisen, ist zudem ein häufig...

03.11.2017 | nachricht Nachricht

Wrinkles give heat a jolt in pillared graphene

Rice University researchers test 3-D carbon nanostructures' thermal transport abilities

Pillared graphene would transfer heat better if the theoretical material had a few asymmetric junctions that caused wrinkles, according to Rice University...

03.11.2017 | nachricht Nachricht

UNIST unveils new fast-charging, high-energy electric-car battery technology

An international team of researchers, affiliated with UNIST has presented a novel hydrogen isotope separation system based on a porous metal organic framework (MOF). The isolation of deuterium from a physico-chemically almost identical isotopic mixture has been a seminal challenge in modern separation technology. This MOF system, meanwhile, could efficiently separate and store deuterium inside the pores, exhibiting the highest selectivity of any system to date.

This breakthrough has been led by Professor Hoi Ri Moon in the School of Natural Science at UNIST, Professor Hyunchul Oh of Gyeongnam National University of...

01.11.2017 | nachricht Nachricht

Leucht-Pyjama behandelt Neugeborene

Babys, die nach der Geburt an einer Gelbsucht leiden, werden mit kurzwelligem Licht behandelt. Empa-Forscher haben nun einen leuchtenden Pyjama entwickelt, der die Therapie im Brutkasten ersetzt. So kann das Neugeborene unbeschwert und warm in Mamas Armen gesund werden.

Allein, nackt und mit zum Schutz abgedeckten Augen – so liegen Neugeborene im Brutkasten, wenn sie gegen Gelbsucht behandelt werden. Die Bestrahlung mit blauem...

01.11.2017 | nachricht Nachricht

Microscopic defects make batteries better

Rice University-led study reveals unknown details about common lithium-ion battery materials

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30.10.2017 | nachricht Nachricht

Ceroxid-Nanopartikel: Auf die Oberfläche kommt es an

Abgasreinigung in Kraftfahrzeugen, Stromerzeugung aus Son-nenlicht oder Spaltung von Wasser: Diese und weitere Anwen-dungen können künftig von neuen Erkenntnissen zu Ceroxiden profitieren: Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Wissenschaftler Ceroxid-Nanopartikel mithilfe von Sondenmole-külen sowie einer komplexen Ultrahochvakuum-Infrarot-Messapparatur untersucht und teils überraschende neue Einsich-ten in Oberflächenstruktur und chemische Aktivität gewonnen. Drei Beiträge in der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen die Arbeiten vor.

Ceroxide, Verbindungen des Seltenerdmetalls Cer mit Sauerstoff, gehören zu den wichtigsten Oxiden für technische Anwendungen. Eingesetzt werden Ceroxide vor...

30.10.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

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Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

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IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

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