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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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Scientists found and studied complex types of defects in the droplets of liquid crystals

A team of scientists from Kirensky Institute of Physics of the Siberian Branch of Russian Academy of Science and Siberian Federal University (SFU) together with Russian and foreign colleagues studied the droplets of a cholesteric liquid crystal that contained a twisted defect loop. The results of the study were published in Scientific Reports journal.

Liquid crystals (LCs) are chemical substances that enter mesophase (the state between solid matter and liquid) within a certain range of temperatures. Liquid...

05.02.2018 | nachricht Nachricht

Illinois researchers develop new surface design inspired by snake skin

Assistant Professor Seok Kim and graduate students Zining Yang and Jun Kyu Park have developed a design construct inspired in part by the surface of butterflies and snakes, where flexible skins are fully covered by rigid, discrete scales.

Their work, "Magnetically Responsive Elastomer-Silicon Hybrid Surfaces for Fluid and Light Manipulation," was recently featured on the cover of Small.

05.02.2018 | nachricht Nachricht

Splashdown: Supersonic cold metal bonding in 3-D

When a fragile surface requires a rock-hard, super-thin bonded metal coating, conventional manufacturing processes come up short. However, Cold Gas Dynamic Spray (CGDS) can do just that - with a big caveat. CGDS is enormously versatile, but is also very difficult to predict key aspects of the entire process. Now a temperature-based 3D model by Professor Tien-Chien Jen from the University of Johannesburg starts unlocking the mysteries of the CGDS film-growing process in the particle deposition zone.

The model is the first to connect the dots between particle impact velocity, energy transformation, and temperature rise in the particle impact zone, in three...

01.02.2018 | nachricht Nachricht

Mit nachwachsenden Rohstoffen Kunststoffe verstärken - Weniger Feuchte in Naturfasern

Naturfasern haben viele Vorteile: Sie sind nachwachsend, biologisch abbaubar und robust. Sie lassen sich energieärmer als Glas- oder Kohlefasern herstellen, sind leichter und weisen eine bessere Akustik auf. Ihr Nachteil: Sie nehmen sehr leicht Wasser auf. Das beeinträchtigt ihre mechanischen Eigenschaften. Fraunhofer-Forscher haben zusammen mit Partnern eine spezielle Faserbehandlung und eine Garntechnik kombiniert: Naturfasern können ihre Vorteile dadurch voll ausschöpfen und breiter eingesetzt werden.

Das Thema Biologische Transformation ist in aller Munde. Bei dieser Art des Wirtschaftens steht die nachhaltige Nutzung von biologischen Ressourcen wie...

01.02.2018 | nachricht Nachricht

Bindemittel für Lacke auf Ligninbasis - Ein Schritt in die Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen

Die Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen wird wohl nicht durch die eine große Entdeckung geschehen, sondern sich schrittweise vollziehen. Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen ist es gelungen, einen weiteren Schritt in diese Richtung zugehen. Auf Basis von Lignin, das zum Beispiel aus Pflanzenresten gewonnen werden kann, stellen die Wissenschaftler eine Grundierung für Lacke her, die ohne petrochemische Rohstoffe auskommt und dadurch eine deutlich verbesserte CO2-Bilanz aufweist.

Fossile Rohstoffe sind begrenzt. Dennoch ist die Produktion zahlreicher Produkte abhängig von diesen endlichen – oft umweltschädlichen – Ressourcen....

01.02.2018 | nachricht Nachricht

Scientists join international research team in discovery that could improve HD TV

Scientists at Queen's University Belfast have been working as part of an international team to develop a new process, which could lead to a new generation of high-definition (HD), paving the way for brighter, lighter and more energy efficient TVs and smart devices.

The Queen's scientists have been working alongside a team of experts from Switzerland (ETH Zurich, Empa--Swiss Federal Laboratories for Materials Science and...

01.02.2018 | nachricht Nachricht

Additive Fertigung: Metallische Komponenten ressourceneffizient herstellen

Die additive Fertigung von Kunststoffen hat sich in vielen Branchen etabliert. Der 3D-Druck von Metallen ist auf dem Weg, eine ähnliche Erfolgsgeschichte zu schreiben. Im neu eröffneten 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, haben Forscher untersucht, wie ressourceneffizient der Herstellungsprozess ist, wenn Leichtbaukomponenten aus Aluminium additiv gefertigt werden. Das Ergebnis: Schon kleinere Einsparungen an Material und Ressourcen pro Bauteil bringen hohe Kostenersparnisse bei Serienfertigungen mit sich.

Das 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer EMI in Freiburg beherbergt einen der derzeit größten kommerziell verfügbaren 3D-Drucker für...

01.02.2018 | nachricht Nachricht

Materialforscher entwickeln neue Klasse metallischer Gläser – Leichtbauanwendungen möglich

Drei junge Forscher der Universität des Saarlandes haben eine neue Klasse so genannter amorpher Metalle entwickelt. Da diese Legierungen, auch metallische Gläser genannt, ganz andere Eigenschaften als ihre Ausgangsmaterialien haben, eignen sie sich hervorragend beispielsweise für Leichtbauteile in Luft- und Raumfahrt. Die Forscher des Lehrstuhls für Metallische Werkstoffe konnten in jahrelanger Arbeit eine Legierung aus Titan und Schwefel erzeugen, die sehr leicht ist und gleichzeitig eine hohe Festigkeit besitzt. Für ihre Erfindung sind sie von der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer der Universität mit dem Erfinderpreis ausgezeichnet worden.

Materialforschung ähnelt einem Puzzle aus tausenden Teilen: Wenn man nicht das richtige Teil findet, mit dem man anfangen kann, stochert man mehr im Dunkeln...

01.02.2018 | nachricht Nachricht

NTU scientists create customizable, fabric-like power source for wearable electronics

Scientists at Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) have created a customizable, fabric-like power source that can be cut, folded or stretched without losing its function.

Led by Professor Chen Xiaodong, Associate Chair (Faculty) at the School of Materials Science & Engineering, the team reported in the journal Advanced Materials...

31.01.2018 | nachricht Nachricht

Wie Magnetfelder Zwillingsbildung in Kristallen beheben können

Eine spezielle Kopplung magnetischer Momente in Hochtemperatursupraleitern ermöglicht es, kristalline Teilbereiche zu verschieben und auf diese Weise Einkristalle zu perfektionieren.

Für die Untersuchung neuer Materialien, wie etwa Hochtemperatursupraleiter, ist es in vielen Fällen wichtig, Messungen entlang unterschiedlicher Richtungen im...

31.01.2018 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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