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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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Insect eyes inspire new solar cell design from Stanford

Packing tiny solar cells together, like micro-lenses in the compound eye of an insect, could pave the way to a new generation of advanced photovoltaics, say Stanford University scientists.

In a new study, the Stanford team used the insect-inspired design to protect a fragile photovoltaic material called perovskite from deteriorating when exposed...

01.09.2017 | nachricht Nachricht

Technique could aid mass production of biodegradable plastic

Introducing a simple step to the production of plant-derived, biodegradable plastic could improve its properties while overcoming obstacles to manufacturing it commercially, says new research from the University of Nebraska-Lincoln and Jiangnan University.

That step? Bringing the heat.

31.08.2017 | nachricht Nachricht

New neutron holography technique opens a window for obtaining clear 3-D atomic images

People usually associate holograms with futuristic 3D display technologies, but in reality, holographic technologies are now being used to help study materials at the atomic level. X-rays, a high energy form of light, are often used to study atomic structure.

However, X-rays are only sensitive to the number of electrons associated with an atom. This limits the use of X-rays for studying materials made up of lighter...

29.08.2017 | nachricht Nachricht

New wrapping material enables high quality bioimaging

A nanosheet made of organic polymers has been developed to prevent the drying and deforming of biological samples, thus enabling high-quality imaging under microscopes.

Be it cosmology or biology, the advancement of science largely relies on the advancement of measuring instruments and methodology. In the past couple of...

28.08.2017 | nachricht Nachricht

New results reveal high tunability of 2-D material

Berkeley Lab-led team also provides most precise band gap measurement yet for hotly studied monolayer moly sulfide

Two-dimensional materials are a sort of a rookie phenom in the scientific community. They are atomically thin and can exhibit radically different electronic...

28.08.2017 | nachricht Nachricht

Magnetische Speicher mit Licht schalten – Neue Erkenntnisse zu den grundlegenden Mechanismen

Ein Forscherteam hat am Helmholtz-Zentrum (HZB) zum ersten Mal gezeigt, wie das Schalten von magnetischen Materialeigenschaften per Laserlicht durch Wärmeeffekte beeinflusst wird und unter welchen Bedingungen der Schaltprozess abläuft. Zugleich entdeckten die Wissenschaftler eine bislang unbekannte Abhängigkeit von der Dicke der magnetischen Schicht: ein wichtiger Hinweis für das theoretische Verständnis von optisch steuerbaren Magnet-Datenspeichern. Die Arbeit wird heute in der Fachzeitschrift Scientific Reports publiziert.

Die Anforderungen an digitale Speichermedien wachsen ständig. Eine rasant zunehmende Menge an Daten und neue technische Anwendungen verlangen nach Speichern,...

25.08.2017 | nachricht Nachricht

Zehn Billionen Atome in Reih’ und Glied

Schneller, präziser und stabiler: Untersuchung optimiert Wachstum von Graphen

Eine Atomlage dünn, reißfest,  stabil. Graphen gilt als Werkstoff der Zukunft. Ideal, um beispielsweise ultraleichte Elektronik oder hochstabile mechanische...

25.08.2017 | nachricht Nachricht

Researchers report breakthrough in magnesium batteries

Nanostructured cathode, understanding of new electrolyte lead to greater efficiency

Magnesium batteries offer promise for safely powering modern life -- unlike traditional lithium ion batteries, they are not flammable or subject to exploding...

25.08.2017 | nachricht Nachricht

Start of BMBF grant research project on Tracer-Based Sorting for packaging recycling

In Germany, 3 million tons of packaging waste is produced annually. How can high value secondary raw materials be recovered from this waste? Is it possible to produce new packaging materials from used packaging? These questions are addressed in a new research project managed by professors of the Pforzheim University. In project “Marker based sorting and recycling system for plastic packaging” (MaReK) professors Dr.-Ing. Claus Lang-Koetz and Dr.-Ing. Jörg Woidasky are collaborating with several industrial partners and one research partner in order to develop a new sorting system for plastic. The project was formally started earlier this month with a Kick-Off meeting at Pforzheim University.

In Germany, 3 million tons of packaging waste is produced annually. Packaging is discarded daily in each household and is then collected in yellow refuse bags...

25.08.2017 | nachricht Nachricht

The breaking point

It is said that a weak link determines the strength of the entire chain. Likewise, defects or small cracks in a solid material may ultimately determine the strength of that material - how well it will withstand various forces. For example, if force is exerted on a material containing a crack, large internal stresses concentrate on a small region near the crack's edge. When this happens, a failure process is initiated, and the material might begin to fail around the edge of the crack, which could then propagate, leading to the ultimate failure of the material.

What, exactly, happens right around the edge of the crack, in the area in which those large stresses are concentrated? Prof. Eran Bouchbinder of the Weizmann...

24.08.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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25.09.2017 | Veranstaltungen

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Seminar zum 3D-Drucken am Direct Manufacturing Center am

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