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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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Perovskite edges can be tuned for optoelectronic performance

Layered 2D material improves efficiency for solar cells and LEDs

In the eternal search for next generation high-efficiency solar cells and LEDs, scientists at Los Alamos National Laboratory and their partners are creating...

10.03.2017 | nachricht Nachricht

Hamburger Wissenschaftler entwickeln Nanomaterial mit steuerbaren optischen Eigenschaften

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) haben ein neuartiges optisches Nanomaterial auf der Basis von nanoporösem Gold hergestellt, das es ermöglicht, die optische Transmission –also den Durchgang optischer Strahlung- durch Anlegen von elektrischen Spannungen um bis zu 30 Prozent zu verändern. Die Veränderung ist sensationell groß, wenn man bedenkt, dass die Schichtdicke des Nanomaterials nur 200 Nanometer beträgt – das ist nur etwa ein fünfhundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

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10.03.2017 | nachricht Nachricht

Chemists create molecular 'leaf' that collects and stores solar power without solar panels

New molecule harvests sunlight to create useable material from carbon dioxide in the atmosphere

An international team of scientists led by Liang-shi Li at Indiana University has achieved a new milestone in the quest to recycle carbon dioxide in the...

09.03.2017 | nachricht Nachricht

Phonon nanoengineering: Vibrations of nanoislands dissipate heat more effectively

Europium silicide has for some time attracted the attention of scientists. Recognized as being promising for electronics and spintronics, this material has recently been submitted by a team of physicists from Poland, Germany and France to comprehensive studies of the vibrations of its crystal lattice. The results yielded a surprise: deposited on a substrate of silicon, some structures of europium silicide appear to vibrate in a way that clearly broadens the possibilities of designing nanomaterials with tailored thermal properties.

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09.03.2017 | nachricht Nachricht

Small nanoparticles have surprisingly big effects on polymer nanocomposites

Polymer nanocomposites mix particles billionths of a meter (nanometers, nm) in diameter with polymers, which are long molecular chains. Often used to make injection-molded products, they are common in automobiles, fire retardants, packaging materials, drug-delivery systems, medical devices, coatings, adhesives, sensors, membranes and consumer goods. When a team led by the Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory tried to verify that shrinking the nanoparticle size would adversely affect the mechanical properties of polymer nanocomposites, they got a big surprise.

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09.03.2017 | nachricht Nachricht

In Kunststoff gehüllte Silizium-Nanoblätter als Alternative zu Graphen

Silizium-Nanoblätter sind dünne, zweidimensionale Schichten mit herausragenden optoelektronischen Eigenschaften, ähnlich denen des Graphens. Alleine sind sie jedoch instabil. Nun stellt ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) erstmals ein Verbundmaterial aus den Silizium-Nanoblättern und einem Kunststoff vor, das UV-beständig und leicht zu verarbeiten ist. Einer industriellen Anwendung, etwa als Material für flexible Displays oder Photosensoren, kommt das interdisziplinäre Team damit ein bedeutendes Stück näher.

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08.03.2017 | nachricht Nachricht

Polymer-coated silicon nanosheets as alternative to graphene: A perfect team for nanoelectronics

Silicon nanosheets are thin, two-dimensional layers with exceptional optoelectronic properties very similar to those of graphene. Albeit, the nanosheets are less stable. Now researchers at the Technical University of Munich (TUM) have, for the first time ever, produced a composite material combining silicon nanosheets and a polymer that is both UV-resistant and easy to process. This brings the scientists a significant step closer to industrial applications like flexible displays and photosensors.

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08.03.2017 | nachricht Nachricht

Turning food waste into tires

Eggshells, tomato peels add strength to sustainable rubber

Tomorrow's tires could come from the farm as much as the factory.

07.03.2017 | nachricht Nachricht

New materials could turn water into the fuel of the future

A new materials discovery approach puts solar fuels on the fast track to commercial viability

Researchers at Caltech and Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) have--in just two years--nearly doubled the number of materials known to have...

07.03.2017 | nachricht Nachricht

Novel 3-D manufacturing leads to highly complex, bio-like materials

Microstructures could have myriad uses, including batteries and ultrastrong materials

Washington State University researchers have developed a unique, 3-D manufacturing method that for the first time rapidly creates and precisely controls a...

06.03.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

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Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

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Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

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