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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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Graphene based terahertz absorbers

Printable graphene inks enable ultrafast lasers in the terahertz range

Graphene Flagship researches from CNR-Istituto Nanoscienze, Italy and the University of Cambridge, UK have shown that it is possible to create a terahertz...

13.09.2017 | nachricht Nachricht

Operation Lilienthal

In Zusammenarbeit mit der TU München: Wie der Original-Segelapparat des Luftfahrt-Pioniers mittels Computertomograf für die Ausstellung vorbereitet wird.

Es geht um nichts weniger als den „Heiligen Gral der Luftfahrt“. Das sagt Andreas Hempfer, der Kurator für Luftfahrt bis 1945 des Deutschen Museums, über den...

13.09.2017 | nachricht Nachricht

Lilienthal-Gleiter: Blick in ein „Wunder der Ingenieurskunst“

Mit seinem innovativen Gleitflugapparat hat Otto Lilienthal vor mehr als 125 Jahren die Grundlage für die moderne Luftfahrt geschaffen. Weltweit sind nur noch vier Exemplare des Normal-Segelapparats erhalten, eines davon befindet sich im Deutschen Museum. Computertomografische Untersuchungen, die Forscher der Technischen Universität München (TUM) zusammen mit der Firma Airbus durchgeführt haben, erlauben erstmals einen Blick ins Innere der Konstruktionsstruktur. Die Bilder sollen Forschern und Restauratoren des Deutschen Museums bei der Konservierung helfen.

„Der Apparat ist ein Wunder der Ingenieurskunst: extrem leicht gebaut und aus flexiblen Materialien gefertigt, die an den entscheidenden Stellen verstärkt...

11.09.2017 | nachricht Nachricht

Research team discovers 'rubber material' that could lead to scratch-proof paint for car

Led by Dr Elton Santos from the University's School of Mathematics and Physics, an international team of researchers have found superlubricity in a few layers of graphene - a concept where friction vanishes or very nearly vanishes. The experts also found that a few layers of hexagonal boron nitride (h-BN) are as strong as diamond but are more flexible, cheaper and lighter.

The findings, which have been reported in Nature Communications, reveal that the h-BN layers form the strongest thin insulator available globally and the...

08.09.2017 | nachricht Nachricht

»MuReA« sorgt für schnelle und großflächige Lasereinsätze

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS entwickelte ein neuartiges Remote-Anlagen-Konzept (MuReA) für eine schnelle und flexible Laserbearbeitung. Dafür werden Laser-Remote-Systeme, Spindelantriebe und leistungsfähige Strahlquellen miteinander kombiniert. Im Ergebnis ermöglicht die neuartige Laseranlage das großflächige, flexible und schnelle Bearbeiten von Werkstoffen wie Aluminium, Edelstahl oder auch faserverstärkte Kunststoffe. Bei einer Geschwindigkeit des Laserstrahls von bis zu zehn Metern pro Sekunde werden Bearbeitungsfelder von bis zu einem Quadratmeter abgedeckt. Mögliche Anwendungsfelder lassen sich in der Automobil- sowie in der Luftfahrtindustrie verorten.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik konzipierten eine neuartige Multi-Remote-Anlage, die für Grundlagenuntersuchungen und...

07.09.2017 | nachricht Nachricht

“MuReA“ provides quick and large-scale laser applications

The Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS developed the novel remote system concept (MuReA) for quick, flexible and efficient laser processing tasks. IWS scientists combined laser remote systems, spindle drives and high performance beam sources with each other. As a result, this novel laser system enables large-scale, flexible and quick processing tasks for materials such as aluminum, stainless steel as well as fiber reinforced polymers. Working areas of up to one square meter can be processed at a laser beam speed of up to 10 meters per second. In particular, the automotive and the aerospace industry will benefit from possible applications.

Fraunhofer IWS engineers developed and designed a novel multi remote system, which is available for basic research tests and for further projects. The...

07.09.2017 | nachricht Nachricht

A revolution in lithium-ion batteries is becoming more realistic

The modern world relies on portable electronic devices such as smartphones, tablets, laptops, cameras or camcorders. Many of these devices are powered by lithium-ion batteries, which could be smaller, lighter, safer and more efficient if the liquid electrolytes they contain were replaced by solids. A promising candidate for a solid-state electrolyte is a new class of materials based on lithium compounds, presented by physicists from Switzerland and Poland.

Commercially available lithium-ion batteries consist of two electrodes connected by a liquid electrolyte. This electrolyte makes it difficult for engineers to...

06.09.2017 | nachricht Nachricht

Schäden an und in Drahtseilen erkennen, bevor es zu Störungen oder sogar Unfällen kommt

Neues Forschungsprojekt: Wissenschaftler des BIBA an der Universität Bremen und Prüftechnikspezialisten aus der Industrie entwickeln neuartiges Überwachungssystem für den mobilen und stationären Einsatz zur automatischen Detektion von Schäden an und in Drahtseilen

Fahrstuhl- und Seilbahnkabinen, Bergbahnen, Befahranlagen wie die an Windenergieanlagen, sogar ganze Brücken hängen an Drahtseilen. Reißen sie, zum Beispiel...

06.09.2017 | nachricht Nachricht

New fluorescent dyes could advance biological imaging

With a new technique to craft a spectrum of glowing dyes, chemists are no longer chasing rainbows.

Swapping out specific chemical building blocks in fluorescent molecules called rhodamines can generate nearly any color scientists desire - ROYGBIV and beyond,...

05.09.2017 | nachricht Nachricht

Diamantreibung: Simulation zeigt auf molekularer Ebene bislang unbekannte Reibungsmechanismen

Auf Schneidwerkzeugen, Lagern und Dichtungen helfen Diamantbeschichtungen, Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Wasser vermindert die Reibung dabei erheblich. Die Gründe dafür sind bislang nicht vollständig verstanden.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM und das Institut für Physik der Universität in Freiburg liefern mit einer Simulation neue Erklärungen für das...

01.09.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

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DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Intelligente Messmethoden für die Bauwerkssicherheit: Fachtagung „Messen im Bauwesen“ am 14.11.2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

 
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Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

17.10.2017 | Informationstechnologie

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Trends der Umweltbranche auf der Spur

17.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz