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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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Built from the bottom up, nanoribbons pave the way to 'on-off' states for graphene

A new way to grow narrow ribbons of graphene, a lightweight and strong structure of single-atom-thick carbon atoms linked into hexagons, may address a shortcoming that has prevented the material from achieving its full potential in electronic applications. Graphene nanoribbons, mere billionths of a meter wide, exhibit different electronic properties than two-dimensional sheets of the material.

"Confinement changes graphene's behavior," said An-Ping Li, a physicist at the Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Graphene in sheets is an...

31.03.2017 | nachricht Nachricht

Zuckerrübenschnitzel: der neue Rohstoff für Werkstoffe?

Die Verwendung von Zuckerrübenschnitzeln in Verbundwerkstoffen oder als Bestandteil von Kunststofffolien bietet Zuckerrübenproduzenten zukünftig neue Geschäftsfelder und reduziert den Verbrauch an fossilen Rohstoffen. Die Fraunhofer-Institute UMSICHT und WKI erforschen gemeinsam mit Partnern aus Landwirtschaft und Industrie innovative und wirtschaftliche Nutzungsmöglichkeiten von Rübenschnitzeln.

Während der Rübenernte und Verarbeitung fallen allein bei den großen deutschen Zuckerherstellern Rübenschnitzel im siebenstelligen Tonnenbereich an. Diese so...

30.03.2017 | nachricht Nachricht

Reliable molecular toggle switch developed

New dimension of miniaturized electronic components -- switch can be operated as often as desired -- future circuits may be a hundred times smaller

Nanotechnology constantly allows for new records in miniaturization. Reduction of the dimension of electronic components, however, has physical limits that...

30.03.2017 | nachricht Nachricht

Researchers shoot for success with simulations of laser pulse-material interactions

University of Virginia-based team uses Titan to understand material design at the nanoscale

With the advent of laser technology in the 1960s, materials scientists gained a new tool to both study and modify materials. Today, lasers allow researchers to...

29.03.2017 | nachricht Nachricht

Biegsame Touchscreens: Neues Herstellungsverfahren für transparente Elektronik verbessert

Die Elektronik in Touchscreens, Bildschirmen und Solarzellen muss gleichzeitig transparent und leitfähig sein. Zunehmend sollen Elektroden aber auch biegsam sein, um sie beispielsweise direkt in Kleidung oder Verpackungen einbauen zu können. Möglich wäre dies durch eine druckbare Elektronik: Forscher im Arbeitskreis von Professor Tobias Kraus am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien haben dafür eine neuartige Nano-Tinte entwickelt: Sie enthält extrem dünne Golddrähte, die sich während des Druckens zu Leiterbahnen bündeln.

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28.03.2017 | nachricht Nachricht

Nanomaterial makes laser light more applicable

International research team creates hybrid material with a fascinating structure

Light is absorbed differently, depending on the material it shines on. An international research team including material scientists from Kiel University has...

28.03.2017 | nachricht Nachricht

Bessere Anwendungsmöglichkeiten für Laserlicht

Internationales Forschungsteam entwickelt Hybridmaterial mit faszinierender Struktur

Licht wird unterschiedlich absorbiert, je nachdem, auf welches Material es trifft. Einem internationalen Forschungsteam, darunter Wissenschaftlerinnen und...

28.03.2017 | nachricht Nachricht

New value added to the ICSD (Inorganic Crystal Structure Database)

FIZ Karlsruhe – Leibniz Institute for Information Infrastructure has added significant content to its ICSD database and offers its customers from materials science and other scientific disciplines new opportunities for using and analyzing data.

ICSD, the world’s largest database for completely identified inorganic crystal structures, has been complemented with two important content features. Firstly,...

27.03.2017 | nachricht Nachricht

Clevere Folien voller Quantenpunkte

Windkraftanlagen, Autos oder Fahrradhelme können so sicherer werden: Dünnschichtsensorik in hauchdünnen Folien zeigt kritische Belastungen an

Ein starker Sturm zieht auf. Die Rotorblätter einer Windkraftanlage werden gleich besonders stark belastet. Mikroskopisch kleine Schädigungen können sich im...

27.03.2017 | nachricht Nachricht

Argon is not the 'dope' for metallic hydrogen

Hydrogen is both the simplest and the most-abundant element in the universe, so studying it can teach scientists about the essence of matter. And yet there are still many hydrogen secrets to unlock, including how best to force it into a superconductive, metallic state with no electrical resistance.

"Although theoretically ideal for energy transfer or storage, metallic hydrogen is extremely challenging to produce experimentally," said Ho-kwang "Dave" Mao,...

24.03.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

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Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

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25.04.2017 | Veranstaltungen

Berührungslose Schichtdickenmessung in der Qualitätskontrolle

25.04.2017 | Veranstaltungen

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

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25.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Auf dem Weg zur lückenlosen Qualitätsüberwachung in der gesamten Lieferkette

25.04.2017 | Verkehr Logistik

Digitalisierung bringt Produktion zurück an den Standort Deutschland

25.04.2017 | Wirtschaft Finanzen