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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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Der gestapelte Farbsensor

Rot-, blau- und grün-empfindliche Farbsensoren aufeinanderschichten anstatt sie mosaikförmig aufreihen – mit diesem Prinzip könnten sich Bildsensoren mit einer noch nie dagewesenen Auflösung und Lichtempfindlichkeit realisieren lassen. Bislang gelang das aber in der Realität mehr schlecht als recht. Forscher von der Empa und der ETH Zürich haben nun einen Sensorprototypen entwickelt, der das Licht nahezu ideal absorbiert – und erst noch günstig herzustellen ist.

Das menschliche Auge besitzt für die Farbwahrnehmung drei verschiedene Arten von Sinneszellen: Rot-, grün- und blau-empfindliche Zellen wechseln sich im Auge...

17.11.2017 | nachricht Nachricht

The stacked colour sensor

Red-sensitive, blue-sensitive and green-sensitive colour sensors stacked on top of each other instead of being lined up in a mosaic pattern - this principle could allow image sensors with unprecedented resolution and sensitivity to light to be created. However, up to now, the reality hasn't quite met expectations. Researchers from Empa and ETH Zurich have now developed a sensor prototype that absorbs light almost optimally - and which is also cheap to produce.

The human eye has three different types of sensory cells for the perception of colour: cells that are respectively sensitive to red, green and blue alternate...

16.11.2017 | nachricht Nachricht

Counterfeits and product piracy can be prevented by security features, such as printed 3-D microstructures

Forgeries and product piracy are detrimental to society and industry -- 3-D microstructures can increase security -- KIT researchers develop innovative fluorescent 3-D structures

Security features are to protect bank notes, documents, and branded products against counterfeiting. Losses caused by product forgery and counterfeiting may be...

16.11.2017 | nachricht Nachricht

Gefragtes Werkstoff-Knowhow: Fraunhofer LBF baut Elastomer-Forschung aus

Die Elektromobilität nimmt immer mehr Fahrt auf und in Verbrennungsmotoren steigen die Temperaturen. Deshalb erwartet die Automobilindustrie einen verstärkten Forschungs- und Entwicklungsbedarf insbesondere bei Spezial- und Hochleistungselastomeren. Auf diese Herausforderungen hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF reagiert und die neue Arbeitsgruppe „Elastomertechnologie“ im Forschungsbereich Kunststoffe ins Leben gerufen. Sie soll das umfangreiche Instituts-Portfolio auf die gesamte Wertschöpfungskette von Elastomerbauteilen erweitern. Ein anwendungsnahes Technikum zur Formulierung und Formgebung von Elastomeren steht dafür bereit.

Mit der neuen Arbeitsgruppe ergeben sich neue Synergien mit den bisherigen Kompetenzfeldern des Bereichs Kunststoffe, beispielsweise der chemischen und...

16.11.2017 | nachricht Nachricht

Legierungen aus dem Laserdrucker

Neue Designer-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt können künftig gezielt im 3-D-Laser-Schmelzverfahren (Additive Manufacturing) hergestellt werden. Pionierarbeit auf diesem Gebiet leistete der Empa-Forscher Christoph Kenel, der heute an der Northwestern University (Chicago) arbeitet. Die Empa verleiht ihm den Forschungspreis des Jahres 2017.

Titan-Aluminium-Legierungen vereinen mehrere im Leichtbau für Luft und Raumfahrt begehrte Eigenschaften: Sie sind leicht, sehr fest und zugleich...

15.11.2017 | nachricht Nachricht

Alloys from the laser printer

In the future, new designer alloys for aerospace applications can be manufactured using the 3-D laser melting process (Additive Manufacturing). Pioneering work in this field was provided by Empa researcher Christoph Kenel, who works today at Northwestern University (Chicago). Empa grants him the Research Award 2017.

Titan-Aluminum alloys are combining low density, high strength and oxidation resistance at elevated temperatures and are therefore of high technical relevance...

15.11.2017 | nachricht Nachricht

Fuel cell X-ray study details effects of temperature and moisture on performance

Experiments at Berkeley Lab's Advanced Light Source help scientists shed light on fuel-cell physics

Like a well-tended greenhouse garden, a specialized type of hydrogen fuel cell - which shows promise as a clean, renewable next-generation power source for...

14.11.2017 | nachricht Nachricht

A gel that does not break or dry out

Developing robust gels full of ionic liquids

Researchers have developed a highly robust gel that includes large amounts of ionic liquid. The research team was led by Professor MATSUYAMA Hideto and...

09.11.2017 | nachricht Nachricht

Cool textiles to beat the heat

Air-conditioned buildings bring welcome relief to people coming in from the heat. But creating that comfort comes with a cost to our wallets and the environment in the form of increased energy bills and greenhouse gas emissions. Now researchers report in ACS Nano the development of a new material for clothing that we could one day don as our own personal cooling unit, without any external energy needed to power it.  

Functionalized clothes have become the norm in recent years. We now have moisture-wicking and smell-proof athletic gear, and shirts and tops coated with a...

09.11.2017 | nachricht Nachricht

Flüssigkeiten, die Kräfte absorbieren

Kolloide sind erstaunliche Materialien, die sich unter Krafteinwirkungen verfestigen. Vom SNF geförderte Forschende haben die Auswirkung extrem starker Kräfte – wie die von Geschossen oder Mikrometeoriten – auf diese Stoffe untersucht.

Auf den ersten Blick ähneln Kolloide homogenen Flüssigkeiten wie beispielsweise Milch oder Blutplasma. Tatsächlich sind sie jedoch Suspensionen aus festen...

08.11.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

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Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
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Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

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Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

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