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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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UNIST researchers engineer transformer-like carbon nanostructure

A recent study, affiliated with UNIST has engineered a new type of carbon nanomaterials, capable of changing shapes and colors depending on the type of solvents used. Such materials have attracted much attention owing to their unique optical properties and structures.

In the study, the joint research team, led by Professor Byung Soo kim and Professor Oh Hoon Kwon has presented a unique design and synthesis of hybrid carbon...

12.06.2017 | nachricht Nachricht

Graphen-"Sandwich" mit rotierenden Molekülen

Materialforscher um Jannik Meyer von der Fakultät für Physik der Universität Wien haben eine neue Hybridstruktur hergestellt: Bei den so genannten Buckyball-Sandwiches liegt eine einzelne Lage Fulleren-Moleküle (Kugeln aus 60 Kohlenstoffatomen mit der ungefähren Struktur eines Fußballs) eingebettet zwischen zwei Graphen-Membranen. Graphen gilt als neues "Wundermaterial" und ist eine, nur ein Atom dicke, Schicht aus Kohlenstoff. Unter dem Elektronenmikroskop konnten die Forscher nun erstmals die Diffusion von einzelnen Molekülen im zweidimensionalen Hohlraum zwischen den Graphen-Membranen nachweisen, sowie deren Rotation und das Verschmelzen von zwei oder mehreren Molekülen beobachten.

Kohlenstoff ist eines der vielseitigsten Elemente: Es bildet die Basis für eine riesige Menge an chemischen Verbindungen, man findet es in verschiedenen Formen...

12.06.2017 | nachricht Nachricht

Graphen bietet neue Funktionen für elektronische Nanogeräte

Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Bern und des National Physical Laboratory (NPL, UK) eröffnet der nächsten Generation von nanoelektronischen Geräten neue Wege: Der «Wunderstoff» Graphen macht Innovationen auf verschiedensten Gebieten wie der Umwandlung und Speicherung von Energie oder flexiblen Touchscreens möglich. So können noch kleinere und effizientere Geräte entwickelt werden.

Der Forschungsbereich der molekularen Nanoelektronik zielt darauf ab, einzelne Moleküle als «Bausteine» für elektronische Geräte zu nutzen, deren Funktionen zu...

12.06.2017 | nachricht Nachricht

Graphene electrodes offer new functionalities in molecular electronic nanodevices

An international team of researchers led by the University of Bern and the National Physical Laboratory (NPL) has revealed a new way to tune the functionality of next-generation molecular electronic devices using graphene. The results could be exploited to develop smaller, higher-performance devices for use in a range of applications including molecular sensing, flexible electronics, and energy conversion and storage, as well as robust measurement setups for resistance standards.

The field of nanoscale molecular electronics aims to exploit individual molecules as the building blocks for electronic devices, to improve functionality and...

12.06.2017 | nachricht Nachricht

Paving the way for a sounding photo book

The Institute for Print and Media Technology at the Chemnitz University of Technology strives to reach the mass market with the printing of paper-speakers

If the Institute for Print and Media Technology at the Chemnitz University of Technology succeeds, the speaker of the future will be thin as paper and make...

09.06.2017 | nachricht Nachricht

New technique enables 3-D printing with paste of silicone particles in water

Using the principles behind the formation of sandcastles from wet sand, North Carolina State University researchers have achieved 3-D printing of flexible and porous silicone rubber structures through a new technique that combines water with solid and liquid forms of silicone into a pasty ink that can be fed through a 3-D printer. The finding could have biomedical applications and uses in soft robotics.

In a paper published this week in Advanced Materials, corresponding author Orlin Velev and colleagues show that, in a water medium, liquid silicone rubber can...

08.06.2017 | nachricht Nachricht

Mit Licht zu maßgeschneiderten High-Tech-Materialien

Kratzer im Autolack per Laser reparieren oder empfindliche elektronische Bauteile mit Licht flexibler oder härter machen: An solchen Lösungen arbeitet Professor Christopher Barner-Kowollik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane, Australien. Wie sich Beschichtungen und Materialien mit monochromatischem Licht aus Lasern für unterschiedliche Anwendungen maßschneidern lassen, untersucht er nun auch in einem Projekt, das der Australische Forschungsrat mit mehr als drei Millionen Australischen Dollar fördert (mehr als zwei Millionen Euro).

„Christopher Barner-Kowollik gehört zu den weltweit führenden Forschern auf seinem Fachgebiet, gleichzeitig ist er mit seiner Arbeit in Deutschland und...

07.06.2017 | nachricht Nachricht

Auf dem Weg zum klingenden Fotobuch

Institut für Print- und Medientechnik der Technischen Universität Chemnitz will mit dem Druck von Papier-Lautsprechern den Massenmarkt erreichen – Bund fördert das Projekt mit rund 1,4 Millionen Euro

Die Lautsprecher der Zukunft werden, wenn es nach dem Institut für Print- und Medientechnik der Technischen Universität Chemnitz geht, dünn wie Papier sein und...

06.06.2017 | nachricht Nachricht

When gold turns invisible

A gold compound shifts from a visible fluorescence to emitting infrared when ground - a big shift with potential applications in bioimaging and security inks.

Some materials luminesce, changing their color and intensity when under mechanical forces such as grinding or rubbing. These luminescent "mechanochromic"...

01.06.2017 | nachricht Nachricht

Ultra-stable perovskite solar cell remains stable for more than a year

Perovskite solar cells promise cheaper and efficient solar energy, with enormous potential for commercialization. But even though they have been shown to achieve over 22% power-conversion efficiency, their operational stability still fails market requirements. Despite a number of proposed solutions in fabrication technology, this issue has continued to undercut whatever incremental increases in efficiency have been achieved. EPFL scientists have now built a low-cost, ultra-stable perovskite solar cell that has operated for more than a year without loss in performance (11.2%). The work is published in Nature Communications.

The lab of Mohammad Khaja Nazeeruddin at EPFL in collaboration with Michael Grätzel and Solaronix company has engineered what is known as 2D/3D hybrid...

01.06.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Im Focus: 3-D scanning with water

3-D shape acquisition using water displacement as the shape sensor for the reconstruction of complex objects

A global team of computer scientists and engineers have developed an innovative technique that more completely reconstructs challenging 3D objects. An ancient...

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24.07.2017 | Veranstaltungen

Von atmosphärischen Teilchen bis hin zu Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen

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Dichtes Gefäßnetz reguliert Bildung von Thrombozyten im Knochenmark

25.07.2017 | Biowissenschaften Chemie