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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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Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen

Wissenschaftler der Universität Würzburg haben ein neues Thermogel synthetisiert, das sich als biologische Tinte für den 3D-Druck gewebeähnlicher Strukturen für die regenerative Medizin eignet. Untersuchungen mit Hilfe von Neutronenstreuung an einem Gerät des Forschungszentrums Jülich legen nahe, dass das Material – ein Gemisch aus einem Polymer und lebenden Zellen, das bei Raumtemperatur flüssig ist – im gelierten Zustand ein ungewöhnliches schwammartiges Netzwerk ausbildet.

Im Labor gezüchtete Gewebe sind ein Hoffnungsträger für Menschen mit Gewebeschädigungen. Sie könnten einmal Knorpelmasse, Nervenbahnen, Hautpartien oder ganze...

19.10.2017 | nachricht Nachricht

Electrode materials from the microwave oven

Novel process facilitates production of high-voltage cathodes for lithium-ion batteries

Power on the go is in demand: The higher the battery capacity, the larger the range of electric cars and the longer the operating time of cell phones and...

19.10.2017 | nachricht Nachricht

New material for digital memories of the future

Ferroelectric self-assembled molecular materials

Professor Martijn Kemerink of Linköping University has worked with colleagues in Spain and the Netherlands to develop the first material with conductivity...

19.10.2017 | nachricht Nachricht

Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten

Wie die Mikrostruktur eines Werkstoffs dessen makroskopische Eigenschaften bestimmt, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitätsallianz (UA) Ruhr. Das Team aus Bochum, Dortmund und Duisburg-Essen hat unter anderem ein Modell entwickelt, mit dem sich basierend auf der Mikrostruktur voraussagen lässt, wie sich ein Material bei Verformung verhalten wird, etwa ob es besonders biegsam ist oder ob es sich an allen Stellen gleich stark verformt. Über das Projekt berichtet das Wissenschaftsmagazin Rubin der Ruhr-Universität Bochum.

Umformprozesse sind in der Industrie Alltag. In bislang existierenden Modellen, die die Vorgänge dabei beschreiben, wird die Mikrostruktur eines Werkstoffs...

19.10.2017 | nachricht Nachricht

Osaka university researchers make the slipperiest surfaces adhesive

Osaka University-led research team develops new way to make non-stick fluoropolymers adhesive using heat and plasma

The convenience of non-stick, Teflon-coated cookware is appreciated in kitchens worldwide, particularly by anyone doing the washing up. The chemical making up...

18.10.2017 | nachricht Nachricht

Think laterally to sidestep production problems

Super thin photovoltaic devices underpin solar technology and gains in the efficiency of their production are therefore keenly sought. KAUST researchers have combined and rearranged different semiconductors to create so-called lateral p-n heterojunctions--a simpler process they hope will transform the fabrication of solar cells, self-powered nanoelectronics as well as ultrathin, transparent, flexible devices.

Two-dimensional semiconductor monolayers, such as graphene and transition-metal dichalcogenides like WSe2 and MoS2, have unique electrical and optical...

17.10.2017 | nachricht Nachricht

Wie wirksam sind Haftvermittler? Fraunhofer nutzt Flüssigkeitschromatographie zur Charakterisierung

Als Haftvermittler zwischen Polyolefinen und polaren Oberflächen besitzen funktionalisierte Polyolefine eine große wirtschaftliche Bedeutung. Trotz jahrzehntelanger Bemühungen fehlten bisher analytische Methoden, die ein umfassendes Verständnis der Materialien und eine schnelle Bewertung ihrer Wirksamkeit, beispielsweise im Rahmen einer Wareneingangskontrolle, ermöglichen. Eine jetzt am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt chromatographische Methode erlaubt es zum ersten Mal, systematische Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für diese Materialien zu erarbeiten und sie ist sehr nützlich für die Entwicklung effizienterer Funktionalisierungsprozesse.

Die analytischen Informationen sind darüber hinaus in hohem Maße relevant für die Materialentwicklung und das Verständnis von Materialversagen.

17.10.2017 | nachricht Nachricht

Spin current detection in quantum materials unlocks potential for alternative electronics

A new method that precisely measures the mysterious behavior and magnetic properties of electrons flowing across the surface of quantum materials could open a path to next-generation electronics.

Found at the heart of electronic devices, silicon-based semiconductors rely on the controlled electrical current responsible for powering electronics. These...

16.10.2017 | nachricht Nachricht

Hochkorrosionshemmende Stahlbeschichtung für spezielle Außenanwendungen

Wissenschaftler von INNOVENT arbeiten an einer Verfahrenskombination aus nasschemischer Vorbehandlung und Sol-Gel-Korrosionsschutzbeschichtung mit anschließender konventioneller Pulverlackbeschichtung. Im Vergleich zum bisher eingesetzten Industrieprozess führt eine Anwendung dieser Beschichtungstechnologie derzeit zu einer Verdopplung der Korrosionsschutzwirkung.

Rostbildung auf Stahl ist allgegenwärtig. Zur Vermeidung werden Korrosionsschutzschichten verwendet. Insbesondere in den Märkten Sondermaschinen, Maschinenbau,...

12.10.2017 | nachricht Nachricht

Missing atoms in a forgotten crystal bring luminescence

A little-studied member of the perovskite family of materials could find use in a range of electronic devices, after researchers at KAUST discovered the secret of its strong photoluminescence.

Perovskites are a wide group of materials that are known to have remarkable optical and electronic properties. Perovskites with the general formula ABX3, and...

11.10.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

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Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

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IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

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23.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Seminar „Leichtbau im Automobil- und Maschinenbau“ im Haus der Technik Berlin am 16. - 17. Januar 2018

23.11.2017 | Seminare Workshops

Biohausbau-Unternehmen Baufritz erhält von „ Capital“ die Auszeichnung „Beste Ausbilder Deutschlands“

23.11.2017 | Unternehmensmeldung