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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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Nanoskalige Keramikpulver zum Fügen geeignet

Mittels PVS-Verfahren (physical vapor synthesis)oder Laserablation synthetisierte Aluminiumoxid-Nanopulver weisen eine beim Konsolidieren hinderliche Restagglomeration auf. Dr.-Ing. Ralph Hellmig konnte in seiner Dissertation Wege aufzeigen, solche starken Aggglomerate zu beseitigen und benutzte diese Nanopulver, um keramische Bauteile zu fügen. Mittels PVS-Verfahren (physical vapor synthesis) [1] oder Laserablation [2] synthetisierte Aluminiumoxid-Nanop 06.10.2000 | nachricht Nachricht

Lack Schicht für Schicht bestimmt

Mit dem »TRIBO-TESTER« werden Verschleißeigenschaften von Hartstoffschichten beurteilt. Wissenschaftler des Fraunhofer IPA haben ihn weiterentwickelt und können nun an organischen Beschichtungen Lackhaftungseigenschaften detailliert untersuchen und Aussagen über die Härte der einzelnen Lackschichten treffen. Die Anforderungen an lackierte Werkstückoberflächen sind in den letzten Jahren erheblich gestiegen. Sowohl an optische als auch an funktionelle Eigenscha 06.10.2000 | nachricht Nachricht

Skalpelle aus GFD-Diamant

Beliebige Klingengeometrien mit GFD-Diamant Leonhard-Klein-Preis für Mikroskalpelle Die Leonhard-Klein-Stiftung verleiht jährlich einen mit 30.000 DM dotierten Preis (Leonhard-Klein-Preis) zur Förderung der Augenheilkunde. Er wird für die innovative Entwicklung von chirurgischen Instrumenten und neuen Operationstechniken vergeben. Preisträger 2000 ist eine Ulmer Arbeitsgruppe, bestehend aus der GFD Gesellschaft für Diamantprodukte mbH (Dr. Peter Gluche und Dr. And 20.09.2000 | nachricht Nachricht

Kleinste Diamantklinge

Optimales Handwerkszeug für die Mikrochirurgie Die kleinste Diamantklinge der Welt kommt aus Ulm Einer interdisziplinären Arbeitsgruppe, bestehend aus der GFD Gesellschaft für Diamantprodukte mbH, Ulm, der Universitäts-Augenklinik Ulm (Ärztlicher Direktor Prof. Dr. Gerhard Lang), und der Abteilung Elektronische Bauelemente und Schaltungen (Leitung Prof. Dr.-Ing. Erhard Kohn) der Universität Ulm ist es gelungen, die kleinste Diamantklinge der Welt zu fertigen. Sie ist 0,12 mm breit. D 15.09.2000 | nachricht Nachricht

Heiße Projektionsscheiben

Leuchtende Logos und Werbetexte wandern über Bürgersteige und Fußgängerzonen. Projiziert werden sie durch Gobos - beschichtete Glasschablonen. Auch für eine Installation im Schweizer Pavillon auf der EXPO werden die Projektionsscheiben genutzt. Im Schweizer Pavillon auf der EXPO 2000 werden alle Sinne angesprochen. Duftende Lärchen- und Föhrenholzbalken stapeln sich zu Wänden, auf die in Leuchtschrift eine literarische Collage projiziert wird. Sc 13.09.2000 | nachricht Nachricht

Rostschutz aus dem Vakuum

Schichten schützen Dosen oder Karosserieteile vor Rost und verbessern die Haftung von Lacken und Farben. Mit einer In-line-Beschichtungsanlage lassen sich im Vakuum hauchdünne Schutz- oder Funktionsschichten auf metallische Bänder und Platten aufbringen. Damit Cola nach Cola, Wasser nach Wasser oder Bier nach Bier und nicht nach »Dose« schmeckt, wird das Blech mit einer hauchdünnen Schutzschicht überzogen. Das schützt die Dosen gleichzeitig vor Rost. 13.09.2000 | nachricht Nachricht

Gebündelte Kompetenz im neu gegründeten Fraunhofer-Themenverbund Polymere Oberflächen (POLO)

Mit dem am 12. Juli 2000 offiziell vollzogenen Zusammenschluss von sieben Fraunhofer-Instituten wurde ein neuer Weg beschritten, die Entwicklung von Polymerprodukten zu forcieren. Der Themenverbund für funktionalisierte Polymeroberflächen, Grenzflächen und dünne Schichten, kurz POLO genannt, wurde auf Initiative von Dr.-Ing. Wolfgang Holley, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising, gegründet. Die Forschung und Entwicklun 04.09.2000 | nachricht Nachricht

Excimerlaser-Bearbeitung: Klare Strukturen unter dem Flüssigkeitsfilm

Ein Flüssigkeitsfilm auf Metall oder Keramik sorgt dafür, dass die Ergebnisse sehr viel exakter ausfallen, wenn diese Werkstoffe mit Laserstrahlen bearbeitet werden. Die Qualität kleinster Bauteile, die mit hoher Präzision gefertigt werden müssen, ist dadurch deutlich zu steigern. An der Universität Erlangen-Nürnberg erprobt Dipl.-Ing. Stephan Roth am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie von Prof. Dr.-Ing. Manfred Geiger die Möglichkeiten des dort entwickelten neuen Verfahrens, 30.08.2000 | nachricht Nachricht

Keramik aus Holz

Interdisziplinäres Projekt im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes "Analysis, Modellierung und Simulation von Mehrskalenproblemen" Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gehen Wissenschaftler an den Universitäten Augsburg und Erlangen-Nürnberg der Frage nach, wie sich die mechanischen Eigenschaften von aus Holz gewonnenen Keramiken optimieren lassen. Dieses interdisziplinäre Projekt "Structural Optimization of Biomorphic Cellular Silicon Carbide Ceram 25.08.2000 | nachricht Nachricht

Deutsche Nanotechnologie in USA erfolgreich

Forschungszentrum Karlsruhe schließt Lizenzvertrag mit amerikanischem Unternehmen Die US-Firma MACH 1 Inc. mit Sitz in King of Prussia, Pennsylvania, hat soeben mit dem Forschungszentrum Karlsruhe einen Lizenzvertrag über ein Verfahren zur Erzeugung von Nanopartikeln abgeschlossen. Mit dem vom Forschungszentrum entwickelten Verfahren können nackte und beschichtete Nanopartikel mit hoher Ausbeute hergestellt werden. Nach dem Aufbau einer Produktionsanlage will MACH 1 Nanopartikel f 24.08.2000 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

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