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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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Thermophones offer new route to radically simplify array design, research shows

Scientists have pioneered a new technique to produce arrays of sound produced entirely by heat.

The team of researchers from the Centre for Metamaterial Research and Innovation at the University of Exeter used devices, known as thermophones, to create a...

03.07.2020 | nachricht Nachricht

Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

02.07.2020 | nachricht Nachricht

The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

02.07.2020 | nachricht Nachricht

New materials of perovskite challenge the chemical intuition

High-pressure materials science has taken off over the last couple of decades with advances in previously difficult experimental techniques and from technologies such as diamond anvils, which squeeze samples of materials between two diamonds at pressures up to millions of times greater than that at the Earth's surface.

The field uses these extreme conditions that mirror the deep interior of planets to discover new materials, to modify the properties of known materials in...

02.07.2020 | nachricht Nachricht

Neue Chemie für ultradünne Gassensoren

Die Anwendung von Zinkoxidschichten in der Industrie ist vielfältig und erstreckt sich vom Schutz verderblicher Waren vor Luft bis zur Detektion von giftigen Stickoxiden. Solche Schichten können mit Hilfe der Atomlagenabscheidung (engl. Atomic layer deposition, kurz ALD) hergestellt werden, die normalerweise Vorläuferchemikalien, sogenannte Präkursoren, einsetzt, die sich an der Luft sofort entzünden. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat jetzt einen neuen Herstellungsprozess etabliert, der auf nicht selbstentzündlichen Präkursoren basiert und bei so niedrigen Temperaturen abläuft, dass auch Kunststoffe beschichtet werden können.

Das Team berichtet in der Zeitschrift „Small“, die den Beitrag in der Ausgabe vom 4. Juni 2020 für ihren Titel ausgewählt hat.

01.07.2020 | nachricht Nachricht

Design zuverlässiger nano- und mikroelektronischer Systeme

Wissenschaftler untersuchen das Verformungsverhalten von Silizium in nanoelektronischen Anwendungen und veröffentlichen ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift PNAS

Silizium verhält sich spröde wie Glas, dennoch ist es das Material auf das wir uns täglich in einer Vielzahl von wichtigen Anwendungen verlassen - egal ob es...

30.06.2020 | nachricht Nachricht

How to design more reliable nano- and micro-electro-mechanical systems

Scientists analyse the deformation behaviour of silicon in nano/micro devices and publish their latest results in PNAS

Mobile phones, data storage for laptops, solar cells, power electronics for renewable energy, or sensors in cars are applications where silicon is the...

30.06.2020 | nachricht Nachricht

Researchers discover new boron-lanthanide nanostructure

The discovery of carbon nanostructures like two-dimensional graphene and soccer ball-shaped buckyballs helped to launch a nanotechnology revolution. In recent years, researchers from Brown University and elsewhere have shown that boron, carbon's neighbor on the periodic table, can make interesting nanostructures too, including two-dimensional borophene and a buckyball-like hollow cage structure called borospherene.

Now, researchers from Brown and Tsinghua University have added another boron nanostructure to the list. In a paper published in Nature Communications, they...

29.06.2020 | nachricht Nachricht

Process for 'two-faced' nanomaterials may aid energy, information tech

A team led by the Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory used a simple process to implant atoms precisely into the top layers of ultra-thin...

29.06.2020 | nachricht Nachricht

An innovative catalyst with Pt, Re and SnO2 nanoparticles as anode material in ethanol fuel cells

Scientists working at the Department for Functional Nanomaterials at the Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences designed and synthesized a functional ternary Pt/Re/SnO2/C catalyst as an anode material in a direct ethanol fuel cell. It was possible by synthesizing platinum, rhenium and tin oxide nanoparticles of a spherical shape and ensuring physical contact between them. This finding will lead to the production of more efficient, greener and cheaper fuel cell catalysts.

One of the biggest challenges modern science faces today is the development of new, efficient and environmentally friendly technologies for converting chemical...

25.06.2020 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Im Focus: Elektronen auf der Überholspur

Solarzellen auf Basis von Perowskitverbindungen könnten bald die Stromgewinnung aus Sonnenlicht noch effizienter und günstiger machen. Bereits heute übersteigt die Labor-Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen die der bekannten Silizium-Solarzellen. Ein internationales Team um Stefan Weber vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hat mikroskopische Strukturen in Perowskit-Kristallen gefunden, die den Ladungstransport in der Solarzelle lenken können. Eine geschickte Ausrichtung dieser „Elektronen-Autobahnen“ könnte Perowskit-Solarzellen noch leistungsfähiger machen.

Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dabei wird die Energie des Lichts von den Elektronen des Materials im Inneren der Zelle...

Im Focus: Electrons in the fast lane

Solar cells based on perovskite compounds could soon make electricity generation from sunlight even more efficient and cheaper. The laboratory efficiency of these perovskite solar cells already exceeds that of the well-known silicon solar cells. An international team led by Stefan Weber from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz has found microscopic structures in perovskite crystals that can guide the charge transport in the solar cell. Clever alignment of these "electron highways" could make perovskite solar cells even more powerful.

Solar cells convert sunlight into electricity. During this process, the electrons of the material inside the cell absorb the energy of the light....

Im Focus: Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

Im Focus: The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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