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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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OrganoPor: Bio-Based Boards for A Thermal Insulation Composite System

Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF developed a novel, bio-based facade insulating material during a two-year project. It can be competitive in manufacturing, processing and offer the properties needed for market-leading polystyrene insulation boards. Since OrganoPor also offers a competitive price, it has an opportunity to conquer the market. Fraunhofer LBF will present more about the new insulating material at the JEC World Trade Fair in Paris, from March 3 to 5, 2020, in Hall 6, Booth J 28 of the Fraunhofer-Gesellschaft.

Polystyrene foam boards (PS) are the most common insulation material, used in more than 90% of all thermal insulation composite systems (TICS). There have been...

21.02.2020 | nachricht Nachricht

Charakterisierung von thermischen Schnittstellen für modulare Satelliten

Das Fraunhofer IFAM in Dresden hat ein neues Projekt zur thermischen Charakterisierung von Kupfer/CNT basierten Scheiben für den Einsatz in thermalen Schnittstellen von modularen Satelliten gestartet. Gefördert wird das Projekt „ThermTEST“ für 18 Monate vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Zwischen den Einzelmodulen von modularen Satelliten werden zur Kopplung eine Vielzahl von Schnittstellen benötigt, die nach ihrer Funktion eingeteilt werden...

19.02.2020 | nachricht Nachricht

Freiburger Forscher untersucht Ursprünge der Beschaffenheit von Oberflächen

Die meisten natürlichen und künstlichen Oberflächen sind rau: Metalle und selbst Gläser, die mit dem bloßen Auge glatt erscheinen, sehen unter dem Mikroskop aus wie Berglandschaften. Es gibt derzeit keine einheitliche Theorie über den Ursprung dieser Rauheit, die auf jeder Größenskala, von atomaren bis zu tektonischen Abständen, beobachtet wird. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, dass sich die raue Oberfläche durch irreversible plastische Verformungen bildet, die bei vielen Prozessen der mechanischen Bearbeitung von Bauelementen wie zum Beispiel dem Fräsen auftritt.

Prof. Dr. Lars Pastewka von der Professur für Simulation am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg hat mit einem Team eine solche mechanische...

17.02.2020 | nachricht Nachricht

Freiburg researcher investigate the origins of surface texture

Most natural and artificial surfaces are rough: metals and even glasses that appear smooth to the naked eye can look like jagged mountain ranges under the microscope. There is currently no uniform theory about the origin of this roughness despite it being observed on all scales, from the atomic to the tectonic. Scientists suspect that the rough surface is formed by irreversible plastic deformation that occurs in many processes of mechanical machining of components such as milling.

Prof. Dr. Lars Pastewka from the Simulation group at the Department of Microsystems Engineering at the University of Freiburg and his team have simulated such...

17.02.2020 | nachricht Nachricht

Understanding Metal Ion Release from Hip Implants

Scientists of the Max-Planck-Institut für Eisenforschung publish their recent findings about material degradation of hip implants

1.8 million hip replacement surgeries were performed in developed countries in 2015. Due to lifestyle choices and a higher life expectancy, it is estimated...

17.02.2020 | nachricht Nachricht

New material has highest electron mobility among known layered magnetic materials

Properties make it promising candidate for new areas like magnetic twistronic devices and spintronics, as well as advances in data storage and device design

All the elements are there to begin with, so to speak; it's just a matter of figuring out what they are capable of - alone or together. For Leslie Schoop's...

13.02.2020 | nachricht Nachricht

Neue Simulation-Experiment-Kombination erlaubt tiefere Einblicke in ultraschnelle lichtinduzierte Prozesse

Forschende der TU Graz und der Uni Wien demonstrieren erstmals, wie durch Kombination von Ultrakurzzeit-Spektroskopie und Quantensimulationen der Energiefluss in Molekülen im Bereich stark koppelnder Zustände besser beschrieben werden kann.

Seit den 1990er-Jahren erforscht die Femtochemie ultraschnelle Prozesse auf molekularer Ebene.

13.02.2020 | nachricht Nachricht

Graphene forms under microscope's eye

Graphene forms under microscope's eye Rice, Tennessee labs shrink laser-induced graphene for flexible electronics

You don't need a big laser to make laser-induced graphene (LIG). Scientists at Rice University, the University of Tennessee, Knoxville (UT Knoxville) and Oak...

13.02.2020 | nachricht Nachricht

New simulation-experiment combination allows deeper insights into ultrafast light-induced processes

Researchers from Graz University of Technology and the University of Vienna are demonstrating for the first time how the energy flow between strongly interacting molecular states can be better described.

Since the 1990s, femtochemistry has been researching ultrafast processes at the molecular level. In the last few years, the research group Femtosecond Dynamics...

13.02.2020 | nachricht Nachricht

Superior 'bio-ink' for 3D printing pioneered

Rutgers researchers are developing materials to help grow human tissues

Rutgers biomedical engineers have developed a "bio-ink" for 3D printed materials that could serve as scaffolds for growing human tissues to repair or replace...

11.02.2020 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultraschnelles Schalten eines optischen Bits: Gewinn für die Informationsverarbeitung

Wissenschaftler der Universität Paderborn und der TU Dortmund veröffentlichen Ergebnisse in Nature Communications

Computer speichern Informationen in Form eines Binärcodes, einer Reihe aus Einsen und Nullen – sogenannten Bits. In der Praxis werden dafür komplexe...

Im Focus: Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

Künstliche Intelligenz und autonome Mobilität sollen dem Strukturwandel in Thüringen und Sachsen-Anhalt neue Impulse verleihen. Mit diesem Ziel fördert das Bundeswirtschaftsministerium ab sofort ein innovatives Projekt in Halle (Saale) und Ilmenau.

Der Wasserrettungsdienst Halle (Saale) und das Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil Angewandte Systemtechnik...

Im Focus: A step towards controlling spin-dependent petahertz electronics by material defects

The operational speed of semiconductors in various electronic and optoelectronic devices is limited to several gigahertz (a billion oscillations per second). This constrains the upper limit of the operational speed of computing. Now researchers from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Germany, and the Indian Institute of Technology in Bombay have explained how these processes can be sped up through the use of light waves and defected solid materials.

Light waves perform several hundred trillion oscillations per second. Hence, it is natural to envision employing light oscillations to drive the electronic...

Im Focus: Haben ein Auge für Farben: druckbare Lichtsensoren

Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie arbeiten mit Lichtsensoren, die schon jetzt bei vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. Zukünftig könnten diese Sensoren auch bei der Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Datenübertragung mittels Licht ermöglichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am InnovationLab in Heidelberg ist hier ein entscheidender Entwicklungsschritt gelungen: druckbare Lichtsensoren, die Farben sehen können. Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908258).

Neue Technologien werden die Nachfrage nach optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen erhöhen, darunter auch die Kommunikation mithilfe von...

Im Focus: Einblicke in die Rolle von Materialdefekten bei der spin-abhängigen Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz (eine Milliarde Oszillationen pro Sekunde) beschränkt. Die Rechengeschwindigkeit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher am MPSD und dem Indian Institute of Technology in Bombay (IIT) haben nun untersucht, wie diese Grenze mithilfe von Lichtwellen und Festkörperstrukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechenleistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen mehrere hundert Trillionen Mal pro Sekunde und haben das Potential, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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