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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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Wirtschaftliche Prüfmethoden für XXL-Rotorblätter

Eine experimentelle Prüfung soll trotz wachsender Längen von Rotorblättern für Hersteller wirtschaftlich umsetzbar bleiben - entweder mit einem Ganzblatttest oder der Prüfung mehrerer Segmente oder Blattkomponenten. Für die Förderung des Projektes „Zukunftskonzept Betriebs-festigkeit Rotorblätter Phase II“ wurden dem Fraunhofer IWES rund 12 Mio. Euro bewilligt. Die Wissenschaftler entwickeln dafür neue Methoden für die Prüfung moderner Rotorblätter mit Längen bis zu 115 Metern und erproben diese experimentell. Dafür wird Ende 2019 ein neuer Teststand in Bremerhaven errichtet. Er umfasst ein sehr großes Prüffeld für Ganzblatttests sowie Aufbauten für den Segment- und Komponententest.

Die reale Entwicklung hat die Vorstellungskraft der Fachleute überholt: Als das Fraunhofer IWES 2009 die erste Rotorblatt-Prüfhalle mit 70 Meter-Prüffeld in...

11.02.2019 | nachricht Nachricht

Rice U. lab adds porous envelope to aluminum plasmonics

Scientists marry gas-trapping framework to light-powered nanocatalysts

When Rice University chemist and engineer Hossein Robatjazi set out to marry a molecular sieve called MOF to a plasmonic aluminum nanoparticle two years ago,...

11.02.2019 | nachricht Nachricht

New materials for high-voltage supercapacitors

The new material has an energy density 2.7 times higher than conventional materials

A research team led by Tohoku University in Japan has developed new materials for supercapacitors with higher voltage and better stability than other...

07.02.2019 | nachricht Nachricht

Developed self-controlling 'smart' fuel cell electrode material

A research team led by Professor Kang Taek Lee in the Department of Energy Science and Engineering developed electrode material for a new form of high-performance Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Since SOFC, which generates electricity by reacting hydrogen (fuel) with oxygen in the air, emits only water after reaction, is ecofriendly, and has little restrictions in installation place, it is drawing limelight as a new and renewable energy technology that is appropriate for distributed generation . However, it has been difficult to obtain stable supply due to the rapid performance decline of electrode generating power amidst sudden stop and the suspension of fuel supply.

Professor Lee's team developed a new electrode material designed in a double perovskite structure to solve the stability of SOFC electrode. Inside the...

07.02.2019 | nachricht Nachricht

How safe is graphene?

Graphene is considered one of the most interesting and versatile materials of our time. The application possibilities inspire both research and industry. But are products containing graphene also safe for humans and the environment? A comprehensive review, developed as part of the European graphene flagship project with the participation of Empa researchers, investigated this question.

Graphene, a single layer of hexagonally arranged carbon atoms, is regarded as the miracle material of the future: it is flexible, transparent, strong, can...

07.02.2019 | nachricht Nachricht

Wie sicher ist Graphen?

Graphen gilt als eines der interessantesten und vielseitigsten Materialien der Gegenwart. Die Anwendungsmöglichkeiten begeistern sowohl Forschung als auch Industrie. Aber sind Produkte, die Graphen enthalten, auch sicher für Mensch und Umwelt? Ein umfassender Review, entstanden im Rahmen des europäischen Graphen-Flagship-Projekts mit Beteiligung von Empa-Forschenden, ging dieser Frage nach.

Graphen, eine einzelne Schicht aus hexagonal angeordneten Kohlestoffatomen, gilt als das Wundermaterial der Zukunft: Es ist gleichzeitig flexibel, transparent,...

07.02.2019 | nachricht Nachricht

Nano-infused ceramic could report on its own health

Rice University-led simulations show unique ceramic could act as a sensor for structures

A ceramic that becomes more electrically conductive under elastic strain and less conductive under plastic strain could lead to a new generation of sensors...

06.02.2019 | nachricht Nachricht

Innovative Bondtechnologien überwinden Limitationen für optische Systeme

Integriert optische Systeme finden Verwendung in ganz unterschiedlichen Bereichen. Von der Lasertechnik über Medizin und Mobilität bis hin zu Luft- und Raumfahrt. Gerade hier werden funktionell Mikro- und Nanostrukturen zu hochpräzisen Messungen in extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Verbindung der optischen Flächen, das so genannte Bonden. Bisherige Bondverfahren erfüllen diese Anforderungen nur unzureichend.

Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena haben jetzt im Rahmen des...

06.02.2019 | nachricht Nachricht

Quantum sensors providing magnetic resonance with unprecedented sensitivity

The QUTIS group at the UPV/EHU has participated in a piece of international research together with the CSIC and the University of Ulm in Germany

Nuclear magnetic resonance (NMR) is the technique behind a variety of applications, such as medical imaging, neuroscience or detection of drugs and explosives.

01.02.2019 | nachricht Nachricht

Graphene crinkles can be used as 'molecular zippers'

A decade ago, scientists noticed something very strange happening when buckyballs -- soccer ball shaped carbon molecules -- were dumped onto a certain type of multilayer graphene, a flat carbon nanomaterial. Rather than rolling around randomly like marbles on a hardwood floor, the buckyballs spontaneously assembled into single-file chains that stretched across the graphene surface.

Now, researchers from Brown University's School of Engineering have explained how the phenomenon works, and that explanation could pave the way for a new type...

01.02.2019 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Jet/Hüllen-Rätsel in Gravitationswellenereignis gelöst

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Astronomen des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat Radioteleskope auf fünf Kontinenten miteinander verknüpft, um das Vorhandensein eines stark gebündelten Materiestrahls, eines sogenannten Jets zu beweisen, der vom Überrest des bisher einzigen bekannten Gravitationswellenereignisses ausgeht, bei dem zwei Neutronensterne miteinander verschmolzen. Bei den Beobachtungen im weltweiten Netzwerk spielte das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg eine wichtige Rolle.

Im August 2017 wurde zum ersten Mal die Verschmelzung zweier sehr kompakter Sternüberreste, sogenannter Neutronensterne, beobachtet, deren vorhergehende...

Im Focus: (Re)solving the jet/cocoon riddle of a gravitational wave event

An international research team including astronomers from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has combined radio telescopes from five continents to prove the existence of a narrow stream of material, a so-called jet, emerging from the only gravitational wave event involving two neutron stars observed so far. With its high sensitivity and excellent performance, the 100-m radio telescope in Effelsberg played an important role in the observations.

In August 2017, two neutron stars were observed colliding, producing gravitational waves that were detected by the American LIGO and European Virgo detectors....

Im Focus: Materialdesign in 3D: vom Molekül bis zur Makrostruktur

Mit additiven Verfahren wie dem 3D-Druck lässt sich nahezu jede beliebige Struktur umsetzen – sogar im Nanobereich. Diese können, je nach verwendeter „Tinte“, die unterschiedlichsten Funktionen erfüllen: von hybriden optischen Chips bis zu Biogerüsten für Zellgewebe. Im gemeinsamen Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order” wollen Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg die dreidimensionale additive Fertigung auf die nächste Stufe heben: Ziel ist die Entwicklung neuer Technologien, die einen flexiblen, digitalen Druck ermöglichen, der mit Tischgeräten Strukturen von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene umsetzen kann.

„Der 3D-Druck bietet gerade im Mikro- und Nanobereich enorme Möglichkeiten. Die Herausforderungen, um diese zu erschließen, sind jedoch ebenso gewaltig“, sagt...

Im Focus: Diamanten, die besten Freunde der Quantenwissenschaft - Quantenzustand in Diamanten gemessen

Mithilfe von Kunstdiamanten gelang einem internationalen Forscherteam ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quantentechnologie: Erstmals konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen den Quantenzustand eines einzelnen Qubits in Diamanten elektrisch zu messen. Ein Qubit gilt als die Grundeinheit der Quanteninformation. Die Ergebnisse der Studie, die von der Universität Ulm koordiniert wurde, erschienen jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Science.

Die Quantentechnologie gilt als die Technologie der Zukunft. Die wesentlichen Bausteine für Quantengeräte sind Qubits, die viel mehr Informationen verarbeiten...

Im Focus: Wasser ist homogener als gedacht

Um die bekannten Anomalien in Wasser zu erklären, gehen manche Forscher davon aus, dass Wasser auch bei Umgebungsbedingungen aus einer Mischung von zwei Phasen besteht. Neue röntgenspektroskopische Analysen an BESSY II, der ESRF und der Swiss Light Source zeigen jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Bei Raumtemperatur und normalem Druck bilden die Wassermoleküle ein fluktuierendes Netz mit durchschnittlich je 1,74 ± 2.1% Donator- und Akzeptor-Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül, die eine tetrahedrische Koordination zwischen nächsten Nachbarn ermöglichen.

Wasser ist das „Element“ des Lebens, die meisten biologischen Prozesse sind auf Wasser angewiesen. Dennoch gibt Wasser noch immer Rätsel auf. So dehnt es sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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