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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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How to put neurons into cages

Using microscopically fine 3D printing technologies from TU Wien (Vienna) and sound waves used as tweezers at Stanford University (California), tiny networks of neurons have been created.

Microscopically small cages can be produced at TU Wien (Vienna). Their grid openings are only a few micrometers in size, making them ideal for holding cells...

06.05.2020 | nachricht Nachricht

Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken Stickstoffverbindungen mit überraschenden Strukturen

Nitride sind Stickstoffverbindungen mit technologisch hochattraktiven Eigenschaften. Sie haben daher ein breites Anwendungspotenzial in der Mikroelektronik, der Optoelektronik und als Keramikwerkstoffe. Forscher der Universität Bayreuth haben jetzt bei Hochdruck-Experimenten ungewöhnliche Nitride entdeckt. Stickstoff- und Metallatome verbinden sich unter sehr hohen Drücken zu porösen Kristallstrukturen mit Kanälen, in die sich Stickstoff-Moleküle einlagern. Die in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition” veröffentlichten Erkenntnisse bieten wertvolle Ansatzpunkte für das Design und die Synthese neuer High-Tech-Materialien.

Scheinbar paradox: Hochdruck erzeugt Hohlräume

05.05.2020 | nachricht Nachricht

Nutzerforschung an BESSY II: Neue Materialien steigern die Effizienz in Ethanol-Brennstoffzellen

Eine Gruppe aus Brasilien hat mit einem HZB-Team eine neuartige Kompositmembran für Ethanol-Brennstoffzellen untersucht. Sie besteht aus dem Polymer Nafion, in das durch Schmelzextrusion Titanat-Nanopartikel eingebettet sind. An BESSY II konnten sie beobachten, wie die Nanopartikel in der Nafion-Matrix verteilt sind und wie sie die Protonenleitfähigkeit steigern.

Ethanol besitzt eine fünfmal höhere volumetrische Energiedichte als Wasserstoff und lässt sich gefahrlos in geeigneten Brennstoffzellen zur Stromerzeugung...

05.05.2020 | nachricht Nachricht

Crystal power

The diamonds and other crystals on view in science museum exhibits are a delight to the eye. What contributes to their sometimes dazzling geometric shapes and colors is their highly ordered arrangement of atoms. For the crystalline materials in battery electrodes, their ordered microstructure has practical benefits for ease of the ion transfer within the electrode during charge and discharge.

Scientists at the U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory have created and tested a single-crystal electrode that promises to yield...

05.05.2020 | nachricht Nachricht

Bayreuth high-pressure researchers discover nitrogen compounds with surprising structures

Nitrides are nitrogen compounds with technologically highly attractive properties. They therefore have the potential for widespread application in microelectronics, optoelectronics, and as ceramic materials. Researchers at the University of Bayreuth have now discovered unusual nitrides in high-pressure experiments. Nitrogen and metal atoms combine under very high pressures to form porous crystal structures with channels in which nitrogen molecules become embedded. The findings published in the journal „Angewandte Chemie International Edition” offer valuable starting points for the design and synthesis of new high-tech materials.

Counter-intuitive: high pressure creates cavities

05.05.2020 | nachricht Nachricht

User research at BESSY II: How new materials increase the efficiency of direct ethanol fuel cells

A group from Brazil and an HZB team have investigated a novel composite membrane for ethanol fuel cells. It consists of the polymer Nafion, in which nanoparticles of a titanium compound are embedded by the rarely explored melt extrusion process. At BESSY II they were able to observe in detail, how the nanoparticles in the Nafion matrix are distributed and how they contribute to increase proton conductivity.

Ethanol has five times higher volumetric energy density (6.7 kWh/L) than hydrogen (1.3 kWh/L) and can be used safely in fuel cells for power generation. In...

05.05.2020 | nachricht Nachricht

Rubies on sapphire: Recipe for making crystals in flux

Crystals can be made artificially but a lot of energy is used to melt the ingredients together, and this can make them expensive. This problem can be overcome by using appropriate solvents. Called the flux method, crystals are grown in a crucible that contains solvents that allow the crystal to form with less energy because dissolution will happen easier.

Imagine having table salt, and wanting to form crystals of a desirable structure. The salt can be heated to its melting point which would take a lot of energy,...

04.05.2020 | nachricht Nachricht

Red light for stress

Researchers at the Institute of Industrial Science, part of The University of Tokyo, and Yokohama City University have introduced novel color-changing organic crystals that spontaneously return to their original shape and hue after being stressed, a property they call superelastochromism. These materials can be used to make sensors for shear forces to monitor locations susceptible to damage.

The ability to visualize forces can be very useful in many industries, particularly heavy manufacturing and shipping. For example, a color-changing material...

04.05.2020 | nachricht Nachricht

Fasernessel: Die nächsten Schritte auf dem Weg zurück in die Praxis

5 Partner optimieren die Wertschöpfungskette weiter: Neues Vermehrungsverfahren - Klone mit höherem Fasergehalt – besserer Faseraufschluss

Alle Bestrebungen, Nesselfasern industriell einzusetzen, sind in den vergangenen Jahren letztendlich gescheitert. Dabei könnte die Faser insbesondere im...

04.05.2020 | nachricht Nachricht

Superatoms as catalysts

Prof. Roland Fischer awarded Reinhard Koselleck Project funding from the DFG

Precious metals like platinum are good catalysts – but they are expensive. While the chemical industry is trying to solve this cost issue by developing...

01.05.2020 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

Eine Forschungskooperation der Universität Konstanz unter Federführung von Professor Dr. Christof Hauck (Fachbereich Biologie) mit Beteiligung des Klinikum Konstanz, eines Konstanzer Diagnostiklabors und des Konstanzer Unternehmens myPOLS Biotec, einer Ausgründung aus der Arbeitsgruppe für Organische Chemie / Zelluläre Chemie der Universität Konstanz, hat ein neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren entwickelt. Dieser Test ermöglicht es, Ergebnisse in der Hälfte der Zeit zu ermitteln – im Vergleich zur klassischen Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR).

Die frühe Identifikation von Patienten, die mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) infiziert sind, ist zentrale Voraussetzung bei der globalen Bewältigung...

Im Focus: Textilherstellung für Weltraumantennen startet in die Industrialisierungsphase

Im Rahmen des EU-Projekts LEA (Large European Antenna) hat das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg gemeinsam mit den Unternehmen HPS GmbH und Iprotex GmbH & Co. KG ein reflektierendes Metallnetz für Weltraumantennen entwickelt, das ab August 2020 in die Produktion gehen wird.

Beim Stichwort Raumfahrt werden zunächst Assoziationen zu Forschungen auf Mond und Mars sowie zur Beobachtung ferner Galaxien geweckt. Für unseren Alltag sind...

Im Focus: Biotechnologie: Enzym setzt durch Licht neuartige Reaktion in Gang

In lebenden Zellen treiben Enzyme biochemische Stoffwechselprozesse an. Auch in der Biotechnologie sind sie als Katalysatoren gefragt, um zum Beispiel chemische Produkte wie Arzneimittel herzustellen. Forscher haben nun ein Enzym identifiziert, das durch die Beleuchtung mit blauem Licht katalytisch aktiv wird und eine Reaktion in Gang setzt, die in der Enzymatik bisher unbekannt war. Die Studie ist in „Nature Communications“ erschienen.

Enzyme – in jeder lebenden Zelle sind sie die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse und machen dort Reaktionen möglich. Genau diese...

Im Focus: Biotechnology: Triggered by light, a novel way to switch on an enzyme

In living cells, enzymes drive biochemical metabolic processes enabling reactions to take place efficiently. It is this very ability which allows them to be used as catalysts in biotechnology, for example to create chemical products such as pharmaceutics. Researchers now identified an enzyme that, when illuminated with blue light, becomes catalytically active and initiates a reaction that was previously unknown in enzymatics. The study was published in "Nature Communications".

Enzymes: they are the central drivers for biochemical metabolic processes in every living cell, enabling reactions to take place efficiently. It is this very...

Im Focus: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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