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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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Sichere Langzeitdatenspeicherung dank optimierter Mikrofilme

Die Langzeitarchivierung von wichtigen wirtschaftlichen sowie kulturell und historisch bedeutenden Daten erfolgt heute noch immer auf analogen Mikrofilmen. Jedoch können diese im Laufe der Zeit durch biochemische Veränderungen oder mikrobiologische Einflüsse beschädigt werden. In einem gemeinsamen Forschungsvorhaben wollen das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und die FilmoTec GmbH mit einer neuen Technologie die Oberflächenbeschaffenheit der einzelnen Mikrofilm-Schichten für eine längere Haltbarkeit optimieren. So sollen eine signifikant höhere Langzeitstabilität und bisher unerreichte fotografische Eigenschaften von Mikrofilmen geschaffen werden.

Digitale Speichermedien wie CDs, DVDs oder USB-Geräte sind nach wie vor kurzlebig. Daten, die auf solchen Trägermedien gespeichert sind, können aufgrund der...

31.01.2019 | nachricht Nachricht

Superinsulators to become scientists' quark playgrounds

Scientists widely accept the existence of quarks, the fundamental particles that make up protons and neutrons. But information about them is still elusive, since  their interaction is so strong that their direct detection is impossible and exploring their properties indirectly often requires extremely expensive particle colliders and collaborations between thousands of researchers. So, quarks remain conceptually foreign and strange like the Cheshire cat in "Alice's Adventures in Wonderland," whose grin is detectable -- but not its body.

An international group of scientists that includes materials scientist Valerii Vinokur from the U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory...

31.01.2019 | nachricht Nachricht

Von der Terrassendiele zum Industriefördersystem – WPC kann mehr!

Forscher der TU Chemnitz optimieren den Werkstoff aus Holz und Kunststoff für neue Anwendungen

Forscher der TU Chemnitz wollen dem Werkstoff Wood Polymer Composite (WPC) neue technische Anwendungsbereiche erschließen. In umfangreichen Untersuchungen und...

31.01.2019 | nachricht Nachricht

„Doping“ für atomar dünne Materialen

Wissenschaftler der Universität Bremen erforschen neuen Mechanismus zur Veränderung der Leitfähigkeit von Nanomaterialien. Die Forscher konnten zeigen, dass sich so die elektronischen Eigenschaften ultradünner Materialien gezielt manipulieren lassen, um neuartige Anwendungsmöglichkeiten in der Informations- oder Energietechnik zu eröffnen. Ihre Entdeckung haben sie kürzlich in der international renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Seit einigen Jahren ist es möglich ultradünne Materialien herzustellen, die nur wenige Atome „dick“ sind. Das wohl am besten erforschte dieser...

31.01.2019 | nachricht Nachricht

Federstruktur und Knochenbau als biomimetisches Vorbild für neue Haftstrukturen und Flugobjekte

Forscher vom INM und der Universität of California in San Diego fanden heraus, dass sich die Länge des Oberarmknochens (Humerus) eines Vogels mit seinem Körpergewicht charakteristisch verändert, um den Auftrieb zu optimieren. Im Gegensatz dazu fallen die Abstände zwischen den adhäsiven Verbindungshäkchen der Federn für alle Vogelarten gleich aus, um den Luftstrom optimal zu steuern.

Vögel segeln als König der Lüfte, fliegen gleitend, beherrschen Sturzflüge und landen mal mehr, mal weniger elegant. Oder sie halten sich mit raschen...

29.01.2019 | nachricht Nachricht

Feather structure and bone anatomy as a biomimetic model for new adhesives and flying objects

Researchers from INM and the University of California, San Diego found that the length of the humerus bone varies in a characteristic way with the body weight of the bird to optimize lift. By contrast, the elements of the feather attachments (barbules) are spaced equally for all bird species to optimally control airflow.

Scientists discover universal principles of evolution

29.01.2019 | nachricht Nachricht

Bewegliche Mikrostrukturen aus dem Drucker

Wissenschaftler des KIT entwickeln Methode für dynamischen 3D-Druck – Mikrostrukturen lassen sich durch Licht und Temperatur bewegen

Mit laserbasiertem 3D-Druck lassen sich heute schon beliebige Strukturen im Mikrometermaßstab herstellen. Für viele Anwendungen, insbesondere in der...

24.01.2019 | nachricht Nachricht

Effizienter Reaktorrückbau durch Laserstrahlschneiden?

Lässt sich das Laserstrahlschneiden unter Wasser für den effizienten Reaktorrückbau einsetzen? Dieser Frage wollen Wissenschaftler des Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) im Rahmen des Projekts AZULa nachgehen. In einer Machbarkeitsstudie entwickeln sie einen Laserstrahlschneidprozess und konstruieren einen kompakten Schneidkopf für den Einsatz in einer radiologisch aktivierten und kontaminierten Umgebung unter Wasser.

Dieses neue System soll den direkten Rückbau von kerntechnischen Anlagen (Reaktordruckbehältern) ermöglichen.

24.01.2019 | nachricht Nachricht

Taking magnetism for a spin: Exploring the mysteries of skyrmions

Scientists at the U.S. Department of Energy's Ames Laboratory have discovered the relaxation dynamics of a zero-field state in skyrmions, a spinning magnetic phenomenon that has potential applications in data storage and spintronic devices.

Skyrmions are nanoscale whirls or vortices of magnetic poles that form lattices within a magnetic material, a type of quasiparticle that can zip across the...

24.01.2019 | nachricht Nachricht

Platin schlägt Nanoblasen

Das Edelmetall Platin kann unter technisch relevanten Bedingungen schneller oxidieren als erwartet. Das zeigt eine Untersuchung aus dem DESY-NanoLab gemeinsam mit der Universität Wien. Platinhaltige Geräte wie beispielsweise Abgas-Katalysatoren im Auto können durch diese Reaktion an Wirksamkeit einbüßen. Das Team um Hauptautor Thomas Keller von DESY und der Universität Hamburg stellt seine Untersuchungen in der Februar-Ausgabe des Fachblatts „Solid State Ionics“ vor. Das Ergebnis ist auch eines der Themen bei den Nutzertreffen der Hamburger Röntgenlichtquellen, die zurzeit bei DESY stattfinden und zu denen sich mehr als 1000 Teilnehmerinnen und Teilnehmer angemeldet haben.

„Platin ist ein technisch sehr wichtiges Material“, sagt Keller. „Es ist nicht umfassend geklärt, unter welchen Bedingungen Platin oxidieren kann. Diese...

24.01.2019 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Laserverfahren für funktionsintegrierte Composites

Composites vereinen gewinnbringend die Vorteile artungleicher Materialien – und schöpfen damit zum Beispiel Potentiale im Leichtbau aus. Auf der JEC World 2019 im März in Paris präsentieren die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein breites Spektrum an laserbasierten Technologien für die effiziente Herstellung und Bearbeitung von Verbundmaterialien. Einblicke zu Füge- und Trennverfahren sowie zur Oberflächenstrukturierung erhalten Besucher auf dem Gemeinschaftsstand des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau AZL, Halle 5A/D17.

Experten des Fraunhofer ILT erforschen und entwickeln Laserprozesse für das wirtschaftliche Fügen, Schneiden, Abtragen oder Bohren von Verbundmaterialien –...

Im Focus: Grüne Spintronik: Mit Spannung Superferromagnetismus erzeugen

Ein HZB-Team hat zusammen mit internationalen Partnern an der Lichtquelle BESSY II ein neues Phänomen in Eisen-Nanokörnern auf einem ferroelektrischen Substrat beobachtet: Die magnetischen Momente der Eisenkörner richten sich superferromagnetisch aus, sobald eine elektrische Spannung anliegt. Der Effekt funktioniert bei Raumtemperatur und könnte zu neuen Materialien für IT-Bauelemente und Datenspeicher führen, die weniger Energie verbrauchen.

In heutigen Datenspeichern müssen magnetische Domänen mit Hilfe eines externen Magnetfeld umgeschaltet werden, welches durch elektrischen Strom erzeugt wird....

Im Focus: Regensburger Physiker beobachten, wie es sich Elektronen gemütlich machen

Und können dadurch mit ihrer neu entwickelten Mikroskopiemethode Orbitale einzelner Moleküle in verschiedenen Ladungszuständen abbilden. Die internationale Forschergruppe der Universität Regensburg berichtet über ihre Ergebnisse unter dem Titel “Mapping orbital changes upon electron transfer with tunnelling microscopy on insulators” in der weltweit angesehenen Fachzeitschrift ,,Nature‘‘.

Sie sind die Grundbausteine der uns umgebenden Materie - Atome und Moleküle. Die Eigenschaften der Materie sind oftmals jedoch nicht durch diese Bausteine...

Im Focus: Regensburg physicists watch electron transfer in a single molecule

For the first time, an international team of scientists based in Regensburg, Germany, has recorded the orbitals of single molecules in different charge states in a novel type of microscopy. The research findings are published under the title “Mapping orbital changes upon electron transfer with tunneling microscopy on insulators” in the prestigious journal “Nature”.

The building blocks of matter surrounding us are atoms and molecules. The properties of that matter, however, are often not set by these building blocks...

Im Focus: Universität Konstanz gewinnt neue Erkenntnisse über die Entwicklung des Immunsystems

Wissenschaftler der Universität Konstanz identifizieren Wettstreit zwischen menschlichem Immunsystem und bakteriellen Krankheitserregern

Zellbiologen der Universität Konstanz publizieren in der Fachzeitschrift „Current Biology“ neue Erkenntnisse über die rasante evolutionäre Anpassung des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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