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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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Experimental observation of a new class of materials: Excitonic insulators

Scientists make first observation of an 'excitonic insulator', an exotic state first predicted in 1960s

  • First observation of excitonic insulator
  • New exotic state was first predicted in 1960s
01.08.2019 | nachricht Nachricht

Researchers produce electricity by flowing water over extremely thin layers of metal

Oxide layer atop nanometal layer results in electron shuttle, not corrosion

Scientists from Northwestern University and Caltech have produced electricity by simply flowing water over extremely thin layers of inexpensive metals,...

01.08.2019 | nachricht Nachricht

SUTD researchers developed a unique method of fabricating 3D porous structures

Materials with controlled porosity have found diverse applications in separation, catalysis, energy storage, sensors and actuators, tissue engineering and drug delivery. Multiple methods have been developed to fabricate well-defined porous materials with the pore sizes ranging from nanometers to millimeters.

For example, the introduction of sacrificial templates can impart porosity to the materials encapsulating them after the removal of embedded materials....

01.08.2019 | nachricht Nachricht

New research highlights similarities in the insulating states of twisted bilayer graphene and cuprates

In recent decades, enormous research efforts have been expended on the exploration and explanation of high-temperature (high-Tc) superconductors, a class of materials exhibiting zero resistance at particularly high temperatures. Now a team of scientists from the United States, Germany and Japan explain in Nature how the electronic structure in twisted bilayer graphene influences the emergence of the insulating state in these systems, which is the precursor to superconductivity in high-Tc materials.

Finding a material which superconducts at room temperature would lead to a technological revolution, alleviate the energy crisis (as nowadays most energy is...

01.08.2019 | nachricht Nachricht

Engineers use heat-free tech for flexible electronics; print metal on flowers, gelatin

Martin Thuo of Iowa State University and the Ames Laboratory clicked through the photo gallery for one of his research projects.

How about this one? There was a rose with metal traces printed on a delicate petal.

31.07.2019 | nachricht Nachricht

Oddball edge wins nanotube faceoff

Rice University theory shows peculiar 'Janus' interface a common mechanism in carbon nanotube growth

When is a circle less stable than a jagged loop? Apparently when you're talking about carbon nanotubes.

30.07.2019 | nachricht Nachricht

A good first step toward nontoxic solar cells

Engineers discover lead-free perovskite semiconductor for solar cells using data analytics, supercomputers

Solar panel installations are on the rise in the U.S., with more than 2 million new installations in early 2019, the most ever recorded in a first quarter,...

29.07.2019 | nachricht Nachricht

Metalle ohne Fehler wären unbrauchbar

Materialverschleiß wird seit vielen Jahren mit einfachen, empirischen Gesetzen beschrieben. An der TU Wien gelingt nun ein Blick auf die tieferen Ursachen.

Egal ob Zahnrad, Walzlager oder Hüftgelenk: Verschleiß lässt sich nicht vermeiden. Überall, wo Materialien in direkten Kontakt geraten, wo Druck und Reibung...

25.07.2019 | nachricht Nachricht

Artificial heart valves: new coating procedure could reduce risk of thrombosis

A research team from materials science has developed a method of connecting plastics which enables completely new applications. For example in heart valves, to which hardly any blood adheres.

Heart valves regulate the blood flow, to ensure the body is supplied with enough blood. If they don’t close properly any more, for example due to a heart...

25.07.2019 | nachricht Nachricht

Künstliche Herzklappen: Neues Beschichtungsverfahren könnte Thromboserisiko senken

Ein Forschungsteam aus der Materialwissenschaft hat eine Methode entwickelt, Kunststoffe so zu verbinden, dass sie ganz neue Anwendungen ermöglichen. Zum Beispiel als Herzklappen, auf denen sich kaum Blut festsetzt.

Herzklappen regulieren den Blutfluss, um den Körper mit ausreichend Blut zu versorgen. Schließen sie nicht mehr richtig, zum Beispiel aufgrund eines...

24.07.2019 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hamburger und Kieler Forschende beobachten spontanes Auftreten von Skyrmionen in atomar dünnen Kobaltfilmen

Seit ihrer experimentellen Entdeckung sind magnetische Skyrmionen – winzige magnetische Knoten – in den Fokus der Forschung gerückt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Hamburg und Kiel konnten nun zeigen, dass sich einzelne magnetische Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern in magnetischen Metallfilmen auch ohne ein äußeres Magnetfeld stabilisieren lassen. Über ihre Entdeckung berichten sie in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Existenz magnetischer Skyrmionen als teilchenartige Objekte ist bereits vor 30 Jahren von theoretischen Physikern vorhergesagt worden, konnte aber erst...

Im Focus: Hamburg and Kiel researchers observe spontaneous occurrence of skyrmions in atomically thin cobalt films

Since their experimental discovery, magnetic skyrmions - tiny magnetic knots - have moved into the focus of research. Scientists from Hamburg and Kiel have now been able to show that individual magnetic skyrmions with a diameter of only a few nanometres can be stabilised in magnetic metal films even without an external magnetic field. They report on their discovery in the journal Nature Communications.

The existence of magnetic skyrmions as particle-like objects was predicted 30 years ago by theoretical physicists, but could only be proven experimentally in...

Im Focus: Physicists create world's smallest engine

Theoretical physicists at Trinity College Dublin are among an international collaboration that has built the world's smallest engine - which, as a single calcium ion, is approximately ten billion times smaller than a car engine.

Work performed by Professor John Goold's QuSys group in Trinity's School of Physics describes the science behind this tiny motor.

Im Focus: Die verschränkte Zeit der Quantengravitation

Die Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation sind dafür bekannt, trotz der Bemühungen unzähliger PhysikerInnen in den letzten 50 Jahren, miteinander inkompatibel zu sein. Vor kurzem ist es jedoch einem internationalen Forschungsteam von PhysikerInnen der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie der Universität Queensland (AUS) und dem Stevens Institute of Technology (USA) gelungen, wichtige Bestandteile der beiden Theorien, die den Verlauf der Zeit beschreiben, zu verbinden. Sie fanden heraus, dass die zeitliche Abfolge von Ereignissen echte Quanteneigenschaften aufweisen kann.

Der allgemeinen Relativitätstheorie zufolge verlangsamt die Anwesenheit eines schweren Körpers die Zeit. Das bedeutet, dass eine Uhr in der Nähe eines schweren...

Im Focus: Quantencomputer sollen tragbar werden

Infineon Austria forscht gemeinsam mit der Universität Innsbruck, der ETH Zürich und Interactive Fully Electrical Vehicles SRL an konkreten Fragestellungen zum kommerziellen Einsatz von Quantencomputern. Mit neuen Innovationen im Design und in der Fertigung wollen die Partner aus Hochschulen und Industrie leistbare Bauelemente für Quantencomputer entwickeln.

Ionenfallen haben sich als sehr erfolgreiche Technologie für die Kontrolle und Manipulation von Quantenteilchen erwiesen. Sie bilden heute das Herzstück der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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