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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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Efficient bottom-up synthesis of new perovskite material for the production of ammonia

Perovskites are a class of synthetic materials that have a crystalline structure similar to that of the naturally occurring mineral calcium titanate. They have been the subject of many studies because they exhibit exciting and unique properties that can be tuned according to their composition. One of their potential applications is as catalysts for the synthesis of ammonia. In other words, specific perovskites can be placed inside a reaction chamber with nitrogen and hydrogen to promote the reaction of these gases to form ammonia.

Ammonia is a useful substance that can be employed in the production of fertilizers and artificial chemicals, and even as a clean-energy carrier (in the form...

25.11.2019 | nachricht Nachricht

New electrodes could increase efficiency of electric vehicles and aircraft

The rise in popularity of electric vehicles and aircraft presents the possibility of moving away from fossil fuels toward a more sustainable future. While significant technological advancements have dramatically increased the efficiency of these vehicles, there are still several issues standing in the way of widespread adoption.

One of the most significant of these challenges has to do with mass, as even the most current electric vehicle batteries and supercapacitors are incredibly...

25.11.2019 | nachricht Nachricht

„Intelligente“ Implantat-Beschichtungen sollen Infektionen im Keim ersticken

Ein Material, das vor allem dann toxisch wirkt, wenn sich in seiner Umgebung Bakterien tummeln? Physiker der Universität Augsburg haben zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus Hamburg und München eine solche „intelligente“ Beschichtung entwickelt. Sie könnte in Zukunft dazu beitragen, Komplikationen bei der Einheilung von Endoprothesen zu verhindern. Die Beschichtung bietet zudem weitere Vorteile: Es ist ausgesprochen verschleißarm und doch gleichzeitig so „rau“, dass Knochenzellen gut an ihm haften. Die Studie ist in der Zeitschrift „Scientific Reports“ der Nature Publishing Group erschienen.

Die Implantation künstlicher Hüft- oder Kniegelenke gehört heute zum chirurgischen Alltag. Ein Problem, mit dem die Ärzte zu kämpfen haben, sind Infektionen in...

25.11.2019 | nachricht Nachricht

New material captures and converts toxic air pollutant into industrial chemical

Metal-organic framework material requires only water and air to convert the captured gas into nitric acid for industrial use

An international team of scientists, led by the University of Manchester, has developed a metal-organic framework, or MOF, material that provides a selective,...

25.11.2019 | nachricht Nachricht

New antenna tech to equip ceramic coatings with heat radiation control

WEST LAFAYETTE, Ind. -- The gas turbines powering aircraft engines rely on ceramic coatings that ensure structural stability at high temperatures. But these coatings don't control heat radiation, limiting the performance of the engine.

Researchers at Purdue University have engineered ceramic "nanotubes" that behave as thermal antennas, offering control over the spectrum and direction of...

22.11.2019 | nachricht Nachricht

Study probes relationship between strange metals and high-temperature superconductors

Computer simulations yield a much more accurate picture of these states of matter

Strange metals make interesting bedfellows for a phenomenon known as high-temperature superconductivity, which allows materials to carry electricity with zero...

22.11.2019 | nachricht Nachricht

Turning up the heat to create new nanostructured metals

Scientists used heat to drive a spontaneous process in which different metals mixed to form 3-D interlocking nanostructures in thin films, with applications for catalysts, solar cells, and biomedical sensors

Scientists have developed a new approach for making metal-metal composites and porous metals with a 3-D interconnected "bicontinuous" structure in thin films...

21.11.2019 | nachricht Nachricht

Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt seit den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materialien eingesetzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben nun entdeckt, dass aus Graphen bestehende Nano-Moleküle genutzt werden können, um diese Mikroskopie-Technik zu verbessern. Diese Nano-Moleküle bieten eine Reihe essentieller Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Materialien, die die Mikroskopie-Technik noch vielfältiger einsetzbar machen.

Mikroskopie ist eine wichtige Untersuchungsmethode in der Physik, Biologie, Medizin und vielen anderen Wissenschaften. Sie hat jedoch einen Nachteil: Ihre...

20.11.2019 | nachricht Nachricht

Small particles, big effects: How graphene nanoparticles improve the resolution of microscopes

Conventional light microscopes cannot distinguish structures when they are separated by a distance smaller than, roughly, the wavelength of light. Superresolution microscopy, developed since the 1980s, lifts this limitation, using fluorescent moieties. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now discovered that graphene nano-molecules can be used to improve this microscopy technique. These graphene nano-molecules offer a number of substantial advantages over the materials previously used, making superresolution microscopy even more versatile.

Microscopy is an important investigation method, in physics, biology, medicine, and many other sciences. However, it has one disadvantage: its resolution is...

20.11.2019 | nachricht Nachricht

Mit künstlicher Intelligenz zum besseren Holzprodukt

Der Empa-Wissenschaftler Mark Schubert und sein Team nutzen die vielfältigen Möglichkeiten des maschinellen Lernens für holztechnische Anwendungen. Zusammen mit Swiss Wood Solutions entwickelt Schubert eine digitale Holzauswahl- und Verarbeitungsstrategie unter Verwendung künstlicher Intelligenz.

Holz ist ein Naturprodukt und ein Leichtbauwerkstoff mit exzellenten physikalischen Eigenschaften und daher ein ausgezeichnetes Konstruktionsmaterial – etwa...

20.11.2019 | nachricht Nachricht
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Im Focus: Das feine Gesicht der Antarktis

Eine neue Karte zeigt die unter dem Eis verborgenen Geländeformen so genau wie nie zuvor. Das erlaubt bessere Prognosen über die Zukunft der Gletscher und den Anstieg des Meeresspiegels

Wenn der Klimawandel die Gletscher der Antarktis immer rascher Richtung Meer fließen lässt, ist das keine gute Nachricht. Denn dadurch verlieren die gefrorenen...

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Vaccinia-Viren dienen als Impfstoff gegen menschliche Pockenerkrankungen und als Basis neuer Krebstherapien. Zwei Studien liefern jetzt faszinierende Einblicke in deren ungewöhnliche Vermehrungsstrategie auf atomarer Ebene.

Damit Viren sich vermehren können, benötigen sie in der Regel die Unterstützung der von ihnen befallenen Zellen. Nur in deren Zellkern finden sie die...

Im Focus: Virus multiplication in 3D

Vaccinia viruses serve as a vaccine against human smallpox and as the basis of new cancer therapies. Two studies now provide fascinating insights into their unusual propagation strategy at the atomic level.

For viruses to multiply, they usually need the support of the cells they infect. In many cases, only in their host’s nucleus can they find the machines,...

Im Focus: Cheers! Maxwell's electromagnetism extended to smaller scales

More than one hundred and fifty years have passed since the publication of James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). What would our lives be without this publication?

It is difficult to imagine, as this treatise revolutionized our fundamental understanding of electric fields, magnetic fields, and light. The twenty original...

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

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