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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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»Lebendige« Bilder sollen die Qualitätssicherung von Stahlbauteilen verbessern

Werdenden Eltern sind sie vertraut – Ultraschallbilder ihres ungeborenen Kindes: Gestochen scharf und brillant vermitteln sie eine nahezu fotorealistische Detailgenauigkeit und einen tiefgehenden Eindruck des Kindes im Mutterleib. Das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP forscht und entwickelt an einem Verfahren, mit dem diese Art »lebendiger« Bilder auch für industrietechnische Anwendungen nutzbar gemacht werden soll.

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Saarbrücker...

01.05.2020 | nachricht Nachricht

Superatome als Katalysatoren

Prof. Roland Fischer erhält Reinhard Koselleck-Projektförderung der DFG

Edelmetalle wie Platin sind gute Katalysatoren, doch sie haben ihren Preis. Während die chemische Industrie deshalb versucht, immer kleinere...

30.04.2020 | nachricht Nachricht

Scientists proposed a new approach for efficient nanomaterials' modeling

Researchers proposed a new approach to improve the efficiency of mathematical modeling of the processes in materials at the nanoscale.

Researchers from Higher School of Theoretical Mechanics of Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) and Tel Aviv University proposed a new...

30.04.2020 | nachricht Nachricht

A great new way to paint 3D-printed objects

Efficient painting method reaches nooks and crannies

Rutgers engineers have created a highly effective way to paint complex 3D-printed objects, such as lightweight frames for aircraft and biomedical stents, that...

29.04.2020 | nachricht Nachricht

Proven a thousand times over: successful recovery of valuable materials from electronic devices

The EU project ADIR set out to develop a completely new, automated method of recycling electronic devices by disassembling them and recovering the valuable raw materials they contain. Under the title of “Next generation urban mining – Automated disassembly, separation and recovery of valuable materials from electronic equipment”, the ADIR project team has spent the last four years developing a sustainable recycling concept.

Led by the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, based in Aachen, Germany, and involving eight project partners from three countries, the ADIR...

29.04.2020 | nachricht Nachricht

Wissenschaftler zeigen der Natur wie es besser geht und entwickeln flüssigkeitsabweisendes Haftmaterial

Ein ausgeklügeltes Design der zahlreichen Härchenspitzen ist der Schlüssel zu einem Material, das selbst Ölen widersteht. Das bioinspirierte Oberflächendesign des haftenden Materials eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, da es jede Art von Flüssigkeitströpfchen abweist und die Haftung immer erhalten bleibt.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart haben ein bioinspiriertes wiederverwendbares Haftmaterial entwickelt,...

29.04.2020 | nachricht Nachricht

Tausendfach erprobt: Erfolgreiches Wertstoff-Recycling von Elektronik

Eine völlig neue Recycling-Methode, um automatisiert Elektronik zu zerlegen und daraus wertvolle Stoffe zurückzugewinnen – dies ist das Ziel des EU-Projekts »ADIR – Next generation urban mining – Automated disassembly, separation and recovery of valuable materials from electronic equipment«. Innerhalb von vier Jahren entwickelten das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen und acht Projektpartner aus drei Ländern ein tragfähiges Recyclingkonzept. Strategisch ging es den ADIR-Partnern darum, die Ressourcenabhängigkeit der EU und kostenaufwändige Materialimporte zu verringern sowie neue Technologien für die inverse Produktion zu demonstrieren.

Besonderes Augenmerk des Recyclingkonzepts liegt auf den Elementen Tantal, Neodym, Wolfram, Kobalt und Gallium. Diese Metalle stecken heute in fast jeder...

29.04.2020 | nachricht Nachricht

Scientists outsmart nature by building super liquid-repellent dry adhesives

A specific fibril tip shape design is the key to achieving elastic dry fibril adhesives with super liquid repellency. This new bioinspired material opens up many possibilities for use, as it prevents any form of liquid droplet or layer from hindering or degrading its adhesion.

Scientists at the Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) in Stuttgart have developed a bioinspired reversible dry adhesive material that is able...

29.04.2020 | nachricht Nachricht

Coupled magnetic materials show interesting properties for quantum applications

Like fans that blow in sync, certain magnetic materials can exhibit interesting energetic properties.

In order to find new ways to transmit and process information, scientists have begun to explore the behavior of electronic and magnetic spins, specifically...

28.04.2020 | nachricht Nachricht

Forscherin untersucht Entstehung von „metallischem Glas“ und widerlegt jahrzehntealtes Paradigma der Glasforschung

Metallische Gläser sind Legierungen, die bei schnellem Abkühlen nicht kristallisieren. So erstarren ihre Atome in relativer Unordnung und verleihen dem Material Eigenschaften, die ganz anders sind als die eines Materials aus denselben Grundstoffen, das langsamer abgekühlt wurde. Was genau auf atomarer Ebene bei diesem „Glasübergang“ passiert, ist bisher nicht vollständig geklärt. Hierbei hat ein internationales Team um die Materialwissenschaftlerin Isabella Gallino von der Uni des Saarlandes nun entscheidende Fortschritte gemacht – und zugleich ein jahrzehntealtes Paradigma widerlegt. Ihre Erkenntnisse haben sie nun in der renommierten Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Bei Gläsern denken die meisten Menschen, die nicht zufälligerweise Materialwissenschaftler geworden sind – und das dürfte die Mehrzahl der Menschen sein – an...

27.04.2020 | 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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