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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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Development of ultrathin durable membrane for efficient oil and water separation

Researchers led by Professor MATSUYAMA Hideto and Professor YOSHIOKA Tomohisa at Kobe University's Research Center for Membrane and Film Technology have succeeded in developing an ultrathin membrane with a fouling-resistant silica surface treatment for high performance separation of oil from water.

Furthermore, this membrane was shown to be versatile; it was able to separate water from a wide variety of different oily substances.

02.01.2020 | nachricht Nachricht

Using a material's 'memory' to encode unique physical properties

A new study shows that, as materials age, they 'remember' prior stresses and external forces, which scientists and engineers can then use to create new materials with unique properties.

A new study published in Science Advances found that certain types of materials have a "memory" of how they were processed, stored, and manipulated....

23.12.2019 | nachricht Nachricht

Researchers directly measure 'Cheerios effect' forces for the first time

There's an interesting fluid dynamics phenomenon that happens every morning in millions of cereal bowls. When there are just a few bits of cereal left floating on top of the milk, they tend to cluster together in the middle or around the edges of the bowl, rather than dispersing across the surface.

Now a team of Brown University researchers has developed a way to measure the forces involved in this type of clustering. It's the first time, the researchers...

20.12.2019 | nachricht Nachricht

Advancing information processing with exceptional points and surfaces

Scientists at the U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory are exceptional in many respects. Working in collaboration with the Imperial College London, for example, they have conducted research on a phenomenon in information processing systems called "exceptional points." This phenomenon has found applications in microwave, optical and mechanical technologies.

"Our team experimentally detected an exceptional surface, a continuous three-dimensional curving surface of exceptional points," said Xufeng Zhang, who led...

20.12.2019 | nachricht Nachricht

Neues Quantenmaterial mit magnetischen und topologischen Eigenschaften entdeckt

Ein internationales Konsortium von Chemikern und Physikern hat eine neue Art von Quantenmaterial mit intrinsisch magnetischen und topologischen Eigenschaften entdeckt. Für Anwendungen in der Spintronik, zweidimensionalen Magnetismus und Quantentransport ist es besonders interessant, weil es ohne Dotierung und starke äußere Magnetfelder auskommt.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009 sind topologische Isolatoren ein heißes Eisen der Materialphysik. Das Besondere an ihnen ist, dass sie gleichzeitig als...

19.12.2019 | nachricht Nachricht

New quantum material with intrinsically magnetic and topological properties

An international consortium of chemists and physicists has discovered a new type of quantum material with intrinsic magnetic and topological properties. Since they manifest without doping or strong external magnetic fields, this material may lead the way to new applications in spintronics, two-dimensional magnetism and quantum transport.

Since their discovery in 2009, topological insulators are a hot topic of material physics. The special thing about them is that they simultaneously act as both...

19.12.2019 | nachricht Nachricht

Eine Frage der Anziehungskraft

Glyphosat zählt zu den meistgenutzten Herbiziden weltweit – und gleichzeitig zu den meistdiskutierten chemischen Verbindungen: Steht es doch unter Verdacht, eine krebserzeugende Wirkung zu haben. In einer im Fachjournal Nature Sustainability* veröffentlichten Studie zeigt ein Forschungsteam der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), wie Glyphosat mit einfachen Mitteln aus Wasser entfernt werden kann.

Das FAU-Team um Werkstoffwissenschaftler Prof. Marcus Halik vom Interdisziplinären Zentrum für Nanostrukturierte Filme (IZNF) und Physiker Prof. Dirk Zahn vom...

18.12.2019 | nachricht Nachricht

The power of attraction

Team of researchers at FAU develops simple method for removing glyphosate from water

The FAU team led by the material scientist Prof. Marcus Halik from the Interdisciplinary Centre for Nanostructured Films (IZNF) and physicist Prof. Dirk Zahn...

18.12.2019 | nachricht Nachricht

Neutrons optimize high efficiency catalyst for greener approach to biofuel synthesis

Researchers led by the University of Manchester have designed a catalyst that converts biomass into fuel sources with remarkably high efficiency and offers new possibilities for manufacturing advanced renewable materials.

Neutron scattering experiments at the Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory played a key role in determining the chemical and behavioral...

17.12.2019 | nachricht Nachricht

Leicht, stark und zäh: Forscher der Universität Bayreuth entdecken einzigartige Polymerfasern

Extrem belastbar und zugfest, und dabei zäh und federleicht – Materialien mit dieser außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften werden in vielen Industriebranchen sowie in der Medizin dringend benötigt und sind ebenso für die wissenschaftliche Forschung von großem Interesse. Polymerfasern mit eben diesen Eigenschaften hat jetzt ein Forschungsteam der Universität Bayreuth entwickelt. Gemeinsam mit Partnern in Deutschland, China und der Schweiz wurden die Polymerfasern charakterisiert. In der Zeitschrift "Science" stellen die Wissenschaftler ihre Ergebnisse vor.

„Die von uns entdeckten Fasern können mit High-Tech-Verfahren, die in der Industrie bereits etabliert sind, leicht hergestellt werden – und zwar auf der Basis...

13.12.2019 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Im Focus: High-pressure scientists in Bayreuth discover promising material for information technology

Researchers at the University of Bayreuth have discovered an unusual material: When cooled down to two degrees Celsius, its crystal structure and electronic properties change abruptly and significantly. In this new state, the distances between iron atoms can be tailored with the help of light beams. This opens up intriguing possibilities for application in the field of information technology. The scientists have presented their discovery in the journal "Angewandte Chemie - International Edition". The new findings are the result of close cooperation with partnering facilities in Augsburg, Dresden, Hamburg, and Moscow.

The material is an unusual form of iron oxide with the formula Fe₅O₆. The researchers produced it at a pressure of 15 gigapascals in a high-pressure laboratory...

Im Focus: From China to the South Pole: Joining forces to solve the neutrino mass puzzle

Study by Mainz physicists indicates that the next generation of neutrino experiments may well find the answer to one of the most pressing issues in neutrino physics

Among the most exciting challenges in modern physics is the identification of the neutrino mass ordering. Physicists from the Cluster of Excellence PRISMA+ at...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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