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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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Holztechnologie: Eingriff in die Zellstruktur schafft neuen Werkstoff

Göttinger Institut für Holzbiologie und Holztechnologie entwickelt Veredelungstechniken Holz muss regelmäßig gepflegt werden: Die UV-Strahlung des Sonnenlichts zerstört die Oberfläche, Feuchtigkeit dringt ein und ermöglicht Pilzbefall, Lacke platzen ab, weil sich das Holz je nach Witterung ausdehnt oder zusammenzieht. Wissenschaftler am Institut für Holzbiologie und Holztechnologie der Universität Göttingen arbeiten daran, den schnell nachwachsenden und umweltfreundlichen Rohstoff Holz 04.04.2002 | nachricht Nachricht

SiC-Forschung: Vom Schmirgelpapier zur Hochleistungselektronik

Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat eine neue DFG-Forschergruppe. Für Forschungen zum Thema "SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung" haben sich sieben Lehrstühle aus der Naturwissenschaftlichen Fakultät I und der Technischen Fakultät zusammengetan. Das Amt des Sprechers hat Prof. Dr. Lothar Ley, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik am Institut für Technische Physik, übernommen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die de 04.04.2002 | nachricht Nachricht

Osmium is Stiffer than Diamond, Scientists Discover

Whether it will compete for the title of a girl’s best friend remains to be seen but the element osmium can already challenge diamond in at least one respect: stiffness. According to a report published in the current issue of Physical Review Letters, osmium can withstand compression better than any known material. The results provide a potentially new lead in the search for superhard materials. Diamond’s ability to resist scratches, dents and chipping--in short, its hardness--makes 03.04.2002 | nachricht Nachricht

Hochtemperatur-stabilisiertes Polyamid für Motorraumteile

Rasante Technik mit langsamer Alterung Neuartige Hitzefestausstattung verbessert Dauerbeständigkeit Kunststoffe werden zunehmend zum Material der Wahl im Motorraum von Kraftfahrzeugen. An ihre thermische Stabilität werden jedoch immer höhere Anforderungen gestellt. Grund dafür ist der Trend, durch Erhöhung der Verbrennungstemperaturen den Wirkungsgrad der Motoren zu steigern. Die thermische Belastung des Materials wird durch die Kapselung des Motorraums zum Zweck der Verringerung von Ger 28.03.2002 | nachricht Nachricht

Eine gute Mischung: Hanffasern und Kunststoffe

Kunststoffe lassen sich mit Pflanzenfasern zu Verbundwerkstoffen verarbeiten. Diese stellen eine attraktive Alternative zu Glasfaserwerkstoffen dar, da sich Pflanzenfaserstoffe besser verbrennen und wiederverwerten lassen. Dies ist zum Beispiel bei Produkten wie Anzucht- und Pflanztöpfen vorteilhaft. Verbundwerkstoffe aus Copolyesteramid und Hanffasern haben zum Beispiel eine sehr gute Festigkeit und Schlagzähigkeit. Mit dem Stand der Technik und den Entwicklungsmöglichkeiten von Pflanzen 27.03.2002 | nachricht Nachricht

Smarte Schichten

Innovative Schichten machen Maschinen und Werkzeuge nicht nur verschleißfester, sondern auch smart. Auf der Hannover Messe (15. - 20. April) stellen Fraunhofer-Forscher unter anderem eine »intelligente« Unterlegscheibe vor. Damit kann man jederzeit kontrollieren, ob Schrauben richtig angezogen sind. Wer schon einmal aus Versehen ein heißes Backblech angefasst hat oder einer Kerzenflamme zu nah gekommen ist, kennt den Reflex genau. In Bruchteilen einer Sekunde zieht man die Hand zurück und verhi 26.03.2002 | nachricht Nachricht

Erhöhter Brandschutz in Elektroinstallation und Fahrzeugwesen

Flammwidriger PC/ABS-Werkstoff für Extrusionsanwendungen entwickelt Mit einem neuartigen flammwidrigen Blendwerkstoff aus Polycarbonat und einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (PC/ABS) erschließt sich die Bayer AG neue Anwendungen im Extrusionsbereich. Das Produkt, welches derzeit unter dem Namen Bayblend® FR 3030 im Markt eingeführt wird, setzt in der Elektro- und Telekommunikationsinstallation sowie im öffentlichen Transportwesen Maßstäbe in Sachen Brandschutz. Sein exzellentes 26.03.2002 | nachricht Nachricht

Materialforschung an der Universität Bayreuth - Grundlage für neuartige Anwendungen

Zukunftsstandort für Neue Materialien - Fachübergreifende Forschungskompetenz Die Universität Bayreuth und mit ihr ganz Nordbayern entwickeln sich zu einem Zukunftsstandort für Neue Materialien. Mit der Forschungskompetenz der Universität Bayreuth, den Regionalprojekten der High-Tech Offensive der Bayerischen Staatsregierung, dem nordbayerischen Verbundprojekt Kompetenzzentrum Neue Materialien und zahlreichen Industriekooperation wird Nordbayern einerseits im Bereich Neue Materialien int 21.03.2002 | nachricht Nachricht

Neues Hydrophobierverfahren ohne Mineralsalze

Atmungsaktive Waterproof-Leder mit hohem Tragekomfort Die Herstellung hochwertiger hydrophobierter Leder ist eine Herausforderung für Lederchemiker und Anwendungstechniker - vor allem, wenn Langzeitdichtigkeit gefordert ist und man zudem auf Mineralsalze zur Fixierung verzichten will. Forschern der Leverkusener Bayer AG ist es nun gelungen, ein Hydrophobiersystem zu entwickeln, dass ohne mineralsalzhaltige Fixiermittel auskommt und hohen Tragekomfort mit hoher Wasserdampfdurchlässigkeit 21.03.2002 | nachricht Nachricht

Schott stellt neue optische Faser für erbiumdotierte Faser-Verstärker vor

Das internationale Technologieunternehmen Schott stellt auf der Optical Fiber Communication Conference (OFC) vom 17. bis 22. März in Anaheim, Kalifornien erstmals eine neue erbiumdotierte Breitband-Faser vor. Die neue Faser basiert auf dem von Schott jüngst entwickelten Kompakt-Oxidglas und wird eine um bis zu 50% größere Bandbreite bieten. Da sie zugleich erheblich weniger Platz beansprucht, gestattet sie die Konstruktion kompakterer Verstärker- und Telekommunikationskomponenten. Mit diesem neuen V 14.03.2002 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

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...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Im Focus: How to induce magnetism in graphene

Graphene, a two-dimensional structure made of carbon, is a material with excellent mechanical, electronic and optical properties. However, it did not seem suitable for magnetic applications. Together with international partners, Empa researchers have now succeeded in synthesizing a unique nanographene predicted in the 1970s, which conclusively demonstrates that carbon in very specific forms has magnetic properties that could permit future spintronic applications. The results have just been published in the renowned journal Nature Nanotechnology.

Depending on the shape and orientation of their edges, graphene nanostructures (also known as nanographenes) can have very different properties – for example,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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