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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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Kunststoff Ultramid hält heißes Getriebeöl aus

Warum eigentlich nicht direkt im Getriebe schalten ? Genau dort - direkt im Getriebe -sitzt beim neuen 7er BMW und beim Jaguar S-Type die elektronische Steuerung der Sechsgang-Automatik 6HP26 von ZF. Die elektronische Getriebesteuerung hierfür liefert Bosch - das Gehäuse ist aus Ultramid® der BASF. In der neuentwickelten Mikrohybrid-Schaltung fasst Bosch mehrere Komponenten der Getriebesteuerung in einem Bauteil zusammen. Das Zauberwort ist auch hier Funktionsintegration. Die neue Art der 08.11.2002 | nachricht Nachricht

Was den Schaum im Innersten zusammenhält ...

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM entwickelt Software zur Verarbeitung und Analyse von 3D-Bildern komplexer Mikrostrukturen. ... das lässt sich jetzt genau analysieren mit einer neuen Software, die gemeinsam vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern und der aquinto AG in Berlin entwickelt wurde. Seit mehreren Jahren kooperieren die beiden Partner auf dem Gebiet der Verarbeitung und Analyse von Bildern, die durch 06.11.2002 | nachricht Nachricht

USA: Selbstreparierende Beschichtung konzipiert

Nanotechnologie ermöglicht völlig neuartige Strukturen Wissenschaftler des New Jersey Institute of Technology haben Panzer entwickelt, die sich selbst wieder reparieren können, berichtet BBC-Online . Das Forscherteam hat eine Farbschicht konzipiert, die mit Hilfe von Nanotechnologie auch kleine Fehler ausbessert und ein Warnsignal abgibt, wenn diese Schicht zerstört ist. Sämtliche Mi 04.11.2002 | nachricht Nachricht

Nanotechnologie bei der BASF

Große Zukunft für kleinste Teilchen Kratzfeste Lacke, Farbe ohne Farbstoff und Zahnreparatur aus der Tube Selten hat eine neue Technologie innerhalb weniger Jahre so viel Interesse geweckt. Kaum ein Medium, das nicht über die neuesten Forschungsergebnisse berichtet. Und auch die Wirtschafts- und Finanzwelt setzt große Hoffnungen in ihre Innovationskraft. Die Rede ist von der Nanotechnologie. Sie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Auch bei der 31.10.2002 | nachricht Nachricht

Researchers produce strong copper that retains ductility

Extreme cold and high heat help optimize the metal’s microstructure Combining old-fashioned metal-working techniques with modern nanotechnology, engineers at The Johns Hopkins University have produced a form of pure copper metal that is six times stronger than normal, with no significant loss of ductility. The achievement, reported in the Oct. 31 issue of the journal "Nature," is important because earlier attempts to strengthen a pure metal such as copper have almost always 31.10.2002 | nachricht Nachricht

New nanoparticle coating mimics dolphin skin Prevents ’biofouling’ of ship hulls

Dolphins, long considered the second-smartest species on the planet, recognize one another by name, possess a distinct concept of "self’ and, it turns out, have some surprisingly good ideas about techniques for keeping the hulls of maritime ships clean. Karen L. Wooley, Ph.D., professor of chemistry at Washington University in St. Louis, has noted the shape and texture of dolphin skin and how it naturally prevents marine creatures from clinging to dolphin skin. The observation fits into h 29.10.2002 | nachricht Nachricht

Die Rückfederung von Blechen nutzen

Simulation des Fraunhofer IWM spart Zeit und Kosten bei der Umformung von Stählen, Magnesium und Aluminium Bisher ließ sie sich nur mit viel handwerklichem Geschick und jahrelanger Erfahrung wettmachen: die Rückfederung von Blechen nach dem Umformen, etwa zum Kotflügel oder zum Getriebetunnel fürs Auto. Doch seit im Automobilbau Leichtbauteile an Bedeutung gewinnen, für die diese jahrelange Erfahrung fehlt, wächst der Bedarf an rechnerisch basierten Vorhersagen für das Verhalten der Bleche. 17.10.2002 | nachricht Nachricht

Neues Verpackungsmaterial: Styropor-Ersatzstoff auf Algenbasis

Einsatzgebiete: Fast Food, Elektronikgeräte und Fischerei-Industrie Verpackungen von Elektronikgeräten, Fast Food und frischen Fischen sollen das neue Einsatzgebiet von Alginsulat Schaumstoff werden. Forscher des Verpackungszentrums Graz (VPZ) entwickeln einen Styropor-Ersatzstoff auf Algenbasis. Das fertige Produkt ist nach Gebrauch kompostierbar oder kann mit dem Altpapier recyclet werden. "Das größte Interesse bisher kommt aus China", erklärte Bettina Reichl, zuständig für Design, 16.10.2002 | nachricht Nachricht

Schichten für ein langes Werkzeugleben

Werkzeuge zum Biegen, Drücken oder Tiefziehen von Aluminium und Edelstahl hatten bisher keine hohe Lebenserwartung: An ihrer Oberfläche klebten schon bald Kaltaufschweißungen, Metallreste, die Beschädigungen des Werkstücks oder Werkzeugs verursachen In der Praxis mussten Werkzeuge daher häufig gereinigt oder frühzeitig ausgetauscht werden. Auf der EuroBLECH 2002 (22-24. Oktober) stellen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig neuartige 14.10.2002 | nachricht Nachricht

Neues Lötverfahren für Aluminium: lasern verbindet

Aluminium ist leicht und rostet nicht - ein ideales Material für die Automobilindustrie, den Behälter- und Containerbau Das Verlöten von Aluminiumbauteilen war bisher allerdings ein Problem: Die oberflächliche Oxidschicht, die sich durch den Einfluss von Luftsauerstoff bildet, verhindert chemische Bindungen. Auf der EuroBLECH 2002 zeigen die Wissenschaftler vom Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT erstmals, wie sich mit einem zweistrahligen Laserverfahren auch 14.10.2002 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Im Focus: Elektronen auf der Überholspur

Solarzellen auf Basis von Perowskitverbindungen könnten bald die Stromgewinnung aus Sonnenlicht noch effizienter und günstiger machen. Bereits heute übersteigt die Labor-Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen die der bekannten Silizium-Solarzellen. Ein internationales Team um Stefan Weber vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hat mikroskopische Strukturen in Perowskit-Kristallen gefunden, die den Ladungstransport in der Solarzelle lenken können. Eine geschickte Ausrichtung dieser „Elektronen-Autobahnen“ könnte Perowskit-Solarzellen noch leistungsfähiger machen.

Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dabei wird die Energie des Lichts von den Elektronen des Materials im Inneren der Zelle...

Im Focus: Electrons in the fast lane

Solar cells based on perovskite compounds could soon make electricity generation from sunlight even more efficient and cheaper. The laboratory efficiency of these perovskite solar cells already exceeds that of the well-known silicon solar cells. An international team led by Stefan Weber from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz has found microscopic structures in perovskite crystals that can guide the charge transport in the solar cell. Clever alignment of these "electron highways" could make perovskite solar cells even more powerful.

Solar cells convert sunlight into electricity. During this process, the electrons of the material inside the cell absorb the energy of the light....

Im Focus: Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

Im Focus: The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

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Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

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