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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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Nanoröhrchen sollen Bildschirm zum Leuchten bringen

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Flüssigkristalle für Flachbildschirme im Boom - Renaissance der Galvanotechnik

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Rostschutz aus dem Vakuum

Damit Cola nach Cola, Wasser nach Wasser oder Bier nach Bier und nicht nach »Dose« schmeckt, wird das Blech mit einer hauchdünnen Schutzschicht überzogen. Das schützt die Dosen gleichzeitig vor Rost. Auch Karosserieteile werden so mit einem Korrosionsschutz versehen oder mit Schichten überzogen, die dafür sorgen, dass Lacke und Farben besser halten. Das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden entwickelte verschiedene Vakuum-Verfahren, mit denen 11.10.2000 | nachricht Nachricht

Diamantähnliche Schichten helfen Sprit sparen

Wie teuer wird der Sprit? Über diese Frage zerbrechen sich Autofahrer, Regierung und Lobbys den Kopf. Eins ist gewiss: Billiger wird er nicht. Mit Leichtbau-Karosserien oder neuen Motorenkonzepten versuchen die Automobilhersteller den Benzinverbrauch zu senken. Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig verbesserten in Kooperation mit Ford nur ein kleines Teil im Auto und erzielen damit große Wirkung: Sie beschichten ei 11.10.2000 | nachricht Nachricht

Heiße Projektionsscheiben

Im Schweizer Pavillon auf der EXPO 2000 werden alle Sinne angesprochen. Duftende Lärchen- und Föhrenholzbalken stapeln sich zu Wänden, auf die in Leuchtschrift eine literarische Collage projiziert wird. Scharf gezeichnet und auch bei Tageslicht gut lesbar erscheinen Zitate über die Schweiz in vielfältigen Sprachen und Dialekten. Schriften von gut zwei bis fast sechzig Zentimetern Größe leuchten als einzeilige Linien oder mehrzeilige Gedichte und Aufzählungen, die sich meterhoch 11.10.2000 | nachricht Nachricht

Gehärtete Keramiken

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Nanopartikel besiegen Krebs

Künstliches Fieber lässt Tumorzellen absterben. Der Körper entsorgt sie dann selbst BONN/SAARBRÜCKEN. Die Nanowerkstoffe des Leibniz-Instituts für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken eröffnen jetzt auch für die Heilung von Krebs eine neue frappierende Perspektive. Sie sind der Grundstoff für eine neuartige Krebstherapie, die am Berliner Universitätsklinikum Charité entwickelt wurde und mit der bald verschiedene Tumorarten wirkungsvoller in Kombination mit O 11.10.2000 | nachricht Nachricht

Lockerer Schwung aus der künstlichen Hüfte

Jährlich erhalten allein in Deutschland 150 000 Menschen ein künstliches Hüftgelenk. Für einen langen und sorgenfreien Einsatz ist nicht nur eine gute medizinische Versorgung nötig, die Implantate müssen auch extrem belastbar und verschleißfest sein. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM entwickelte gemeinsam mit den führenden europäischen Herstellern von Hüftimplantaten und Keramiken neue Prüfverfahren, um die Belastung im Körper realistisch nachbilden zu können. 11.10.2000 | nachricht Nachricht

Rutschfeste polierte Natursteinplatten

Glänzende Fußböden aus Natursteinen sind repräsentativ. Doch bei Nässe können Besucher von Flughäfen, Banken oder Hotels schon mal ins Rutschen kommen. Fraunhofer-Forscher entwickelten ein Laserverfahren, mit dem die Steinoberflächen rutschfest gemacht werden. Hotels, Banken, Bahnhöfe oder Flughäfen empfangen ihre Besucher oft mit repräsentativen, glänzenden Fußböden aus Natursteinen wie Granit. Die glatten polierten Oberflächen sind zwar schön a 11.10.2000 | nachricht Nachricht

Nanoskalige Keramikpulver zum Fügen geeignet

Mittels PVS-Verfahren (physical vapor synthesis)oder Laserablation synthetisierte Aluminiumoxid-Nanopulver weisen eine beim Konsolidieren hinderliche Restagglomeration auf. Dr.-Ing. Ralph Hellmig konnte in seiner Dissertation Wege aufzeigen, solche starken Aggglomerate zu beseitigen und benutzte diese Nanopulver, um keramische Bauteile zu fügen. Mittels PVS-Verfahren (physical vapor synthesis) [1] oder Laserablation [2] synthetisierte Aluminiumoxid-Nanop 06.10.2000 | nachricht Nachricht
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Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist für das Leben unerlässlich. In einer der größten Simulationen eines Biosystems weltweit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen komplexen Prozess an einem Bestandteil eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom um Atom. Die Arbeit, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Photosynthese in einigen biologischen Strukturen. An der internationalen Forschungskooperation unter Leitung der University of Illinois war auch ein Team der Jacobs University Bremen beteiligt.

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University of Texas and MIT researchers create virtual UAVs that can predict vehicle health, enable autonomous decision-making

In the not too distant future, we can expect to see our skies filled with unmanned aerial vehicles (UAVs) delivering packages, maybe even people, from location...

Im Focus: Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung

Beim Schlichtfräsen komplexer Freiformflächen können Kreissegment- oder Tonnenfräswerkzeuge jetzt ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkzeugen mit Kugelkopf besser ausspielen: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelte im Forschungsprojekt »FlexiMILL« gemeinsam mit vier Industriepartnern passende flexible Bearbeitungsstrategien und implementierte diese in eine CAM-Software. Auf diese Weise lassen sich große frei geformte Oberflächen nun bis zu 80 Prozent schneller bearbeiten.

Ziel im Projekt »FlexiMILL« war es, für die Bearbeitung mit Tonnenfräswerkzeugen nicht nur neue, verbesserte Werkzeuggeometrien zu entwickeln, sondern auch...

Im Focus: Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)

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Im Focus: Neue Klimadaten dank kompaktem Alexandritlaser

Höhere Atmosphärenschichten werden für Klimaforscher immer interessanter. Bereiche oberhalb von 40 km sind allerdings nur mit Höhenforschungsraketen direkt zugänglich. Ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) mit einem diodengepumpten Alexandritlaser schafft jetzt neue Möglichkeiten. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik (IAP) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT entwickeln ein System, das leicht zu transportieren ist und autark arbeitet. Damit kann in Zukunft ein LIDAR-Netzwerk kontinuierlich und weiträumig Daten aus der Atmosphäre liefern.

Der Klimawandel ist in diesen Tagen ein heißes Thema. Eine wichtige wissenschaftliche Grundlage zum Verständnis der Phänomene sind valide Modelle zur...

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