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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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Laserstrahlumformen: Eine Sekunde Hitze auf engstem Raum

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Klebeverbindungen durch Laserstrahlung

Um die Aushärtung von Polymerklebstoffen deutlich zu verbessern, konzentrieren sich Arbeiten am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) auf eine effektivere Nutzung der Laserstrahlung. Durch die Verwendung von Lasern mit Wellenlängen im nahen UV- bzw. blauen VIS-Bereich wurde die Tiefenaushärtung beschleunigt und deutlich verbessert. Aushärtezeiten im Sekundenbereich bei Tiefen im Millimeterbereich können erzielt werden. Schon seit Beginn der 90er Jahre findet die 06.07.2000 | nachricht Nachricht

Diamantähnliche Schichten helfen Sprit sparen

Wenn der Benzinpreis steigt, wird die Forderung nach sparsamen Autos lauter. Fraunhofer-Forscher versahen bewegliche Motorteile mit einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht und erzielen damit große Wirkung: Der Spritverbrauch und die CO2-Emission sinken. Wie teuer wird der Sprit? Über diese Frage zerbrechen sich Autofahrer, Regierung und Lobbies den Kopf. Eins ist gewiss: Billiger wird er nicht. Mit Leichtbau-Karosserien oder neuen Motorenkonzepten versuc 06.07.2000 | nachricht Nachricht

Gebirge auf glattem Glas

Nur höchste Qualität sichert der deutschen Glas- und Keramikindustrie Wettbewerbsvorteile. Oberflächen und innere Strukturen der Materialien müssen daher sehr genau untersucht werden. Strukturen von nur einem Millionstel Millimeter Größe können entscheiden. Nur höchste Qualität kann der deutschen Glas- und Keramikindustrie einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Das bedeutet, dass die Oberfläche und die innere Struktur der Materialien mit einer bisher nich 06.07.2000 | nachricht Nachricht

Schwierige Zukunft für Krümmer aus Grauguss

Jenaer Werkstoff-Experte prophezeit das Ende herkömmlicher Auspuffrohre Jena (05.07.00) "Wenn die neue EU-Abgasnorm für alle Neufahrzeuge - oder gar eine noch schärfere Norm - in Kraft tritt, hat Grauguss als Material für Auspuffkrümmer von Otto-Motoren ausgedient", prophezeit Prof. Dr. Uwe Glatzel. Der Werkstoffwissenschaftler von der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat gemeinsam mit der Adam Opel AG, Rüsselsheim, in rund zweijährigen Forschungsarbeiten die Materi 05.07.2000 | nachricht Nachricht

Chemieingenieurwesen: Maßgeschneiderte Werkstoffe herstellen

Zu einem Erfolgsstudiengang entwickelt sich das Chemieingenieurwesen, das die TU München an ihrem Standort Garching bereits im dritten Jahr anbietet. Die Anzahl der Studienanfänger hat sich seit Einführung des Studiums im Wintersemester 1997/98 verdoppelt. Für das Wintersemester 2000/01 ist die Einschreibung noch bis zum 15. Juli möglich. Die Berufsaussichten für Absolventen des Chemieingenieurwesens sind ausgezeichnet. Chemieingenieurwesen ist das Teilgebiet 04.07.2000 | nachricht Nachricht

Forschungskooperation im Brückenbau

Bauhaus-Universität entwickelt für mittelständisches Unternehmen neuartige Lager für Brücken in erdbebengefährdeten Gebieten Die Professur Verkehrsbau, Prof. Dr. Ursula Freundt, Fakultät Bauingenieurwesen, hat vom Bundesministerium für Wissenschaft die 1000. Förderung im Rahmen des PROgramms INNOvationskompetenz (PRO INNO) zugesprochen bekommen. Inhalt des Forschungsprojektes, das mit 175 TDM gefördert wird, ist die Entwicklung von neuen Produkten zur Lage 20.06.2000 | nachricht Nachricht

Sensor mit Gefühl

Bei Schlüsselloch-Operationen können Ärzte ihren Tastsinn nicht richtig nutzen. Hier könnte ein neuartiger Sensor Abhilfe schaffen: Fraunhofer-Forscher arbeiten an einem Drucksensor, der dem Tastsinn der menschlichen Haut nachempfunden ist. Chirurgen brauchen bei Operationen das richtige Fingerspitzengefühl, um unterschiedliche Gewebestrukturen zu erkennen und das Skalpell exakt zu führen. Bei Schlüsselloch-Operationen können Ärzte ihren Tastsinn jedoch ni 06.06.2000 | nachricht Nachricht

Fast wie in einer Raumstation: Hochmodernes Spektrometer am IPF Dresden e. V. installiert

 Anschaffung des hochmodernen Photoelektronenspektrometers AXIS ULTRA, dem zweiten seiner Art in Deutschland, erfolgt im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojektes. Das AXIS ULTRA, das im Aussehen einer Raumstation kaum nachsteht, soll zur Untersuchung von Festkörperoberflächen eingesetzt werden. Viele natürliche und technische Prozesse und Reaktionen verlaufen direkt an Festkörperoberflächen: zwei Teile werden verleimt, 26.05.2000 | 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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03.07.2020 | Energie und Elektrotechnik

Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

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