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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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Weltrekord-Material macht aus Wärme Elektrizität

Ein neuartiges Material erzeugt aus Temperaturunterschieden sehr effizient elektrischen Strom. Damit können sich Sensoren und kleine Prozessoren kabellos selbst mit Energie versorgen.

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Einsatz von Schrott in der Stahlherstellung mindert CO2-Ausstoß erheblich

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15.11.2019 | nachricht Nachricht

Theoretical tubulanes inspire ultrahard polymers

Rice University-printed sample is full of holes, but stops bullets better than solid materials

A lightweight material full of holes is nearly as hard as diamond. The mere dents left by speeding bullets prove it.

14.11.2019 | nachricht Nachricht

New spin directions in pyrite an encouraging sign for future spintronics

First theoretical demonstration of both in-plane and out-of-plane spin

A Monash University study revealing new spin textures in pyrite could unlock these materials' potential in future spintronics devices.

14.11.2019 | nachricht Nachricht

Neue Möglichkeiten des Additive Manufacturing erschlossen

Fraunhofer IFAM Dresden demonstriert Fertigung von Kupferbau

Am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden ist es gelungen, mittels Selektivem Elektronenstrahlschmelzen...

14.11.2019 | nachricht Nachricht

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Fraunhofer IFAM Dresden demonstrates manufacturing of copper components

The Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM in Dresden has succeeded in using Selective Electron Beam Melting (SEBM) to...

14.11.2019 | nachricht Nachricht

Necessity is the mother of invention: Fraunhofer WKI tests utilization of low-value hardwood for wood fiberboard

Climate change is threatening the domestic coniferous forests. Coniferous wood is necessary for, amongst other things, the production of medium-density and high-density wood fiberboard (MDF and HDF). Researchers at the Fraunhofer Institute for Wood Research, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, have now discovered how low-value hardwood species can be used in the manufacture of these wood-based materials. For the wood-processing industry, this opens up new possibilities for compensating for supply shortages in coniferous wood.

Extreme drought, forest fires, storms and pests have severely afflicted German forests in recent years. In order to make the forests more resilient in times of...

13.11.2019 | nachricht Nachricht

New Pitt research finds carbon nanotubes show a love/hate relationship with water

Carbon nanotubes (CNTs) are valuable for a wide variety of applications. Made of graphene sheets rolled into tubes 10,000 times smaller than a human hair, CNTs have an exceptional strength-to-mass ratio and excellent thermal and electrical properties. These features make them ideal for a range of applications, including supercapacitors, interconnects, adhesives, particle trapping and structural color.

New research reveals even more potential for CNTs: as a coating, they can both repel and hold water in place, a useful property for applications like printing,...

13.11.2019 | nachricht Nachricht

Destabilisierung macht Holz stabiler - Das Holz-Paradoxon

Es lässt sich beliebig verformen und ist dreimal stärker als natürliches Holz: Das Holzmaterial, das Marion Frey, Tobias Keplinger und Ingo Burgert an der Empa und der ETH entwickeln, hat das Potenzial zum Hightech-Werkstoff. Dabei entfernen die Forschenden genau jenen Teil aus dem Holz, der ihm in der Natur seine Stabilität verleiht: das Lignin.

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12.11.2019 | nachricht Nachricht

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Die Entdeckung neuer Methoden zur Kontrolle topologischer Aspekte von Quantenmaterialien ist ein wichtiges Forschungsfeld, da mit ihnen Materialien mit wünschenswerten Ladungs- und Spintransporteigenschaften für zukünftige Technologien entwickelt werden können. Nun haben MPSD-Wissenschaftler einen wegweisenden Ansatz entdeckt, der es ermöglicht hat, mit Hilfe von Laserlicht einen topologischen Zustand in Graphen zu erzeugen. Ihre Arbeit ist heute in Nature Physics erschienen.

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06.11.2019 | nachricht Nachricht
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Manche Moleküle können in zwei spiegelbildlichen Formen existieren, ähnlich wie unsere Hände. Obwohl solche sogenannten Enantiomere fast identische...

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Trotz grosser Anstrengungen in Medizin und Wissenschaft, sterben weltweit immer noch mehr als 400'000 Menschen an Malaria. Die Infektionskrankheit wird durch...

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Wissenschaftler der Universität Würzburg und der Universität Freiburg gelang es die komplexe molekulare Struktur des bakteriellen Enzyms Cytochrom-bd-Oxidase zu entschlüsseln. Da Menschen diesen Typ der Oxidase nicht besitzen, könnte dieses Enzym ein interessantes Ziel für neuartige Antibiotika sein.

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