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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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Struktur mit dem gewissen Extra

Wissenschaftler von INNOVENT arbeiten im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes mit der temicon GmbH aus Dortmund an der Entwicklung einer Technologie zur kontinuierlichen Replikation von Mikro- und Nanostrukturen insbesondere in Sol-Gel-modifizierte UV-härtbare Imprintmaterialien. Eine Anwendung dieser Technologie führt auch bei anspruchsvollen Strukturen wie der Mottenaugenstruktur zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Produktfolien.

Funktionale Folien und ihre Herstellung

25.05.2020 | nachricht Nachricht

Oriented hexagonal boron nitride foster new type of information carrier

Valleytronics gives rise to valley current, a stable, dissipationless current which is driven by a pseudo-magnetic field, Berry curvature. This gives rise to valletronics based information processing and storage technology. A pre-requisite for the emergence of Berry curvature is either a broken inversion symmetry or a broken time-reversal symmetry. Thus two-dimensional materials such as transition metal dichalcogenides and gated bilayer graphene are widely studied for valleytronics as they exhibit broken inversion symmetry.

For most of the studies related to graphene and other two-dimensional materials, these materials are encapsulated with hexagonal boron nitride (hBN), a wide...

25.05.2020 | nachricht Nachricht

A replaceable, more efficient filter for N95 masks

Since the outbreak of COVID-19, there's been a worldwide shortage of face masks -- particularly, the N95 ones worn by health care workers. Although these coverings provide the highest level of protection currently available, they have limitations. Now, researchers reporting in ACS Nano have developed a membrane that can be attached to a regular N95 mask and replaced when needed. The filter has a smaller pore size than normal N95 masks, potentially blocking more virus particles.

N95 masks filter about 85% of particles smaller than 300 nm. SARS-CoV-2 (the coronavirus that causes COVID-19) is in the size range of 65-125 nm, so some virus...

22.05.2020 | nachricht Nachricht

Capturing the coordinated dance between electrons and nuclei in a light-excited molecule

Revealing both sides of the story in a single experiment has been a grand scientific challenge

Using a high-speed "electron camera" at the Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, scientists have simultaneously captured the movements...

22.05.2020 | nachricht Nachricht

4D electric circuit network with topology

In recent years, topology has emerged as an important tool to classify and characterize properties of materials. It has been found that many materials exhibit a number of unusual topological properties, which are unaffected by deformations, e.g., stretching, compressing, or twisting.

These topological properties include quantized Hall currents, large magnetoresistance, and surface excitations that are immune to disorder. It is hoped that...

20.05.2020 | nachricht Nachricht

2D molecular crystals modulating electronic properties of organic semiconductors

Organic field-effect transistors (OFETs) are the heart of plastic electronics. Doping has been proven to improve the performance of OFETs effectively. There are two major ways of doping OSCs.

The first strategy is bulk doping. Bulk doping involves the solution phase blending or vapor phase co-deposition of the dopants with the host OSCs. However,...

20.05.2020 | nachricht Nachricht

New bone-graft biomaterial gives patients a nicer smile and less pain

A new recipe for a bone-graft biomaterial that is supercooled before application should make it easier to meet dental patients' expectation of a good-looking smile while eliminating the pain associated with harvesting bone from elsewhere in their body.

The findings were published in the Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials on Apr 2, 2020.

Patients missing teeth don't just want a restoration of function. Above all, they want a tooth replacement that gives them a nice smile.

19.05.2020 | nachricht Nachricht

New algorithm predicts optimal materials among all possible compounds

Skoltech researchers have offered a solution to the problem of searching for materials with required properties among all possible combinations of chemical elements. These combinations are virtually endless, and each has an infinite multitude of possible crystal structures; it is not feasible to test them all and choose the best option (for instance, the hardest compound) either in an experiment or in silico.

The computational method developed by Skoltech professor Artem R. Oganov and his PhD student Zahed Allahyari solves this major problem of theoretical materials...

15.05.2020 | nachricht Nachricht

2D sandwich sees molecules with clarity

Rice University engineers adapt 2D 'sandwich' for surface-enhanced Raman spectroscopy

A sandwich of molybdenum, sulfur and selenium turns out to be deliciously useful for detecting biomolecules.

15.05.2020 | nachricht Nachricht

Pitt researchers create durable, washable textile coating that can repel viruses

New research published in ACS Applied Materials and Interfaces could lead to safely reusable PPE

Masks, gowns, and other personal protective equipment (PPE) are essential for protecting healthcare workers. However, the textiles and materials used in such...

14.05.2020 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Im Focus: New double-contrast technique picks up small tumors on MRI

Early detection of tumors is extremely important in treating cancer. A new technique developed by researchers at the University of California, Davis offers a significant advance in using magnetic resonance imaging to pick out even very small tumors from normal tissue. The work is published May 25 in the journal Nature Nanotechnology.

researchers at the University of California, Davis offers a significant advance in using magnetic resonance imaging to pick out even very small tumors from...

Im Focus: I-call – Wenn Mikroimplantate miteinander kommunizieren / Innovationstreiber Digitalisierung - »Smart Health«

Die Mikroelektronik als Schlüsseltechnologie ermöglicht zahlreiche Innovationen im Bereich der intelligenten Medizintechnik. Das vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT koordinierte BMBF-Verbundprojekt »I-call« realisiert erstmals ein Elektroniksystem zur ultraschallbasierten, sicheren und störresistenten Datenübertragung zwischen Implantaten im menschlichen Körper.

Wenn mikroelektronische Systeme für medizintechnische Anwendungen eingesetzt werden, müssen sie hohe Anforderungen hinsichtlich Biokompatibilität,...

Im Focus: I-call - When microimplants communicate with each other / Innovation driver digitization - "Smart Health“

Microelectronics as a key technology enables numerous innovations in the field of intelligent medical technology. The Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT coordinates the BMBF cooperative project "I-call" realizing the first electronic system for ultrasound-based, safe and interference-resistant data transmission between implants in the human body.

When microelectronic systems are used for medical applications, they have to meet high requirements in terms of biocompatibility, reliability, energy...

Im Focus: Wenn aus theoretischer Chemie Praxis wird

Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden, hat 2019 zusammen mit seinem Team topologische 2D-Polymere vorhergesagt. Nur ein Jahr später konnten diese Materialien von einem italienischen Forscherteam synthetisiert und deren topologische Eigenschaften experimentell nachgewiesen werden. Für die renommierte Fachzeitschrift Nature Materials war das Anlass, Thomas Heine zu einem News and Views Artikel einzuladen, der in dieser Woche veröffentlicht wurde. Unter dem Titel "Making 2D Topological Polymers a reality" beschreibt Prof. Heine, wie aus seiner Theorie Praxis wurde.

Ultradünne Materialien sind als Bausteine für nanoelektronische Bauelemente der nächsten Generation äußerst interessant, da es viel einfacher ist, Schaltungen...

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