Materialien: Eigenschaften, Herstellung und Zukunftstechnologien

Einführung in die Welt der Materialien

Alles im Universum besteht aus Materie. Die Art und Weise, wie Materie in der Natur vorkommt, verleiht ihr spezifische Eigenschaften.

Die Entstehung der Materie

Die Materie, aus der alles besteht, hat ihren Ursprung im Urknall (Big Bang), der zunächst Wasserstoff (H) und Helium (He) hervorbrachte. Im Kern von Sternen entstehen schwerere Elemente bis hin zu Eisen (Fe). Bei Supernova-Explosionen werden die restlichen, noch schwereren Atome gebildet. Diese Materialien können dann in verschiedenen Stoffen und Mischungen verwendet werden.

Klassifizierung von Materialien

Materialien lassen sich nach ihrer Herkunft und Verarbeitung einteilen:

• Naturrohstoffe: Direkt aus der Natur gewonnen, z.B. Holz, Granit, Sand.
• Verarbeitete Materialien: Aus Rohstoffen hergestellt, z.B. Platten, Quarz, synthetisches Glas.
• Synthetische Materialien: Durch technologische Prozesse gewonnen, z.B. Kunststoffe, Fasern.
• Recyclingmaterialien: Aus bereits verwendeten Objekten gewonnen, z.B. recyceltes Glas und Papier.
• Gebrauchsgüter: Nützliche Gegenstände, die aus Materialien gefertigt werden, z.B. Metalle oder Computer.

Mechanische Eigenschaften von Materialien

Materialien besitzen verschiedene mechanische Eigenschaften, die ihre Anwendung bestimmen:

• Härte: Widerstand gegen Kratzer.
• Zähigkeit: Widerstand gegen Schläge.
• Verformbarkeit: Fähigkeit, sich zu Blechen verformen zu lassen.
• Duktilität: Fähigkeit, sich zu Drähten verformen zu lassen.
• Plastizität: Leichte Verformbarkeit unter Belastung und Beibehaltung der neuen Form.
• Elastizität: Verformbarkeit unter Belastung und Rückkehr zur ursprünglichen Form nach Entlastung.

Wichtige mechanische Belastungen sind: Druck, Zug, Torsion, Biegung und Scherung.

Materialien im Laufe der Geschichte

Die Menschheitsgeschichte ist eng mit der Entwicklung und Nutzung von Materialien verbunden, von der Steinzeit über die Bronze- und Eisenzeit bis hin zu den modernen neuen Materialien.

Metalle: Eigenschaften und Anwendungen

Allgemeine Eigenschaften von Metallen

Metalle zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Wärmeleiter: Ideal für Instrumente.
• Elektrische Leiter: Wichtig für Maschinen.
• Zäh und plastisch: Geeignet für Konstruktionen.
• Fest bei Raumtemperatur: Häufig für Behälter verwendet.
• Oxidierbar: Eine wichtige Eigenschaft in der Technologie.

Klassifizierung von Metallen

Metalle werden hauptsächlich in Eisenmetalle (ferrisch) und Nichteisenmetalle unterteilt.

Gewinnung von Metallen

Metalle kommen in der Erdkruste vor. Eine Minderheit liegt in freier Form vor, die meisten sind jedoch mit anderen Elementen zu Mineralien verbunden. Wichtige Mineralquellen sind Sulfide und Oxide.

• Erz (Mena): Ein Mineral mit einer hohen Konzentration eines bestimmten Metalls, dessen Abbau wirtschaftlich rentabel ist.
• Gangart (Ganga): Der mineralische Rückstand, der nach der Gewinnung des Metalls aus dem Erz übrig bleibt.

Extraktionstechniken

Metalle können aus Erzen auf verschiedene Weisen gewonnen werden:

• Durch Hitze: Basierend auf Unterschieden in Dichte und Schmelzpunkt. Dichte Metalle sammeln sich am Boden des Ofens an, und es können Additive verwendet werden.
• Durch Elektrizität: Basierend auf Ladungsunterschieden und der Anwendung eines elektrischen Feldes.

Spezifische Metalle und Legierungen

Stahl

Stahl ist eine Legierung aus Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C), die die Eigenschaften von Eisen verbessert. Er zeichnet sich durch erhöhte Härte, Widerstandsfähigkeit gegen Plastizität und Korrosion aus.

Titan

Titan ist das vierthäufigste Metall in der Erdkruste. Es ist so hart wie Stahl, aber leichter. Obwohl es schwerer als Aluminium ist, bietet es die doppelte Festigkeit und eine höhere Korrosionsbeständigkeit. Es findet Anwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Medizin.

Coltan

Coltan ist eine Mischung aus zwei Mineralien: Columbit und Tantalit. Columbit ist das Erz von Niob und besitzt magnetische Eigenschaften. Tantalit ist das Erz von Tantal und wird zur Herstellung von wiederaufladbaren Batterien verwendet.

Polymere: Vielseitige Makromoleküle

Definition und Eigenschaften von Polymeren

Polymere sind Makromoleküle, die aus sich wiederholenden chemischen Einheiten, den sogenannten Monomeren, aufgebaut sind. Sie besitzen eine Reihe nützlicher Eigenschaften:

• Hohe Plastizität und Elastizität.
• Gute mechanische und elektrische Festigkeit.
• Kostengünstig und einfach herzustellen.
• Inert und langlebig, zersetzen sich nicht leicht.

Allerdings können bei der Verbrennung toxische Substanzen entstehen, und sie sind nicht sterilisierbar.

Anwendungen von Polymeren

Polymere haben traditionelle Materialien in vielen Bereichen ersetzt und sind in zahlreichen Anwendungen unverzichtbar geworden:

• Verpackungen und Bauwesen.
• Selbsthaftende Beschichtungen und wasserdichte Gewebe.
• Spezialfasern und Kapseln für Raketen.

Nanotechnologie: Manipulation auf atomarer Ebene

Grundlagen der Nanotechnologie

Nanotechnologie ist ein Technologiezweig, der die Manipulation von Atomen und Molekülen auf individueller Ebene ermöglicht.

Nanokomposite und ihre Formen

• Kohlenstoff-Fullerene: Diese Nanokomposite haben eine Struktur, die einem Fußball ähnelt. Sie finden Anwendung in der Biomedizin (z.B. als Transportmittel für Moleküle in Zellen) und in Fahrzeugen.
• Kohlenstoff-Nanoröhren: Dies sind Derivate von Fullerenen mit einer länglichen Form.

Entwicklungen in der Nanotechnologie

Die Nanotechnologie hat bereits zu beeindruckenden Entwicklungen geführt, darunter:

• Wasserabweisende Gewebe und Flüssigkeiten im Allgemeinen.
• Beschichtungen, die andere Farben abstoßen.
• Fortschritte bei Batterien.