Materialwissenschaft & Technologie: Klassifizierung, Entwicklung & Anwendungen

Materialklassifizierung nach C. Thomsen und historische Epochen

C. Thomsen klassifizierte Materialien nach historischen Epochen:

• Steinzeit: Paläolithikum, Neolithikum
• Metallzeiten: Kupferzeit, Bronzezeit, Eisenzeit

Weitere wichtige Materialien umfassen: Holz, Knochen, Keramik, Leder.

Materialtypen

• Natürliche Materialien: Holz (natur), Marmor, Granit.
• Künstliche Materialien: Durch Veränderung natürlicher Stoffe.
• Synthetische Materialien: Im Labor hergestellt.

Materialien im historischen Kontext

1. Ein neues Material erfordert oft neue Technologien und Anwendungen.
2. Neue Materialien führen zu neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen.
3. Bedeutende Entdeckungen in der Natur fördern die Entwicklung künstlicher Materialien.
4. Konflikte und Kriege entstehen oft um die Kontrolle natürlicher Ressourcen.
5. Künstliche Materialien werden häufig im Kontext von Kriegen entwickelt und eingesetzt.

Spezifische Materialkategorien

Keramik

• Ton: (Schlamm), Steine, Kaolin (feine Porzellanerde).
• Feuerfeste Materialien (Refractarios): Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten (z.B. Ofenauskleidungen), aus verschiedenen Materialien.
• Zementgebundene Materialien: Gips, Kalk, Portlandzement, Mörtel.
• Abrasive Materialien: Sehr hart, zum Schneiden oder Schleifen von Maschinen.
• Glasartige Materialien (Vitreous): Siliziumdioxid mit anderen transparenten, amorphen Oxidmaterialien (z.B. Glas).

Kunststoffe

Bestehen aus chemischen Ketten von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Halogenen.

Beispiele:

• PET (Polyethylenterephthalat)
• HDPE (High-Density Polyethylen, oft in Abfallprodukten)
• PVC (Polyvinylchlorid)
• LDPE (Low-Density Polyethylen)
• PP (Polypropylen)
• PS (Polystyrol)
• Andere (gemischte Kunststoffe)

Metalle

• Eisenmetalle (Siderurgische Metalle): Eisen und Stahl (z.B. für Automobilstrukturen).
• Edelmetalle: Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt) (z.B. für Schmuck, Verkabelung).
• Leichtmetalle: Aluminiumlegierungen, Magnesium.
• Superlegierungen: Titan, Kobalt und Chrom.

Naturfasern

• Tierische Fasern: Felle, Wolle, Seide.
• Pflanzliche Fasern: Baumwolle, Esparto, Flachs.
• Mineralische Fasern: Asbest (krebserregend).

Regenerierte Fasern (Kunstfasern)

Entstehen durch die chemische Transformation von Naturfasern, insbesondere pflanzlichen Fasern (z.B. Viskose/Rayon, Acetatseide).

Synthetische Fasern

Im Labor hergestellt, z.B. Nylon, Tergal (Polyester), Neopren.

Moderne Technologien und Zukunftsmaterialien

Fernerkundung

Satellitenüberwachung zur Prävention von Problemen (z.B. Naturkatastrophen). Eine Reihe von Techniken ermöglicht die Erdbeobachtung mittels Satelliten.

Ressourcen

Fossile Brennstoffe (Gas, Kohle, Öl) sind endlich und erfordern angesichts neuer Bedürfnisse alternative Lösungen.

Sensor-Chips

Helfen bei der Erkennung von 'Problemen'. Datenbanken werden zur Auswertung der Daten genutzt.

Biomaterialien

Materialien für medizinische Anwendungen (z.B. Algenkulturen, Prothetik). Dies umfasst Materialien biologischen Ursprungs sowie synthetische Materialien, die mit Lebewesen interagieren.

Smarte Materialien

Materialien mit der Fähigkeit, Farbe, Form oder elektromagnetische Eigenschaften als Reaktion auf Umweltveränderungen (Licht, Temperatur, Spannung) zu ändern. Beispiel: Garagentor-Detektor.

Dünnschichtmaterialien

Bestehen aus atomaren Schichten auf einem Substrat (z.B. bei der Herstellung von Diamanten).

Photonische Materialien

Materialien, die Licht emittieren oder die Strahlungsbedingungen variieren können (z.B. Laser, Sensoren, LEDs).

Ionenleitende Materialien

Materialien mit besonderer ionischer Leitfähigkeit, die längere Schaltwege ermöglichen (z.B. in Batterien, Sensoren).

Nanomaterialien

Materialien, die auf atomarer Ebene im Bereich von einem bis hundert Nanometern arbeiten.

Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT)

Umfassen Informationstechnologien und Kommunikation.

Telekommunikation

Kommunikation über große Entfernungen mittels elektromagnetischer Wellen.

Telefonie

Ursprünglich Sprachkommunikation mittels elektrischer Impulse über zwei Kupferdrähte, die jedes Endgerät mit der lokalen Vermittlungsstelle verbinden (z.B. für die Kommunikation mit älteren Patienten).

Das analoge System mit Kupferdrähten wurde durch digitale Systeme mit Glasfaseroptik ersetzt, da moderne Dienste mehr Bandbreite benötigen.

Satellitenkommunikation

Überträgt Signale über lange Distanzen und fungiert als Signalverstärker (Repeater).

• Passive Satelliten: Fungieren als Spiegel.
• Aktive Satelliten: Verstärken Signale und übertragen sie auf der gleichen oder einer anderen Frequenz.

Eine Bodenkontrolle (Antennen) ist für einen reibungslosen Betrieb notwendig.

Geostationäre Satelliten: Befinden sich in ca. 35.000 km Höhe über der Erde und bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erdrotation (z.B. für Radio, TV).

Mobilfunkkommunikation

Erste mobile Kommunikation mittels Radiowellen (ursprünglich von US-Soldaten genutzt).

Eine mobile Infrastruktur benötigt ein komplexes Netzwerk, das Kommunikation ermöglicht, während wir uns bewegen.