Materialwissenschaften: Holz, Metalle, Polymere, Keramiken und Nanotechnologie

Der Wald und seine Derivate

Holzgewinnung und -verarbeitung

Der erste Schritt ist das Fällen von Bäumen, gefolgt von Entastung und Entrindung, und anschließend die Zerkleinerung für den Transport. Schließlich werden verschiedene Schnitttechniken angewendet (z. B. das Sägen in Bretter, Kanthölzer und Leisten).

Holzwerkstoffe

Es handelt sich nicht um künstliche Produkte im eigentlichen Sinne, sondern um Produkte, die aus Holzblättern oder Holzspänen hergestellt werden. Vorteile: geringe Kosten, Vielseitigkeit, größere Formate, Beständigkeit gegenüber Witterungseinflüssen und Schädlingsbefall (z. B. Sperrholz und Spanplatten).

Zellstoff und Papier

Zellulose wird zur Herstellung verschiedener Produkte gewonnen: Papier, Zellophan, Viskose usw. Papier ist aufgrund der hohen Nachfrage und des Verbrauchs besonders wichtig.

Umweltauswirkungen der Holzgewinnung

• Bodenerosion (durch Wind oder Wasser)
• Destabilisierung des Grundwasserspiegels (Dürre oder Überschwemmungen)
• Verringerung der biologischen Vielfalt (Ökosysteme, Organismen)
• Klimaungleichgewicht

Metallurgie heute

Eisenmetalle

Eisenmetalle enthalten Eisen als Hauptbestandteil. Dazu gehören reines Eisen, Gusseisen und Stahl. Die Gewinnung in der Gießerei- und Stahlindustrie beginnt mit einem gemeinsamen ersten Prozess. Stahl ist die wichtigste Eisenlegierung, die in der Industrie verwendet wird.

Nichteisenmetalle

Zu den Nichteisenmetallen gehören Kupfer und seine Legierungen, Aluminium, Blei, Zinn und Zink. Sie werden häufig nach ihrer Dichte klassifiziert:

• Schwermetalllegierungen: Bestehen hauptsächlich aus Kupfer.
• Leichtmetalllegierungen: Basieren auf Aluminium und zeichnen sich durch geringes Gewicht und Korrosionsbeständigkeit aus.
• Superleichtlegierungen: Bestehen hauptsächlich aus Magnesium.

Polymere und Keramiken

Polymere Materialien

Ein polymeres Material zeichnet sich durch ein hohes Molekulargewicht aus. Aufgrund ihrer unzähligen molekularen Strukturen und Aggregatzustände gibt es eine Vielzahl von Polymeren.

• Nach Herkunft: Können in natürliche und synthetische Polymere eingeteilt werden.
• Nach Eigenschaften und Preis: Werden wie folgt klassifiziert:
  • Allgemeine Polymere: Bekannt für ihre breite Anwendung, ihren Verbrauch und niedrige Kosten.
  • Technische Polymere und Ingenieurkunststoffe: Behalten ihre Eigenschaften bei Temperaturen unter 0 °C oder über 100 °C bei.
  • Spezialpolymere: Für Hochleistungsanwendungen entwickelt und nutzen ganz spezifische Eigenschaften.
• Nach physikalischen Eigenschaften: Duroplaste, Thermoplaste und Elastomere.

Keramische Materialien

Keramische Materialien sind eine Reihe von Verbindungen, die durch starke und stabile Bindungen zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen gebildet werden, welche durch ionische oder kovalente Bindungen entstehen. Man unterscheidet zwischen traditioneller Keramik (basierend auf Erfahrungswissen) und Hochleistungskeramik (z. B. Oxide, Carbide und Nitride aus chemischer Sicht).

Nanotechnologie

Nanotechnologie ist die Erforschung, Gestaltung und Herstellung von Materialien und Geräten durch die Kontrolle der Materie auf der Nanometerskala. Die Systeme bewegen sich im Bereich von einigen zehn bis einigen hundert Atomen oder Molekülen.

Auswirkungen der Nanotechnologie

• Informatik: Ermöglicht den Zugang zu Terabyte-Speicherplatz und spekuliert über künstliche Intelligenz.
• Medizin: Könnte die Entwicklung winziger Geräte ermöglichen, die den menschlichen Körper durchqueren, um Krankheiten zu erkennen und Medikamente gezielt zu verabreichen, mit minimalen Nebenwirkungen.
• Industrie: Ermöglicht das Design maßgeschneiderter Materialien sowie die Entwicklung selbstgenerierender Maschinen und Geräte, die Energie effizienter nutzen.