Die Organisation der Materie und Nanotechnologie

Die Organisation der Materie

Das Periodensystem

Das Periodensystem der Elemente fasst das gesammelte Wissen über die chemischen Elemente zusammen. Es wurde 1869 von Dimitri Mendelejew veröffentlicht, um alle bekannten Elemente zu sortieren und Platz für weitere Elemente zu lassen, die später entdeckt werden würden.

Die Komplexität der Struktur

Chemische Elemente

Sie sind die Grundbausteine der Materie. 118 sind bekannt (Stand 2008), 90 davon kommen natürlich vor.

Chemische Verbindungen

Sie sind Stoffe, die nicht durch physikalische Verfahren in ihre Bestandteile getrennt werden können.

Mischungen von Materialien und Legierungen

Sie sind künstlich hergestellte Mischungen aus zwei oder mehr chemischen Elementen oder Verbindungen. Sie werden geschaffen, um neue Substanzen mit bestimmten Funktionen zu bilden.

Verbundwerkstoffe

Sie sind Verbindungen, die aus zwei oder mehr Materialien mit sehr unterschiedlichen chemischen oder physikalischen Eigenschaften bestehen. Sie bilden einen Stoff mit Eigenschaften, die sich stark von denen der einzelnen Komponenten unterscheiden.

Beschaffung von Materialien

• Natürliche Materialien: Holz, Granit usw.
• Verarbeitete Materialien: Durch die Umwandlung eines oder mehrerer natürlicher Materialien, z. B. Papier, Zement.
• Künstliche oder synthetische Materialien: Durch chemische oder physikalische Verfahren hergestellt, z. B. Kunststoffe, Kunstfasern.
• Recyclingmaterialien: Aus dem gleichen Material gewonnen, z. B. Glas, Papier.

Materialeigenschaften

Dichte, Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Sprödigkeit, Dehnbarkeit, Widerstand gegen Druck-, Zug-, Torsions- und Biegekräfte. Elastizität, Plastizität, Schmelztemperatur, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung, spezifische Wärme, elektrische Leitfähigkeit, magnetisches Verhalten, Korrosionsbeständigkeit, Schallleitfähigkeit, Farbe, Transparenz, Reflexion, Brechungsindex, Helligkeit, Fluoreszenz, Polarisationsvermögen des Lichts.

Die Materie

Rohstoffe

Rohstoffe sind die Stoffe, die aus der Natur gewonnen werden, um Produkte herzustellen. Metalle kommen in der Natur nicht rein vor, sondern werden aus Mineralien gewonnen.

Erze

Ein Erz ist ein natürlich vorkommender Feststoff in der Erdkruste. Es besteht aus einem Metall und einem Nichtmetall.

Mineralien

Ein Mineral ist ein Erz mit einem ausreichenden Metallgehalt, um wirtschaftlich interessant zu sein. Mineralien sind eine begrenzte, nicht erneuerbare Ressource, und einige Metalle werden durch Recycling gewonnen und raffiniert. Die Gewinnung von Metallen erfolgt durch Wärme oder Strom mittels einer chemischen Reduktionsreaktion, um das reine Metall zu erhalten.

Coltan

In Afrika bezieht sich das Wort Coltan auf Columbit und Tantalit, zwei Mineralien, die in der Elektronikindustrie von großer Bedeutung sind.

• Niob: Dient zur Herstellung von Hochleistungsmagneten und ist der magnetische Schlüssel von Mikromotoren.
• Tantal: Wird zur Herstellung von Kondensatoren und wiederaufladbaren Batterien verwendet.

Plastizität

Plastizität ist die Eigenschaft von Materialien, die es ihnen ermöglicht, leicht in die gewünschte Form gebracht zu werden.

Die Rolle des Papyrus

Ursprünglich aus der Papyruspflanze stammend, ist seine Schlüsselrolle bei der Papierherstellung die Bereitstellung von Zellulose.

Probleme im Zusammenhang mit der Papierherstellung

Entwaldung, hoher Wasserverbrauch, Umweltverschmutzung der Flüsse und hoher Energieverbrauch.

Lösungen für die Probleme

• Entwaldung: Kontrollierte Abholzung.
• Wasserverbrauch: Verwendung von geschlossenen Wasserkreisläufen.
• Energieverbrauch: Recyclingpapier verbraucht weniger Energie.

In Zukunft könnte die Lösung in elektronischen Zeitungen und Nanotechnologie liegen.

Nanotechnologie

Nanowissenschaften

Die Nanowissenschaft ist die Grundlage der Nanotechnologie und basiert auf wissenschaftlichen Entwicklungen im Bereich der Materialien. Sie befasst sich mit der Erforschung aller Aspekte im Nanometerbereich.

Nanotechnologie

Nanotechnologie ist die angewandte Wissenschaft, die sich mit dem Design, der Herstellung und der Anwendung von Materialien und Geräten im Nanometerbereich (10^-9 m) befasst.

Nanotechnologie um uns herum

• Elektronische Geräte: Flexible Batterien aus Kohlenstoff-Nanoröhren und LEDs.
• Anwendungen in der Elektronik: Nanochips.
• Anwendungen in der Medizin und Pharmazie.
• Anwendungen in der Textilindustrie und Architektur: Beschichtungen, photochrome Gläser und Keramik.