Unkaputtbar - die Magie neuer Materialien

Quarks & Co | Unkaputtbar – die Magie neuer Materialien | 21.05.2013 http.//www.quarks.de

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Unkaputtbar – die Magie neuer Materialien

Das Material der Alltagsgegenstände prägt unser Leben viel stärker, als die meisten glauben. Material weckt Emotionen, entscheidet Kriege und ermöglicht neue Technologien. Wer das richtige Material kennt, hat die Macht – denn die Wahl des Materials entscheidet über Erfolg und Misserfolg. Quarks & Co stellt die Magie neuer Materialien vor, blickt zurück auf die Kulturgeschichte der Metalle, fragt nach der Umweltverträglichkeit von Carbon und zeigt, wie zwei Wissenschaftler beim Herumspielen mit Tesafilm das Wundermaterial Graphen entdeckten und dafür den Nobelpreis bekamen.

Die Suche nach dem perfekten Material Fortschritt durch Metall Das Material der Spinnen Mit Tesafilm zum Nobelpreis Das neue Supermaterial Der Plastik-Hype CFK – das moderne Plastik Holz der Dauerbrenner

Redaktion:

Wolfgang Lemme

Chefautorin Amanda Mock

Autoren: Pina Dietsche, Ulf Kneiding, Florian Schwarz, Lars Tepel, Sivio Wenzel

Assistenz: Ursula Heidtmann


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Die Suche nach dem perfekten Material Zu Besuch in einer Materialbibliothek Der Kunde von heute ist anspruchsvoll: Die Produkte, die er kauft, sollen nicht nur ihre Funktion erfüllen, sondern auch gut aussehen, dem Kunden ein gutes Gefühl bescheren und umweltschonend wieder entsorgt werden können. Das Material von Alltagsgegen-ständen erfüllt oft mehr als eine Funktion - es kann auch Botschaften vermitteln und Gefühle auslösen. Der Pullover fühlt sich kuschelig weich an und sein Träger empfindet Luxus und Entspannung. Das Aluminium-Gehäuse des Notebooks wird zum Fetisch. Und die Arbeitsplatte aus italienischem Marmor veredelt die Küche. Viele Hersteller lassen sich bei der Entwicklung ihrer Produkte von Experten in einer „Materialbibliothek“ für teures Geld beraten, denn das Material entscheidet letztendlich über Erfolg und Misserfolg. Eine Materialbibliothek behandelt ihre milliardenschweren Kunden mit großer Diskretion - Quarks & Co durfte trotzdem einen Blick hinter die Kulissen werfen. Filmautorin: Pina Dietsche


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Fortschritt durch Metall Wer das richtige Material kennt, hat die Macht Es begann mit der Entdeckung von Kupfer. Später verfügten die Menschen mit der Bronze zum ersten Mal über ein Material, das sie nach Belieben formen und so Werkzeuge und vor allem Waffen herstellen konnten. Dann verdrängte das Eisen die Bronze und schließlich entpuppte sich der Stahl als stabilstes Metall von allen. Metalle haben in der Geschichte des Menschen schon immer eine wichtige Rolle gespielt. Sie haben Kriege entschieden und Fortschritt in vielen Bereichen erst möglich gemacht. Kein Fortschritt ohne Metall - im Quarks-Film erfahren Sie mehr über die Qualitäten dieses erstaunlichen Materials.

Filmautor: Florian Schwarz


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Linktipps:

„planet wissen“ über Metalle http://www.planet-wissen.de/politik_geschichte/urzeit/bronzezeit/ Knapper und präziser Überblick der WDR-Sendung „planet wissen“ über die Bedeutung der Metallherstellung in der Bronzezeit. Gut geeignet für jeden, dem es um eine zügige Vertiefung der Materie geht. „planet schule“ über Metalle http://www.planet-schule.de/index.php?id=13801 Das WDR-Schulfernsehen hat in mehreren Folgen die römische Wirtschaft untersucht und dargestellt. Einfach erklärt, geht es auch um die Bedeutung der Metalle für die Macht der Römer. Historische Entwicklung der Metallherstellung http://www.bergbaumuseum.de/web/forschung Das Deutsche Bergbaumuseum in Bochum gehört zu den deutschlandweit führenden Instituten, die die historische Entwicklung der Metallherstellung erforschen. Auf der Seite sind Links zu Beiträgen und interessanten Forschungsprojekten zu finden. Kognitive Archäologie http://uni-koeln.academia.edu/TobiasKienlin/Papers Link zu Veröffentlichungen des Kölner Archäologen Tobias Kienlin. Er ist in Deutschland einer der wenigen Vertreter der 'kognitiven Archäologie', die sich archäologischer Methoden bedienen, um von dort Rückschlüsse auf die mentale und kulturelle Verfasstheit alter Gesellschaften zu ziehen, die die Schrift noch nicht kannten.


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Lesetipps:

Menschen und ihre Materialien Autor: Hans R. Kricheldorf ISBN: 3527330828 Verlag: Wiley-VCH Verlag Sonstiges: 24,90 Euro, 254 Seiten Der Autor geht der Frage nach, wie die Entwicklung von Kulturen und die Möglichkeiten der Materialherstellung zusammenhängen. Er widmet sich sozusagen den materiellen Grundlagen von Kultur: Welche Materialien hatten welchen Einfluss auf die Menschen? Kleine Kritik: Zum Teil verliert sich der Chemiker Kricheldorf im Molekularen und die Quellenangaben für die historischen Zusammenhänge sind teilweise dünn. Metalle und Macht. 1000 bis 1600. Propyläen Technikgeschichte Band 2 Autor: Karl-Heinz Ludwig Verlag: Propyläen Verlag Sonstiges: Als Einzelband nur antiquarisch erhältlich, neu nur als fünfbändige

Propyläen-Technikgeschichte, 640 Seiten Auf über 600 Seiten widmet sich Ludwig der Bedeutung der Metalle in der frühen Neuzeit, also dem Übergang vom Mittelalter zur Moderne. Anhand vieler, überzeugend recherchierter Beispiele, illustriert Ludwig die enorme Bedeutung, die vor allem Glocken- und Kanonenguss für die entstehenden Staaten hatten. Außerdem geht der Autor auch auf den Einfluss der Metallsuche auf die kolonialistischen Bestrebungen Europas ein. Sehr viele Informationen - für die besonders Interessierten.


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Das Material der Spinnen Wie Forscher versuchen Spinnenfäden nachzubauen

Spinnenseide hat verführerische Qualitäten: Sie ist zwanzigmal dünner als menschliches Haar und fünfmal so reißfest. Kein Wunder, dass Wissenschaftler viele Anstrengungen auf sich nehmen, um dieses Material aus der Natur nachzubauen - ein ehrgeiziges Ziel. Es beginnt mit der Entschlüsselung des Spinnenerbguts, geht weiter mit der Idee, den Spinnenfaden von gentechnisch veränderten Bakterien produzieren zu lassen und endet mit einem glücklichen Zufall, der zur entscheidenden Erkenntnis führt. Wie Forscher versuchen Spinnenfäden nachzubauen – der Quarks-Film. Filmautor: Ulf Kneiding Linktipp: Bionik-Kompetenz-Netz http://www.biokon.de/index.shtml Der Leser erhält einen Einblick in die Vielfalt der Forschungsansätze und Bemühungen, bionische nachhaltige Produkte zu entwickeln.


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Mit Tesafilm zum Nobelpreis Die Entdeckung des Supermaterials „Graphen“ Eigentlich war es nur eines seiner zahlreichen „Feierabend-Experimente“, die für den Physiker Andre Geim und seine Mitarbeiter an der Universität Manchester zum Arbeitsalltag gehören wie die Tasse Tee am Nachmittag. Dabei zerlegten sie das Material eines Bleistifts, Graphit, mithilfe von Tesafilm in immer dünnere Schichten. Was die verspielten Wissenschaftler nicht ahnten: Ihnen gelang damit eine Sensation - noch nie vorher war eine so dünne Schicht irgendeines Materials gewonnen worden. Die Forscher stellten außerdem fest, dass diese dünne Schicht Strom hervorragend leitet. Damit war ein völlig neues Material mit vielversprechenden Eigenschaften entdeckt: Graphen! Sehen Sie im Quarks-Film die Geschichte dieser außergewöhnlichen Entdeckung. Filmautor: Silvio Wenzel


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Linktipps:

Nobelpreis für Physik 2010 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/presentation-speech.html# Hier finden Sie alle Informationen rund um den Nobelpreis für Physik 2010 - die Begründung der Verleihung, Videos von der Verleihung und der Dankesrede von Andre Geim. Englisch. Andre Geim erklärt seine Forschung http://www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=1418 Für besonders Interessierte: Lesen Sie die 30-minütige Vorlesung von Andre Geim nach der Verleihung des Nobelpreises. Er erklärt seine Forschung in Englisch.


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Das neue Supermaterial „Graphen“ hat vielversprechende Eigenschaften Härter als Diamant und 300-mal stärker als Stahl – Graphen könnte das Material des 21. Jahrhunderts werden. Es leitet Strom genauso hervorragend wie Wärme und kann unzählige verschiedene Formen annehmen ohne zu zerbrechen. Forscher träumen von Fernsehern, die man wie Tapete aufrollen kann und von Akkus, die sich binnen Sekunden aufladen lassen. Sie träumen von Handys mit flexiblem Display und sogar von einem ultraleichten Weltraumaufzug. Graphen könnte auch beim Flugzeugbau zum Einsatz kommen – für stabilere und trotzdem leichtere und somit sparsamere Flugzeuge. Quarks & Co stellt das Material der 1000. Möglichkeiten vor und fragt, ob Graphen wirklich halten kann was es verspricht. Jetzt angucken. Filmautor: Silvio Wenzel Linktipp:

Graphen-Forschung http://www.graphene-flagship.eu/GF/index.php Die EU fördert die Graphen-Forschung in den nächsten zehn Jahren mit bis zu einer Milliarde Euro. Auf der Homepage dieses Projektes finden Sie alle nur denkbaren Informationen rund um dieses spannende Forschungsgebiet. Englisch.


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Der Plastik-Hype Kunststoff war das Material des 20. Jahrhunderts Haushaltsartikel, Mode, Fernseher, Fußböden, Möbel und sogar vollständige Häuser bestanden daraus - in den siebziger Jahren waren die Kunststoffe allgegenwärtig. Knallbunt und mit meist runden Formen dominierten sie viele Haushalte. Die Kunststoffe haben unsere Welt verändert. Sie haben Innovationen ermöglicht, aber auch gewaltige Müllberge verursacht. Das große Wachstum der Industrie im 19. Jahrhundert wäre ohne Kunststoffe nicht möglich gewesen. Damals wurden noch viele Alltagsgegenstände aus Naturprodukten hergestellt, darunter Horn, Elfenbein, Schellack oder Seide. Diese Ressourcen waren jedoch begrenzt und das stand dem Wachstum der Industrie im Weg.

Produkte aus Bakelit Die ersten Kunststoffe waren Zelluloid und Bakelit. Vor allem das Bakelit war bahnbrechend. Es bestand faktisch aus Abfall, genauer aus Phenol, einem Stoff, der in großen Mengen abfiel, wenn aus Kohle das damals gebräuchliche Stadtgas gewonnen wurde. Gemischt mit Formaldehyd entstand ein preiswerter und leicht zu verarbeitender Kunststoff. Bakelit wurde nach seinem Erfinder, dem belgisch-amerikanischen Chemiker Leo Hendrik Baekeland, benannt. Baekeland ließ seine Entdeckung patentieren und stellte sie 1909 in New York dem dortigen Club der Chemiker vor. Industrie und Verbraucher waren schnell begeistert und das Bakelit wurde zum Welterfolg. Zum Beispiel als Rundfunkgerät: Joseph Goebbels, in Nazideutschland federführend für die Propaganda zuständig, sah im Rundfunk eine gute Möglichkeit, die Bevölkerung zu erreichen. So kam es, dass er den „Volksempfänger“ entwickeln ließ, der sich dann auch in großer Zahl verkaufte. Aber auch andere Alltagsgegenstände wie Geschirr oder Schüsseln, Telefone und vieles mehr konnten mit Bakelit plötzlich massenhaft, schnell und preiswert hergestellt werden und wurden so für jeden erschwinglich. Besonders interessant für die Industrie war, dass Bakelit einerseits gut formbar war, andererseits auch hervorragend isolierte. Erst das ebnete der Elektrifizierung der Haushalte den Weg.

Kunststoff machte Musiker berühmt Der Erfolg von Bakelit und Zelluloid beflügelte die Forschung. Schnell kamen dutzende, bald hunderte neuer Stoffe auf den Markt. Darunter Vinyl und Nylon. Vinyl revolutionierte die Musikindustrie. Die zuvor gebräuchlichen Schallplatten

Die Kunststoffe haben unsere Welt verändert.

Bakelit macht ganz neue Geräte möglich.


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aus Schellack waren schwer und zerbrechlich. Schellack ist ein Naturprodukt - er besteht aus den harzigen Ausscheidungen der Lackschildlaus. Für ein Kilo Schellack brauchte es rund 300.000 dieser Läuse. Die Gewinnung war entsprechend aufwändig, teuer und begrenzt. Bei Vinyl – oder korrekter: Polyvinylchlorid – war das Gegenteil der Fall. Es wurde entwickelt, um giftiges Chlor zu binden und es so gefahrlos lagern zu können. Erst nach dem zweiten Weltkrieg erkannte man die Möglichkeiten des Stoffes, man produzierte daraus Bodenbeläge, Rohre, Kabelummantelungen – und eben Schallplatten. Schallplatten aus Vinyl klangen besser als ihre Vorgänger aus Schellack, sie waren weniger empfindlich, leichter und sie konnten schnell, billig und in gewaltigen Stückzahlen produziert werden. Erst das machte die weltweite Vermarktung und damit den Erfolg von Musikern wie den Beatles oder Elvis Presley möglich.

Der „Nylon-Day“ Selbst die Mode wurde eine Zeit lang von Kunststoffen dominiert. Auch hier war es ein seltenes, teures Naturprodukt, das es zu ersetzen galt: die Seide. Gerade die transparenten Strümpfe aus dem edlen Material galten als Inbegriff der Reichen und Schönen. Die Markteinführung der Nylonstrümpfe am 15. Mai 1940 ging als „Nylon-Day“ in die Modegeschichte ein. An nur einem Tag wurden fünf Millionen Paar verkauft! Müllberge durch Plastik Doch bald zeigte sich der Nachteil der Kunststoffe: Das Material war beinahe unverwüstlich – die Produkte, die daraus hergestellt wurden, jedoch nicht. Die Folge: Müllberge in einem Ausmaß, das zuvor kaum vorstellbar war. Die Deponien an Land quollen über und da viele Kunststoffe kaum oder nur sehr langsam verrotten, wächst das Problem unaufhaltsam. Inzwischen sind sogar auf den Weltmeeren gewaltige Flächen durch Plastikmüll verschmutzt. Erst nach und nach werden Methoden entwickelt, wie man Plastik wiederverwehrten kann. In den meisten Fällen wird Plastik jedoch einfach verbrannt. Der Hype ist vorbei – doch die Müllberge wachsen noch immer. Bildunterschrift: Der Hype ist vorbei – doch die Müllberge wachsen noch immer. Autor: Lars Tepel

Dank Vinyl konnten Schallplatten in großer Zahl schnell und billig produziert werden.


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Zusatzinfos

Bakelit 1907 patentierte der belgisch-amerikanische Chemiker Leo Hendrik Baekeland seine Entdeckung: Das Bakelit, bestehend aus Phenolharz und Formaldehyd, revolutionierte die Industrie. Es war leicht und billig herzustellen, konnte in Formen gepresst werden und war elektrisch isolierend. Baekeland gründete 1910 die Bakelite GmbH nahe Berlin und begann mit der Produktion großer Mengen.

Zelluloid Der Name Zelluloid leitet sich ab aus dem Begriff „Zellulose“ - einer pflanzlichen Substanz - und der griechischen Silbe „oid“, was „ähnlich“ bedeutet. Als Zelluloid bezeichnet man eine Gruppe von Kunststoff-Verbindungen, die aus Zellulosenitrat und Campher hergestellt werden. Man kann Zelluloid leicht schmelzen und formen. Mit diesem Material war man erstmals in der Lage, Imitate von Luxusartikeln wie Elfenbein, Korallen oder Perlmutt in Massenfertigung herzustellen.

Formaldehyd Formaldehyd ist eine farblose Substanz mit einem typischen, stechenden Geruch. Formaldehyd wirkt keimtötend, konservierend und desinfizierend und ist in zahlreichen Alltagsprodukten enthalten: in Desinfektionsmitteln, Haushaltsreinigern, kosmetischen Mitteln, Farben und Lacken sowie in Bauprodukten. Die Substanz entsteht außerdem in geringen Mengen beim Zellstoffwechsel von Mensch und Tier. Formaldehyd ist gesundheitsschädlich: Es reizt die Schleimhäute und kann Krebs im Nasenrachenraum auslösen wenn es eingeatmet wird.


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Linktipps:

Geschichte der Kunststoffe http://www.technikatlas.de/~tb4/geschichte.htm Der Technikatlas Niedersachsen liefert interessante Daten und Fakten zur Geschichte der Kunststoffe.

Deutsches Kunststoffmuseum mit virtuellem Rundgang http://www.deutsches-kunststoff-museum.de/virtuelles-museum/virtuelles-museum/ Eine Reise durch die Zeit und durch die Welt der Kunststoffe bietet das deutsche Kunststoffmuseum. Auf der Webseite gibt es auch einen virtuellen Rundgang. Lesetipp: Plastisch, elastisch, fantastisch: Ohne Kunststoffe geht es nicht

Erlebnis Wissenschaft Autor: Prof. Dr. Georg Schwedt ISBN: 978-3527333622 Verlag: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Sonstiges: 200 Seiten, gebundene Ausgabe, 24,90 € Kunststoffe haben unsere Welt verändert. Einerseits erlauben sie ganz neue Produkte zu günstigen Preisen - andererseits verrotten sie nur extrem langsam und führen damit zu einem globalen Müllproblem. Der Autor, ein emeritierter Professor der Chemie, führt sachkundig und umfassend in das Thema ein.


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CFK - das moderne Plastik Das Potenzial des carbonfaserverstärkten Kunststoffs Formel-1-Piloten vertrauen ihm ihr Leben an und auch Flugzeugbauer schwören drauf: Carbonfaserverstärkter Kunststoff ist ein beliebtes Material, denn es ist leicht und stabil zugleich, sogar belastbarer als Stahl! Am Ende des Produktlebens kann aber gerade die Stabilität von CFK zum Problem bei der Entsorgung werden. Das Material altert kaum und galt lange Zeit als nicht recycelbar. Jetzt gibt es ein neues Verfahren - das Thema Recycling gehört heute bei der Entwicklung neuer Materialien einfach dazu. Wir scheinen aus den Fehlern im Umgang mit Plastik gelernt zu haben. Sehen Sie mehr über das Potenzial des CFK und die Möglichkeiten seiner Entsorgung im Quarks-Film. Filmautor: Lars Tepel


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Linktipp:

Forschen mit CFK http://www.cfk-nord.de/ In Stade haben sich viele Firmen und Forschungseinrichtungen angesiedelt, die mit carbonfaserverstärktem Kunststoff forschen, entwickeln und produzieren, darunter die Fraunhofer-Gesellschaft und das DLR, aber auch Airbus und andere Hersteller.

Lesetipp: Faserverbund-Kunststoffe Werkstoffe - Verarbeitung - Eigenschaften Autor: Gottfried Wilhelm Ehrenstein ISBN: 978-3446227163 Verlag: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG Sonstiges: 49,90 €, 298 Seiten, 2. Auflage Faserverbundkunststoffe wie CFK („Carbon“) oder GFK („Glasfaser“) bieten interessante Möglichkeiten – doch der Umgang mit ihnen ist nicht trivial. Dieses Buch bietet eine Übersicht zum Thema.


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Holz, der Dauerbrenner Das Material das uns am nächsten steht Ohne Holz wären vermutlich weder Rad noch Papier erfunden worden. Und auch Feuer hätte es nie gegeben. Selbst Elektrogeräte wurden bis vor einigen Jahrzehnten noch aus Holz hergestellt. Und auch die erste Waschmaschine, erste Automobile und erste Schreibmaschinen-Modelle waren allesamt aus Holz. Heute ist Holz der absolute Renner bei der Einrichtung. Aber auch beim Häuserbau spielt es seit einigen Jahren wieder eine Rolle, denn Holz ist nicht nur besonders wärmespeichernd und gut fürs Raumklima, sondern auch ein erdbebensicheres Baumaterial. Holz ist das Material mit der emotionalsten, engsten Verbindung zum Menschen und hat ihn von Anfang an begleitet - erfahren Sie mehr über den Dauerbrenner im Quarks-Film. Filmautorin: Pina Dietsche


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Linktipp:

Spurenlesen im Holz http://dendrolabor.phil-fak.uni-koeln.de/fileadmin/ufg/pdf/labore/dendroarchaeologie/publikationen/WDR5_Zeitzeichen_20120705_0920.mp3 Jedes Stück Holz erzählt ein Stück Menschheitsgeschichte. Entschlüsseln kann man sie mithilfe einer Dendrochonologie – ein Verzeichnis von Hölzern, das bis in die Steinzeit zurückreicht. Am 5. Juli 2012 wäre Andrew Ellicott Douglass, der Entdecker der Dendrochronologie, 145 Jahre alt geworden. WDR 5 hat dazu ein „Zeitzeichen“ produziert. Lesetipp: Holz Wie ein Naturstoff Geschichte schreibt Autor: Joachim Radkau ISBN: 3865813216 Verlag: Oekom Sonstiges: EUR 22,95, 352 Seiten Joachim Radkau erzählt die Kulturgeschichte von Holz und gewährt überraschende Einblicke in die Beziehung zwischen Werkstoff und Mensch - angefangen bei den Jägern der Steinzeit bis zur globalisierten Gesellschaft des 21. Jahrhunderts.


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Herausgeber: Westdeutscher Rundfunk Köln Verantwortlich: Quarks & Co Claudia Heiss Redaktion: Wolfgang Lemme

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