Materialienwissenschaft

Materialienwissenschaft, auch Materials Science genannt, ist die interdisziplinäre Wissenschaft von der Beziehung zwischen Struktur, Eigenschaften und Verarbeitung von Materialien. Sie verbindet Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften, Informatik und Mathematik, um Materialien zu verstehen, zu optimieren und neue zu entwickeln. Zentrale Fragestellungen sind wie Mikro- und Makrostruktur (Gitter, Phasenverteilung, Poren), mechanische, optische, elektrische und thermische Eigenschaften durch Struktur und Verarbeitung beeinflusst werden, sowie Lebensdauer, Reparaturfähigkeit und Kosten.

Zu den Hauptmaterialklassen gehören Metalle, Keramiken, Polymere, Verbundwerkstoffe, Halbleiter und Funktionsmaterialien wie Katalysatoren, Batterien, Solarzellen, Sensoren. Die Materialienwissenschaft strebt eine enge Kopplung von Struktur und Eigenschaften an, um gezielt Materialien mit spezifischen Eigenschaften zu entwerfen (materials-by-design) und deren Verarbeitung zu optimieren.

Typische Methoden umfassen experimentelle Charakterisierung (Röntgenbeugung/XRD, Elektronenmikroskopie SEM/TEM, Spektroskopie), Thermo- und Mechanikanalysen sowie mikroskopische Bildgebung. Computational Methods umfassen Atomistik-Simulationen, Dichtefunktionaltheorie, Molekulardynamik und Materialdesign-Ansätze. Verfahren der Verarbeitung wie Gießen, Schmieden, Sintern, Extrusionsprozesse, Additive Fertigung (3D-Druck) und Oberflächenbehandlungen beeinflussen Mikrostruktur und Eigenschaften.

Anwendungsfelder reichen von Luft- und Raumfahrt, Elektronik und Energie bis hin zu Bau, Biomedizin und Umwelttechnologie. Bildung und Forschung finden an Hochschulen, Forschungsinstituten und in der Industrie statt, oft interdisziplinär und international koordiniert. Zukünftige Schwerpunkte liegen auf nachhaltigen Materialien, Recycling, Kreislaufwirtschaft und intelligenten Funktionsmaterialien.