Die große Vielfalt

Die Welt der Stoffe

Festkörper und Flüssigkeiten, Gase und Plasmen, Halb- und Supraleiter, Gläser und Magnete - in der Welt der Stoffe regiert die Vielfalt. Die Physik des Festen, Flüssigen, Gasförmigen sowie der Plasmen versucht Antworten zu finden, wie es zu dieser schillernden Fülle von Materieformen kommt.

Symmetrische Ordnung in Kristallgittern

Bildbeschreibung:

Die streng symmetrische Ordnung in einem Kristallgitter kann schon durch kleine Fehlstellen gesört werden. Dieses Modell zeigt die im Computer simulierte Wanderung eines kleinen Strukturfehlers durch eine metallisches Gitter.

Festkörperphysiker untersuchen Materialien, in denen sich Hunderte bis Abermilliarden von Atomen sammeln. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen diese Stoffe beschreiben und ihr Verhalten verstehen. Praktisch und theoretisch.

Ihr Weg führt oft über Phänomene, welche die Stoffe im Alltag oder erst im komplexen Laborversuch offenbaren. Vor einer völlig neuen Beobachtung kann zum einen eine pfiffige Idee stehen, zum anderen fällt den Forschern ein bis dato unbekannter Effekt auch rein zufällig vor die Füße. Beide Szenarien bilden wichtige Startpunkte für die Arbeit der Physiker. So entwickeln sie nie da gewesene Messmethoden oder optimieren bekannte Werkzeuge.

Lassen sich die gewonnenen Daten dann auch noch in mathematisch schlüssige Modelle pressen, ist das Ziel nicht mehr weit. Ausgewählte Beispiele führen hier über die unterschiedlichen Wege zur Erkenntnis und demonstrieren, wie heute Physiker mit Ideen und Experimenten die Geheimnisse der Stoffe lüften.

• THEMEN: Die vielfältigen Strukturen der Materie

  

  Streng geordnet in Kristallen oder in wirren Netzwerken verbunden: Atome nutzen zahlreiche Plätze, um greifbare Metalle, Halbleiter oder Gläser zu bilden. Das breite Spektrum der Eigenschaften reicht von Piezoelektrizität über Supraleiter bis zum Magnetismus. Sie bestimmen heute nahezu alle Bereich der Technik, sei es in einem Halbleiter-Transistor oder in der hochempfindliche Sonde eines Kernspintomografens. Welt der Physik führt hier in die Vielfalt der Stoffe ein. [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/3814.php)
   

  

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  • Multiferroika: Eine Klasse für sich

    
    

    Ein gutes Beispiel für die alte Weisheit, dass das Ganze mehr sein kann als die Summe seiner Teile, sind Multiferroika. Diese neue Materialklasse vereint in sich so verschiedene Eigenschaften wie Magnetismus und Ferroelektrizität, deren Koexistenz in einem Material völlig neue physikalische Phänomene erzeugt. 
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  • Metalle - Vom festen Kristall bis zum luftigen Schaum

    
    

    Metalle sind extrem vielseitig. Sie leiten Strom und Wärme, sind bei Raumtemperatur entweder hochfest oder weich wie Butter. Metalle sind mit Abstand die häufigsten Elemente des Periodensystems. Ihnen allen gemeinsam ist der Aufbau in mehr oder weniger geordneten Kristallgittern. Doch sie lassen sich auch in luftigen Blöcken zu Metallschäumen verwandeln. Das heute schon extrem breite Anwendungsgebiet könnte dadurch noch erweitert werden. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/3867.php)

    

    • Intelligente Materialien
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  • Halbleiter - Der Schlüssel zu Computerchips und speziellen Lasern

    
    

    Der Halbleiter hat die Welt verändert. So gesellt sich Silizium als der wichtigste Vertreter dieser Materialgruppe mit voller Berechtigung neben Stein, Bronze und Eisen zu den Namenspatronen ganzer Zeitalter.  
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    • Filigrane Flächen: Wie der Transistor in die Welt kam
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    • Das blaue Wunder
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    • Quantenpunkte
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    Schäume, Gele und Flüssigkristalle: Im Niemandsland zwischen dem Festen und Flüssigen sind zahlreiche Materialien mit ungewohnten und nützlichen Eigenschaften heimisch. 
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    Nahezu alle Substanzen gehen ab einer bestimmten Temperatur in den flüssigen Zustand über. In diesen Schmelzen geht auf dem ersten Blick jede Ordnung verloren. Unter hochauflösenden Mikroskopen gehen Physiker diesem Aggregatzustand auf den Grund und entdecken unerwartete Symmetrien. Über die exakte Kontrolle von Schmelzen und Flüssigkeiten können Keramiken und Metalllegierungen mit neuen Eigenschaften hergestellt werden. 
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    • Symmetrie, die in Flüssigkeiten steckt
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  • Dünne Schichten und Oberflächen

    
    

    Ob metallischer Glanz, Rost oder Reibung - die obersten Atomschichten einer Substanz bestimmen wesentlich, wie sie aussieht, wie sie reagiert und wozu sie alles nützlich sein kann. Der Untersuchung von Oberflächen kommt daher eine wichtige Aufgabe im Verständnis der Materie zu.  
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1259.php)

    

    • Herstellung von fein strukturierten Oberflächen
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1279.php)
    • Chemische und physikalische Vorgänge an den Grenzflächen
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  • Nanostrukturen: Von winzigen Röhren und komplexen Geflechten

    
    

    U-Boote fahren durch Blutbahnen, einzelne Atome und Moleküle ersetzen Siliziumchips und Krebszellen werden von Nanorobotern zerstört: Voller Hoffnung und Fantasie sind die Zukunftsvisionen, die Nanostrukturen bei vielen Menschen hervorrufen. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1257.php)

    

    • Nanoröhrchen: Von aufgerollten Teppichen und Mikroraketen
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    • In der Welt der Zwerge
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    • Nanoröhren: Tausendsassa der Nanoforscher
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  • Magnete - Vom richtigen Kurs bis zum Blick ins Gehirn

    
    

    Der Magnetismus bringt seit der Antike Seefahrer heim und bildet die Grundlage von Festplattenspeichern in der Computertechnik. Ohne die Messung kleinster Magnetfelder wäre auch kein Einblick ins menschliche Hirn über die Kernspintomografie möglich. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1375.php)

    

    • Was ist Magnetismus?
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    • Magnetismus im alltäglichen Leben
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1406.php)
    • Der Riesenmagnetwiderstand
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1404.php)
    • Kopplung magnetischer Schichten beim Riesen-Magnetwiderstand
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    • Moderne Analytik magnetischer Strukturen
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1402.php)
    • Magnete unter dem Mikroskop
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1398.php)
    • Magnetische Nanostrukturen
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    • Ein Sandwich mit Gedächtnis
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    • Spintronik | Welt der Technik
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1383.php)

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  • Supraleiter und Supraflüssigkeiten

    
    

    Einige Materialien zeigen keinen elektrischen Widerstand mehr, wenn man sie unterhalb einer bestimmten Temperatur abkühlt. Aus vielen Bereichen der Forschung ist diese so genannte Supraleitung nicht mehr wegzudenken.  
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1371.php)

    

    • Geschichte
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    • Physik eiskalt serviert
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    • Der verschwindende Widerstand
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1441.php)
    • Hochtemperatursupraleiter (1)
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    • Hochtemperatursupraleiter (2)
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1437.php)
    • Der neue supraleitende Zustand
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1435.php)
    • Der neue Goldrausch: eisenhaltige Supraleiter
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/7436.php)
    • Viele Mechanismen dienen der Erklärung der Supraleitung
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1433.php)

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• METHODEN: Augen und Werkzeuge für jede Substanz

  

  Die Wissenschaft dringt in immer neue Bereiche vor und macht dabei Dinge sicht- und greifbar, die noch kein Mensch zuvor gesehen hat. Mit bloßem Auge erfolgen diese Einsichten schon lange nicht mehr. Physiker nutzen Licht, Elektronen und Neutronen, um der Materie immer tiefere, kontrastreichere und informativere Bilder zu entlocken. Ausgeklügelte Werkzeuge erleichtern die Synthese neuer Strukturen. [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/227.php)
   

  

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  Weitere Themen

  • Kühlung: Möglichst nahe an den absoluten Nullpunkt

    
    

    Die in der Natur und im Labor zugänglichen Temperaturen reichen von einer Milliarde Kelvin im Zentrum der heißesten Sterne bis zu zwei Millionstel Kelvin, der tiefsten Temperatur zu der kondensierte Materie im Labor gekühlt werden konnte. Wir beschreiben die Methoden, um tiefe Temperaturen zu erzeugen. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/6299.php)

    

    • Kühlen mit verflüssigten Gasen
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/6303.php)
    • Kühlen mit Magnetfeldern
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/6305.php)

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  • Optische Mikroskopie

    
    

    Biologen vertrauen seit langem auf den Blick durch Lichtmikroskope. Physiker entwicklen immer pfiffigere Methoden, um das Auflösungsvermögen weiter zu erhöhen. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/3900.php)

    

    • Lichtblicke in die Nanowelt
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/271.php)
    • Nahfeldoptische Methoden
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    • Mikroskopie im optischen Schnitt
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  • Elektronenmikroskopie

    
    

    Bereits 1931 erfanden Ernst Ruska und Max Knoll das erste Elektronenmikroskop. Dabei durchstrahlen die Elektronen das hauchdünne Probenmaterial und liefernten erstmals Bilder mit weit feinerer Auflösung als dis bis dahin verwendeten Lichtmikroskope. Bis heute wurde das Elektronenmikroskop stetig weiter entwickelt und ist ein wertvolles Instrument zur Untersuchung der Materie. Für seine Erfindung erhielt Ruska 1986 den Nobelpreis. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/4367.php)

    

    • Mit Elektronen sieht man besser
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/273.php)
    • Klare Sicht auf scharfe Kanten
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1269.php)

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  • Rastersondenmethoden

    
    

    Nanotechnologie ist eine "unsichtbare" Technologie. Sie befasst sich mit Details, die kleiner sind als 100 Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Da wir mit dem Auge so winzige Strukturen nicht beobachten können, gewähren Rastersondenmikroskope uns einen Einblick in die Welt der Atome und Moleküle. Sie können dort zwar auch nicht sehen, aber sie tasten sich durch den Nanokosmos. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/3898.php)

    

    • Der Nanokosmos - eine fremde Welt
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/268.php)
    • Rastertunnelmikroskope (STM, engl.: scanning tunneling microscope)
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/278.php)
    • Rasterkraftmikroskope (AFM, engl.: atomic force microscope)
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/279.php)
    • Licht im Nanokosmos
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/280.php)
    • Nano-Optik
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1335.php)
    • Mit Elektronen sieht man besser
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/273.php)

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  • Synchrotronstrahlung

    
    

    In Speicherringen rasen Elektronen auf Kreisbahnen. Dabei senden sie Synchrotronstrahlung über einen breiten Spektralbereich ab. Mit harter Röntgenstrahlung, Ultraviolettem Licht oder Infrarotstrahlen lassen sich Moleküle und Festkörper bis ins Details untersuchen. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/3896.php)

    

    • Die Physik hinter der Synchrotronstrahlung | Welt des Lichts
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/3851.php)
    • Elektronen im Rampenlicht
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1387.php)
    • Die europäische Röntgenlaseranlage European XFEL | Welt des Lichts
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/284.php)

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  • Neutronen als Sonde

    
    

    Neutronen werden verwendet, um Struktur und Eigenschaften von Materialien aufzuklären. Sie treten mit Atomkernen in Wechselwirkung. Meist handelt es sich dabei um Streuung, bei der die Neutronen aus der Bahn gelenkt werden und einen Teil ihrer Energie auf die getroffenen Atomkerne übertragen können.  
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/3675.php)

    

    • Blicke in den laufenden Motor: Neutronen sehen mehr als Röntgenstrahlen
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    • Das freie Neutron - Geschenk der Natur
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    • Marmor, Stein und Eisen bricht - Forschungsreaktor DIDO
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    • Die schwebende Kreissäge
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  • Herstellung von fein strukturierten Oberflächen

    
    

    Die Festkörperphysik bringt Baumeister mit atomaren Bausteinen zum Vorschein: So lässt sich Materie bereits Schicht für Schicht und Atom für Atom zusammensetzen und die Forscherinnen und Forscher verzeichnen große Fortschritte bei der Simulation von komplexen Materieformen im Computer. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1279.php)

    

    • Molekularstrahl-Epitaxie
      (URL: http://www.weltderphysik.de/de/1290.php)
    • Komplexe Halbleiteroberflächen
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    • Atomkerne und Elektronen aus dem Baukasten
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    • Atomic Layer Deposition (ALD)
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• ALLTAGSPHÄNOMENE

  

  Finden Sie hier "Physik hinter den Dingen"-Artikel aus der Welt der Stoffe. Diese Artikel beantworten Fragen zu Aspekten aus der Physik hinter Alltagsphänomenen. [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/4521.php)
   

  

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  • Wie entstehen Lawinen?

    
    

    Lawinen sind eine der bedeutendsten Naturgefahren in den schneebedeckten Gebirgen der Welt - so auch im dicht besiedelten Alpenraum. Die Entstehung von Lawinen hängt von den Eigenschaften der Schneedecke ab. Die komplexe Mikrostruktur des Schnees setzt dabei der Vorhersagbarkeit von Lawinen Grenzen. 
    [mehr...] (URL: http://www.weltderphysik.de/de/5279.php)

    

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  • Wie schwer ist Schnee?

    
    

    Schnee scheint luftig und leicht zu sein - und doch kann Schnee in größeren Mengen sogar Hochspannungsmasten knicken und Hallendächer zum Einsturz bringen. Tatsächlich kann das Gewicht von Schnee je nach Alter und Beschaffenheit ganz erheblich schwanken. 
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