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Nanotechnologie in der Schule

von PD

Dr. Stefan Thalhammer und StD Michael Funke

M.Sc. Jan Attig, Dr. Waldemar Baron, Prof. Dr. Wilhelm Barthlott, Luca Banszerus, StR Tobias Busche, Pro f. Dr. Alfred Forchel, StD Michael Funke, Dr. Peter Grambow, Prof. Dr. Andreas Greiner,

StD Dr. Ralf Ricken, PD Dr. Johannes Russer, Prof. Dr. Giuseppe Scarpa, Prof. Dr. Michael Schillmeier,

PD Dr. Marc-Denis Weitze, OStR´ Dr. Vera Wethkamp, Prof. Dr. Achim Wixforth, Prof. Dr. Dr. Axel Zweck.

Nanotechnologie in der Schule

3 Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Vorwor

Vorwort des Herausgebers von Prof. Dr. Alfred Forchel .......................................................................8

1. Werkzeuge im Nanokosmos ............................................................................................................... 13

Kapit

eleinleitung von PD Dr. Marc-Denis Weitze ............................................................................... 14

Versuch 01: Black-Box-Experiment zur Funktion eines Rastertunnelmikroskops .............................. 19

Versuch 02: Rasterkraftmikroskop-Bastel-Modell ............................................................................. 20

Versuch 03: Das DVD-Spektroskop .................................................................................................... 24

2. Nanotechnologie und Physik .............................................................................................................. 31

Kapiteleinleitung von Prof. Dr. Axel Lorke ......................................................................................... 32

Versuch 07: Mehlstaubexplosion ...................................................................................................... 47

Versuch 08: Farben durch Lichtbrechung an Nanostrukturen .......................................................... 49

Versuch 09: Kolloidnachweis durch den Tyndall-Effekt ..................................................................... 52

Versuch 10: Herstellung photonischer Kristalle................................................................................. 53

3. Nanotechnologie und Chemie ............................................................................................................ 59

Kapiteleinleitung von Prof. Dr. Andreas Greiner ................................................................................ 60

Versuch 12: Herstellung von Titandioxid-Nanopartikeln ................................................................... 63

Versuch 16: Bildung antibakterieller Silbernanopartikel mit Zitronensaft ......................................... 69

Versuch 17: Goldsole als farbige Dispersionskolloide ....................................................................... 72

Versuch 18: Opale durch Elektrospinnen von Nanofaservliesen ....................................................... 76

4. Nanotechnologie und Biologie ............................................................................................................ 85

Kapiteleinleitung von Prof. Dr. Wilhelm Barthlott ............................................................................. 86

Versuch 20: Kontaktwinkelbestimmung verschiedener Pflanzenarten ............................................. 89

Versuch 21: Demonstration zum Lotuseffekt .................................................................................... 93

Nanotechnologie in der Schule

4 Inhaltsverzeichnis (Fortsetzung)

Versuc

h 22: Demonstration zum Salvinia-Effekt ............................................................................... 95

5. Nanofluidik ....................................................................................................................................... 101

Ka

piteleinleitung von Prof. Dr. Achim Wixforth ............................................................................... 102

6. Nanomedizin .................................................................................................................................... 113

Kapiteleinleitung von PD Dr. Stefan Thalhammer ............................................................................ 114

Versuch 24: DNA-Isolierung aus einer Frucht (Variante A) .............................................................. 123

Versuch 25: DNA-Isolierung aus einer Frucht (Variante B) .............................................................. 126

Versuch 26: Synthese nanoskaliger Goldpartikel ............................................................................ 127

Versuch 27: Cassius´scher Goldpurpur ............................................................................................ 133

Versuch 28: Herstellung magnetischer Flüssigkeiten ...................................................................... 135

Versuch 29: Ausbildung der Rosenzweig-Stacheln .......................................................................... 143

Versuch 30: Schwimmende Münze ................................................................................................. 144

7. Nanoelektronik ................................................................................................................................. 147

Kapiteleinleitung von PD Dr. Johannes Russer und Prof. Dr. Giuseppe Scarpa .............................. 148

Versuch 31: Organische Solarzelle................................................................................................... 155

Versuch 32: Elektrische Kontaktierung von Graphen ...................................................................... 157

8. Die Nanowelt des Kohlenstoffs ......................................................................................................... 161

Versuch 33: Herstellung von Graphen in der Schule ....................................................................... 177

9. Nanotechnologie im Alltag ............................................................................................................... 191

Kapiteleinleitung von Dr. Lorenz Kampschulte ................................................................................ 192

Versuch 35: Herstellung einer Easy-to-Clean-Beschichtung ............................................................ 197

Versuch 36: Hydrophobisierung einer Glasplatte mit Ruß .............................................................. 199

Versuch 37: Textilien mit einer hydrophoben Nano-Beschichtung ................................................. 201

Versuch 38: Pflanzen mit einer hydrophoben Nano-Beschichtung ................................................. 202

10

. Gesundheitsrisiken durch Nanopartikel .......................................................................................... 203

11. Nanotechnologie in der Wirtschaft ................................................................................................. 213

Kapiteleinleitung von Dr. Ing. Peter Grambow, PD Dr. Stefan Thalhammer,

Prof. Dr. Dr. Axel Zweck .................................................................................................................. 214

Nanotechnologie in der Schule

5 Inhaltsverzeichnis (Fortsetzung)

12. Gesellschaftliche Aspekte der Nanotechnologie ............................................................................. 229

Ka

piteleinleitung von Prof. Dr. Michael Schillmeier ......................................................................... 230

13. Nanotechnologie im Studium ......................................................................................................... 233

Kapiteleinleitung von Dr. Waldemar Baron ..................................................................................... 234

14. Nanotechnologie im Unterricht und in Schulprojekten ................................................................... 243

Kapiteleinleitung von StD Michael Funke ........................................................................................ 244

Unterrichtsreihe zur Nanotechnologie in der Sek I ......................................................................... 247

Jugend forscht Projekte zur Nanotechnologie ................................................................................ 256

Unterstützung in Sachen Nanotechnologie:

Initiative Junge Forscherinnen und Forscher e.V. (IJF) .................................................................... 258

I. Autorenverzeichnis ............................................................................................................................ 261

II

. Abbildungsnachweise ....................................................................................................................... 263

Nanotechnologie in der Schule

6

Nanotechnologie in der Schule

7 Vorwort

Sehr geehrte Damen und Herren,

das Stefan Thalhammer im Rahmen von Kursen für hochbegabte Schülerinnen und Schüler entstanden.

Die Nanotechnologie entwickelt sich weltweit zu einem wichtigen wirtschaftlichen Zugpferd und

Schlüsseltechnologie. Als wir 2006 begannen einen Nanotechnologiekurs für Ferienakademien zu

etablieren, stellten wir fest, dass dazu wenig altersgerechtes Schulmaterial vorhanden war. Das hat sich

Experimente und Erfahrungen weitergeben. Für unsere Idee konnten wir zahlreiche Kolleginnen und Kollegen aus Wissenschaft, Wirtschaft und Schule begeistern. Aus diesen Akademiekursen haben wir Fachwissenschaft und dem Schulunterricht konzipiert. Dazu haben Fachwissenschaftler eine kurze zusammengestellt. Nanotechnologie und deren Umsetzbarkeit im Unterricht oder in Schulprojekten zu verschaffen. Dabei haben wir neben zahlreichen einfachen Handexperimenten für den Unterricht auch Anregungen für anspruchsvollere Projektarbeiten in unsere Sammlung aufgenommen. Dazu finden Sie bei allen Experimenten ein einfaches Ampelsystem, welches auf einen Blick anzeigt, wie hoch der Aufwand für

Wir bedanken uns herzlichst bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zu diesem Buch beigetragen haben.

Ebenso danken wir der Initiative Junge Forscherinnen und Forscher e.V. (IJF) ganz herzlich, die die

Wir wünschen Ihnen eine spannende Lektüre und hoffen Ihnen neue Impulse für Ihren Unterricht geben

PD Dr. Stefan Thalhammer StD Michael Funke

Nanotechnologie in der Schule

8 Vorwort des Herausgebers

Liebe Leserinnen und Leser,

ich f die Fachwissenschaften mit der Unterrichtspraxis. Die Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie, die viele wichtige Branchen wie

Halbleiterindustrie, Energiewirtschaft, Automobilindustrie, Biotechnologie, Chemie, Medizintechnik,

Sensorik, Umwelttechnologie, Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau und Textilindustrie beeinflusst.

Energiespeicherung oder in der Medizin.

(ESF), dem Bayerischen Staatsministerium für Arbeit und Soziales, Familie und Integration und dem

Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst arbeiten wir an einer

Das Team der IJF und ich freuen uns, Ihnen mit dem vorliegenden Buch Anregungen und Ideen für einen

praxisnahen und interessanten Unterricht zu geben. Wir wünschen Ihnen viel Freude bei der Lektüre.

Prof. Dr. Alfred Forchel

Vorstandsvorsitzender der Initiative Junge Forscherinnen und Forscher e.V. (IJF) Pr

Nanotechnologie in der Schule

Liebe Leserinnen und Leser,

Sie

lesbaren Druckbuchstaben selbst organisiert haben. Natürlich besteht auch das Papier dieser

umgibt aus Nanoteilchen aufgebaut ist, hat schon der große griechische Denker Demokritos vermutet,

als er den Begriff des Atoms (griechisch atomos), also des bis zum Zeitalter der Kernspaltung kleinsten

sind es ungeheuer viele, unvorstellbar viele Teilchen, mit der wir in unserer makroskopischen Welt normalerweise umgehen, typischerweise 1 mol, also etwa 6 mal 10 hoch 23 Teilchen.

Erst die Entwicklung des mit dem Nobelpreis für Physik 1986 ausgezeichneten Rastertunnelmikroskops

Und dies gilt nicht nur für die unbelebte materielle Welt. Natürlich sind auch alle lebenden Systeme aus

Milliarden Jahren erstmals auf der Erde lebende Systeme wurden, wie Nanotechnologie am Ursprung des Lebens wirkte. Nun aber, mit Hilfe der modernen physikalischen Untersuchungsinstrumente ist man besondere Quanteneffekte zum Tragen kommen, wie bei fluoreszierenden Nanopartikeln, oder die Lotus-Effekt, oder die spezifische Wirkung von molekularen Nanosystemen im Bereich der Nanomedizin, wohl einem der zukünftig bedeutendsten Anwendungsfelder der Nanotechnologie. wenn bei ihnen die Kleinheit (typischerweise unter 100 Nanometer) neue nanoskopische Effekte und Eigenschaften generiert, die im makroskopischen System keine Rolle spielen. Das makroskopische Titandioxidpartikel zur Basis des hohen Lichtschutzfaktors von Sonnencremes wird. Untersuchung und Entwicklung von neuen maßgeschneiderten Materialien, bietet die Nanotechnologie

hervorragend gezeigt, so dass ein recht guter Überblick sowohl über die Grundlagen, als auch über die

modernsten und damit zukunftsweisendsten Einsatzfelder der Nanotechnologie vorliegt.

Und darüber hinaus, Nanotechnologie, wie jede andere Technologie auch, wirkt nur dann, wenn sie in

Nanotechnologie in der Schule

10

Nanote

Anwendungen hinzu. Das Deutsche Museum in München zeigt daher in seiner großen Dauerausstellung

zur Nano- und Biotechnologie nicht nur die Originalobjekte, die Entwicklung und die gesellschaftlichen Dialog.

Physiker, Chemiker oder Ingenieure finden.

Prof. Dr. Wolfgang M. Heckl

Oskar von Miller Lehrstuhl für Wissenschaftskommunikation und Physik Department,

Technis

Nanotechnologie in der Schule

Um den Lehrerinnen und Lehrern einen schnellen Überblick über den Zeitaufwand für die

Experimente zu geben, haben wir ein einfaches Ampelsystem eingeführt. innerhalb einer Unterrichtsstunde durchführen lassen, sind mit zwei Ampeln gekennzeichnet. Hande xperimente, die sich in 5 bis 10 Minuten schnell durchführen lassen, werden durch eine grüne Ampel gekennzeichnet. einer Unterrichtsstunde durchführen lassen, werden durch eine gelbe

Ampel gekennzeichnet.

Projekte, die über eine Unterrichtsstunde hinausgehen sind mit einer roten Ampel gekennzeichnet.

Nanotechnologie in der Schule

12

Zum sicheren Umgang mit Gefahrstoffen

im Rahmen dieser Experimente entstehen. Aus diesem Grund müssen die Experimente unter Beachtung

unter der Aufsicht eines Fachlehrers durchgeführt werden. Zu vielen dieser Experimente gibt es bereits

ausdrücklich empfehlen. Die Herausgeber und Autoren übernehmen keinerlei Haftung für die

verwendeten oder entstehenden Chemikalien.

1. Kapitel: Werkzeuge im Nanokosmos

13

1. Kapitel: WERKZEUGE IM NANOKOSMOS

Auto ren

Kapiteleinleitung

Versuchsanleitungen

StD Michael Funke ʹ Gymnasium Zum Altenforst, Troisdorf

1. Kapitel: Werkzeuge im Nanokosmos

14

Werkzeuge im Nanokosmos

von PD Dr. Marc-Denis Weitze

Es ist nicht einfach, mit Strukturen zu arbeiten, die um das 10.000-fache kleiner sind als der

Durchmesser eines menschlichen Haares. Genau dies ist aber das Arbeitsgebiet der Nanowissenschaftler, deren typische Maßeinheit der Nanometer ist: ein Millionstel Millimeter.

Viel Spielraum nach unten

Im Jahr 1959 hat der Physiker Richard Feynman (der 1965 für seine Arbeiten zur

Quantene

lektrodynamik den Nobelpreis erhielt) auf der Jahresversammlung der Amerikanischen gewissen Grenzen, man kann sie z.B. nicht so platzieren, dass sie chemisch instabil sind)?

aufweisen? Welche Eigenschaften würden Materialien haben, wenn wir die Atome wirklich nach

untersuchen. Ich kann mir nicht genau vorstellen, was geschehen würde. Aber ich habe keine Zweifel:

Bei einer gewissen Kontrolle über die Anordnung sehr kleiner Dinge bekommen wir zweifelsohne eine Denken Sie etwa an ein Stück Material, in dem wir kleine Spulen und Kondensatoren (oder deren

ganzen Reihe von Antennen Licht abzustrahlen, wie wir Radiowellen von einer Antennenanlage

Strahl technisch oder wirtschaftlich nicht sehr nützlich ist.)

Wenn wir schließlich in der sehr, sehr kleinen Welt ankommen ʹ sagen wir, bei Schaltkreisen aus sieben

sich im Kleinen wie sonst nichts im Großen, weil sie den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen.

Schaltkreise benutzen, sondern ein System mit quantisierten Energieniveaus oder den

Wechselwirkungen quantisierter Spins.

1. Kapitel: Werkzeuge im Nanokosmos

15 Wenn wir nur genügend verkleinern, werden wir ferner feststellen, dass wir alle unsere Vorrichtungen

aber eine Maschine nur 100 Atome hoch ist, muss man sie nur bis zu einem halben Prozent genau Physiker synthetisiert die Substanzen. Wie? Platzieren Sie die Atome dort, wo der Chemiker sie haben

2002).

Mikroskope und Nanoskope: Wie Nanostrukturen fassbar werden

Instru

unterscheidet man Durchstrahlungsmikroskope (oder Transmissionsmikroskope), die mit Licht- oder Punkt ansteuern und dabei gebündelte Strahlen oder feinste Nadeln als Sonden verwenden. Mit einem Lichtmikroskop kann man bestenfalls eine Ansammlung von einigen Millionen Atomen Rastertunnelmikroskop schafft einen weiteren Schritt hin zu kleineren Dimensionen: Es macht einzelne

Objekte im Lebendzustand zu beobachten, also auch biologische Moleküle in ihrer natürlichen

Das Rastertunnelmikroskop

Das Rastertunnelmikroskop wurde vor rund 40 Jahren von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer (beide vom

IBM Forschungslabor Zürich in Rüschlikon) entwickelt. Der Abstand zwischen Spitze und

einer geringen Spannung ein elektrischer Tunnelstrom fließt, der auf einem quantenmechanischen

schließlich ein topographisches Bild. Es ist dabei entscheidend, dass das Instrument vor Erschütterungen

1. Kapitel: Werkzeuge im Nanokosmos

16 Spannung ausdehnen oder zusammenziehen). Für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops, mit wurden, erhielten Binnig und Rohrer 1986 den Nobelpreis für Physik.

Das Rasterkraftmikroskop

Im selben Jahr 1986 stellte Gerd Binnig mit seinen Kollegen Christoph Gerber und Calvin F. Quate das

Konzept des Rasterkraftmikroskops ist mithin überraschend anschaulich (Abbildung 1). Die feine Spitze

auch elektrisch nicht leitende Proben, beispielsweise biologische Zellen und Molekülkomplexe,

untersucht werden. Wie beim Rastertunnelmikroskop werden mit Computerhilfe die Messdaten schließlich in Bilder umgesetzt. Abbildung 1 Schematischer Aufbau eines Rasterkraftmikroskops Ras

Optische Pinzette

Objekte ohne mechanischen Kontakt fest und macht sich die Tatsache zu Nutze, dass auch Lichtstrahlen

Impuls beschreiben. Zur Erzeugung einer nennenswerten Kraft ist freilich ein gut gebündelter

Laserstrahl erforderlich. Dieser kann dann beispielsweise ein Polystyrol-Kügelchen von einem

1. Kapitel: Werkzeuge im Nanokosmos

wie mit einer winzigen Pinzette festhalten oder auf andere Weise manipulieren. Das Verfahren ist

denkbar sanft und auch für die Manipulation empfindlicher Zellen geeignet, die von der Spitze eines

ohne dass diese mechanisch belastet wird.

Experimente mit dem Rasterkraftmikroskop

Enzyme bei der Arbeit

Mit dem Rasterkraftmikroskop kann man sehr gut biologische Systeme untersuchen, z.B. die Wirku ngsweise von Schlangengift. Ein Bestandteil des Gifts ist ein Enzym, das Zellmembranen abbaut. Mit dem Rasterkraftmikroskop kann man Bilder aufnehmen, in denen sich die Wirkungsweise dieser als Angriffspunkte. Hier lagern sie sich an und fressen sich regelrecht in die Membran hinein. Durch Bildentstehung ʹ aber man sieht, was jedes einzelne Enzym anrichtet.

Und man kann versuchen, solche Moleküle als Pharmazeutika nutzbar zu machen. Das Enzym

beispielsweise, dem man bei der Arbeit zugeschaut hat, findet sich nicht nur im Schlangengift, sondern

dient im Magensaft auch zur Verdauung.

Das Rasterkraftmikroskop als Kraftspektroskop

Molekül zwischen Spitze und Unterlage angebracht, kann man daran ziehen und messen, welche

sind freilich winzig. Rezeptor-Ligand-Systeme passen wie Schlüssel und Schloss zusammen und spielen in vielen Bereichen der Biologie eine wichtige Rolle. Darauf basieren z.B. die Erkennung von Zellen untereinander, die

Immunsystem ist ein weiteres Beispiel. Mit dem Rasterkraftmikroskop lassen sich einzelne dieser

bestimmten Rezeptoren und Liganden zusammen halten.

Moleküle zu messen, (Florin et al, 1994) und zwar die Bindungskraft zwischen Biotin und Streptavidin.

Biotinmoleküle wurden chemisch an die Spitze eines Rasterkraftmikroskops gebunden und eine

gebracht, so dass sich einige Streptavidin-Biotin-Paare bildeten. Beim Zurückziehen der Nadel wurden

1. Kapitel: Werkzeuge im Nanokosmos

18

Moleküle auf der Streckbank

Bringt man ein einzelnes Molekül zwischen Spitze und Unterlage eines Rasterkraftmikroskop und dehnt

So wie es mit einem Gummiband geschieht, an dem man zu stark zieht, ergeht es auch Molekülen im

auseinander zu reißen. Bindungen zwischen Silizium und Kohlenstoffatomen reißen bei 2 Nanonewton,

Bindungen zwischen Schwefel und Gold bereits bei 1,4 Nanonewton (Grandbois et al., 1999; Clausen-

Schaumann, 2000).

Diese Darstellung basiert auf Weitze (2003).

Literatur zur Kapiteleinleitung:

und Zwergen ʹ Struktur und Technik des Kleinsten (Deutsches Museum München, Hrsg.), München

2002, S. 72-91.

Weitze, M.-D. (2003): Das Rasterkraftmikroskop. Deutsches Museum.

Florin, E.-L. / Moy, V.T. & Gaub (1994): H.E. Adhesion forces between individual ligand-receptor pairs.

Science 264, S. 415-417.

Grandbois, M. / Beyer, M. / Rief, M. / Clausen-Schaumann, H. / Gaub, H.E. (1999): How strong is a covalent bond? Science, 283,S. 1727ʹ1730.quotesdbs_dbs27.pdfusesText_33

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