Faszination Nanowelten Faszination Nanowelten

Faszination
Nanowelten
Tipps für den Unterricht

Der Begriff Nanotechnologie beschreibt ein noch
sehr junges Forschungs- und Anwendungsfeld,
in dem zwar schon erste Produkte vorliegen, der
eigentliche Durchbruch durch interdisziplinäre
Entwicklungen aber in den kommenden Jahren
erwartet wird.
Nanotechnologie ist eine Querschnittsdisziplin und
ein Sammelbegriff für eine weite Palette von Technologien,
die sich mit Strukturen und Prozessen auf
der Nanometerskala befassen. Eine allgemein anerkannte
Defi nition der Nanotechnologie existiert
noch nicht. Man kann aber pragmatisch Folgendes
sagen:
•
•
•
Nanotechnologie befasst sich mit Strukturen,
die in mindestens einer Dimension kleiner als
100 nm sind.
Nanotechnologie macht sich charakteristische
Effekte und Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich
zwischen atomarer und mesosko-
pischer Ebene auftreten.
„There’s plenty of room at the bottom“
Nobelpreisträger Richard Feynman
Was ist Nanotechnologie?
Dr. Wolfgang Welz
Nanotechnologie bezeichnet die gezielte
Herstellung und/oder Manipulation einzelner
Nanostrukturen.
Die besonderen Eigenschaften des Materials mit
enorm breitem Anwendungsspektrum erwachsen
aus zwei Ursachen: den riesigen Oberfl ächen und
den Effekten der Quantenphysik. Auf der Ebene von
Atomen und Molekülen existieren die uns makroskopisch
vertrauten physikalischen Eigenschaften
wie Leitfähigkeit, Stärke, Reaktivität oder Schmelzpunkt
noch nicht, sie entstehen und ändern sich
substanziell mit der Größe des Ensembles.
Der Oberfl ächeneffekt ist leicht zu verstehen: Ein
Würfel beispielsweise aus 10 einfachen Molekülen
Kantenlänge, das entspricht etwa 10 nm, besteht
aus insgesamt 1000 Molekülen. Fast die Hälfte
davon (49 %) befi nden sich an der Oberfl äche und
können mit ihrer Umgebung reagieren. Ein Würfel
aus den gleichen Molekülen mit einer Kantenlänge
von 1 Mikrometer (immer noch 50-mal kleiner als
der Durchmesser des menschlichen Haares) besteht
aus 1 Milliarde Molekülen. Davon befi nden sich
knapp 0,6 % an der Oberfl äche, fast alle sitzen im
Inneren des Würfels. Es tritt also nur ein winziger
Bruchteil der Gesamtzahl der Moleküle in direkten
Kontakt mit der Umgebung.
Die in der Nanodimension wirkenden Effekte
der Quantenmechanik sind nicht so anschaulich
zugänglich. Elektronen beispielsweise, die sich in
Festkörpern nahezu ungehindert im gesamten
Volumen bewegen können, werden durch die
engen Dimensionen von Nanoobjekten in ihrer
Bewegungsfreiheit stark eingeschränkt. Nähert
sich dieser Bewegungsraum einem kritischen
Wert, der DeBroglie-Wellenlänge, werden die Elektronen
in diskrete Zustände gezwungen. Nanopartikel
ändern dann ihre Farbe in Abhängigkeit
von ihrer Größe. Oder: Mit Hilfe von so genannten
Quantenpunkten können Laser konstruiert werden,
deren Wellenlänge („Farbe“) durch die Größe
der Quantenpunkte einstellbar ist.
Der entscheidende Durchbruch zur Nanotechnologie
geschah in den 80-er Jahren mit der Entdeckung
des Rastertunnelmikroskops, für die Binnig
und Rohrer 1986 den Nobelpreis erhielten. Mit
diesem Mikroskop gelang es erstmals, atomare
Strukturen sichtbar zu machen. Inzwischen sind
Varianten des Rastertunnelmikroskops entwickelt
worden, mit denen man einzelne Atome sogar
„anfassen“ und zu künstlichen Strukturen zusammenbauen
kann.
Die Nanotechnologie will die Prinzipien, die zur
Ausbildung neuartiger Eigenschaften führen,
verstehen und dieses Wissen in technischen
Systemen umsetzen. Das besondere Potenzial der
Nanotechnologie liegt in der Kombination eines
Top-down-Ansatzes (fortschreitende Miniaturisierung)
mit einem Bottom-up-Ansatz. Atome und
Moleküle kontrolliert zu manipulieren, funktionale
Nanostrukturen Atom für Atom aufzubauen
und daraus Materialien und Bauteile mit bislang
unbekannten Eigenschaften zu erzeugen, ist
dabei das entscheidend Neue.

Liebe Kollegin,
lieber Kollege,
in der bildungspolitischen Diskussion besteht kein
Zweifel an der dringenden Notwendigkeit, die
mathematisch-naturwissenschaftlich-technische
Bildung zu verbessern. Anlass zur Sorge über die
Scientifi c Literacy unserer Jugend bereiten im
Wesentlichen die Ergebnisse der internationalen
Studien TIMSS und PISA.
Andererseits kann man auch hören und lesen, dass
die deutsche Forschung und Technologie derzeit in
einzelnen Hightech-Bereichen international eine
Spitzenposition inne hat.
Dieser scheinbare Widerspruch löst sich, wenn man
bedenkt, dass erstens die Zahl der nachwachsenden
naturwissenschaftlich gut Gebildeten zum Erhalt
einer solchen Position eher zu- als abnehmen muss,
und zweitens – wenn nicht wichtiger – nur eine gleichermaßen
in seiner Bildung mitwachsende Allgemeinheit
unsere moderne Gesellschaft demokratisch
tragen und entwickeln kann.
„Nanotechnology isn’t just ‚small‘ it’s the ultimate frontier.
Now we‘re beginning to be able to play this game the way that
previously only Mother Nature played it.“
Richard Errett Smalley, Rice University,
Nobelpreis für Chemie 1996 (Fullerene)
Faszination Nanotechnologie
Ein Angebot für aktuellen interdisziplinären naturwissenschaftlichen Unterricht
Dr. Wolfgang Welz
Wir Lehrkräfte begegnen diesem Bildungsauftrag in
aller Regel durch Unterricht, und zwar in Schulen.
„Schüler sind nicht dumm, Lehrer sind nicht faul und
unsere Schulen nicht kaputt“, behauptet – unserer
Erfahrung nach sicher zu Recht – Manfred Spitzer
in seinem Buch „Lernen“. Woran es dennoch hapert,
analysiert beispielsweise sehr eingehend die Bund-
Länder-Kommission für Innovationen im Bildungswesen.
In der so genannten Baumert-Expertise:
„Steigerung der Effi zienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen
Unterrichts“ ( November 1997)
werden die Problemzonen des mathematisch-naturwissenschaftlichen
Unterrichts in Deutschland beschrieben
und Module zur Überwindung vorgeschlagen.
Viele lokale und überregionale Initiativen sind
daraufhin entstanden (SINUS, SINUS-Transfer, PIKO).
Mit dem Projekt „Nanotechnologie und Schule“ greift
eine Gruppe von Lehrkräften naturwissenschaftlicher
Fächer ein Netz von didaktisch-methodischen
Problemen auf. Der Grund für die Wahl eines interdisziplinären
Themas als kontextlicher Klammer für das
pädagogische Handeln erschließt sich aus nachfolgenden
Überlegungen.

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Warum das Thema Nanotechnologie?
Fächer bilden in der Schule jenen thematischen
Rahmen des Lernens, der Voraussetzung für Sequenzierung,
Kumulativität und letztlich auch Bewertung
von Lernfortschritten ist. Fächer sind der professionelle
Rahmen des Lehrerhandelns. Sie haben sich in
dieser Funktion bewährt. Sie bilden jedoch keinen
festen Kanon mehr, in dem sich eine geschlossene
Bildungsidee abbildet. Sie stehen exemplarisch für
unterschiedliche, nicht austauschbare Wege der
Weltbegegnung und der sinnstiftenden Ordnung
von Erfahrungen.
Trotz ihrer inhaltlichen Besonderheiten teilen die
Fächer Biologie, Chemie, Physik, Mathematik und
Technik eine Reihe von Gemeinsamkeiten. Diese
werden dann deutlich, wenn explizit auf Wissen aus
Makro
mm
Mikro
µm
Nano
nm
Festkörperphysik/Technologie
Biologie
Chemie
Abbildung 1: Zeitliche Entwicklung der beherrschbaren
Dimensionen
dem anderen Fach zurückgegriffen wird, wenn interdisziplinäre
Schnittstellen behandelt und bestimmte
Phänomene oder Probleme aus der Sicht verschiedener
Fächer betrachtet und damit mehrperspektivisch
erschlossen werden. Horizontale Verknüpfungen
zwischen Inhalten, Fragestellungen und Verfahren
der mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen
Fächer können genutzt werden, um komplexe
Probleme zu bearbeiten und die wechselseitige
Bezogenheit der naturwissenschaftlichen Fächer und
ihre Grenzen sichtbar zu machen. Sie haben auch
die Funktion, Wissen vielfältig zu vernetzen, neue
Anwendungskontexte bereitzustellen und Konzepte
und Modellvorstellungen fl exibel werden zu lassen.
Daraus folgt ein neuer Typ von Unterricht: ein „fachübergreifender
Fachunterricht“.
Nanotechnologie
Disziplinen verschmelzen
Nanostrukturen
Nanotechnologie
2000 2020

Betrachtet man in einer groben Gliederung die zeitliche
Entwicklung der beherrschten Größenordnungen
in den drei Disziplinen Biologie, Chemie, Physik
(S. 4, Abb. 1), so erkennt man drei verschiedene Strategien.
• Top-down: Durch fortschreitende Miniaturisierung
gelingt es immer komplexere und kleinere Strukturen
(beispielsweise in der Mikroelektronik) zu
entwickeln.
• Bottom-up: Mit gezieltem Aufbau hochmolekularer,
funktionaler chemischer Verbindungen werden
in der Schichttechnologie (Lotoseffekt), Sensorik,
Membrantechnik oder der Katalyse große Fortschritte
erzielt.
• Selbstorganisation: Hier wird versucht, die in der
Natur vorfi ndbaren Strukturen und Abläufe, wie
z. B. die Photosynthese, nutzbar zu machen und auf
technische Systeme zu übertragen. Diese biologisch-technischen
Hybridsysteme könnten vor
allem in der Humanbiologie zum Einsatz kommen
(Bsp.: künstliche Retina).
In der „Nanometerwelt“, dem Bereich von 1 bis 100
Nanometer, treffen sich die Fachbereiche zu einem
interdisziplinären Zusammenspiel, ohne das Forschungsarbeit
hier nicht mehr gelingen kann.
Als interdisziplinärer Treffpunkt, nicht nur für
Physiker, Chemiker, Biologen und Ingenieure, ist die
Nanotechnologie auch ein starkes, weil lebenswirkliches
Motiv für eine überfachliche Zusammenarbeit
in Schulen. Das zweckgerichtete und reproduzierbare
Eindringen in physikalische Welten, deren Dimensionen
und Gesetzmäßigkeiten sich unserer unmittelbaren
Anschauung entziehen, erfordert eine geistige
Bewältigung unter Beteiligung aller Disziplinen, nicht
nur der naturwissenschaftlichen.
Die Nanotechnologie ist mit seinem grundsätzlich
interdisziplinärem Charakter eine genuine Plattform
für „fachübergreifenden Fachunterricht“.
Ganz „nebenbei“ bietet das Thema weitere wichtige
didaktische Vorzüge:
Aktualität, Zukunftsweisung und Öffentlichkeitswirksamkeit
der Nanotechnologie sind starke Motive
für einen zeitgemäßen naturwissenschaftlichen
Unterricht. Die Forschung ist auf dem Weg, den
Nanokosmos für Innovationen unseres Jahrhunderts
zu erschließen und zu nutzen. Wegen ihrer bedeutsamen
Einfl üsse und Auswirkungen auf die wirtschaftlich-technologische
und damit sozialpolitische
und kulturelle Entwicklung unserer Gesellschaft ist
sie ein gewichtiges Element naturwissenschaftlicher
Allgemeinbildung.
Die Nanotechnologie und die Informationstechnologie
bedingen und befruchten sich gegenseitig.
Zugang zur Nanowelt, Darstellung und Manipulation
ihrer Objekte sind ohne Nutzung moderner Medien
nicht denkbar. Das Thema fördert zwangsläufi g eine
problemgerechte Einbindung moderner Medien im
mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht.
Die Schau in die Nanowelt wirft erneut erkenntnistheoretische
Fragen auf, wie sie zu Anfang des 20.
Jahrhunderts mit der Entdeckung der Quantentheorie
die wissenschaftliche Welt herausforderten. Mit
der stetigen Verkleinerung eines Maßstabs werden
nicht nur Gültigkeitsgrenzen von physikalischen
Gesetzen überschritten. Auch das, was dort eigentlich
ist, entzieht sich gewohnter Vorstellung. Die „Abbildungen“
eines Rastertunnelmikroskops von der
Nanowelt sind ein suggestives Konstrukt von häufi g
ästhetischem Reiz. Wissenschaft erhält damit – wie
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die Kunst – produktiven Charakter, indem sie Welten
und Weltbilder erzeugt. Die gern übersehene Problematik
des erkenntnisleitenden oder erkenntnishemmenden
Leitmotivs „Schönheit“ in der physikalischen
Theorie zwingt sich auf.
Ein längst überfälliger Dialog mit der Kunst („Kunst
und Wissenschaft“) steht an.
Die Multiperspektivität des interdisziplinären
Themenfeldes entspricht den Forderungen aktueller
Lernforschung: die Konstruktion von Lernlandschaften,
die eine Vielfalt an Zugangsmöglichkeiten für
eine Vielfalt an Intelligenzen, Lernerfahrungen und
Vorlieben bieten.
Und nicht zuletzt: Forschung, Industrie und Wirtschaft
öffnen sich zunehmend für eine Zusammenarbeit
mit dem Schulsystem. Das ist nicht nur
wegen der begrenzten Ressourcen der öffentlichen
Hand hilfreich. Gerade die Nanotechnologie bietet
im Kontext ihrer hohen Aktualität und Bedeutung
einen fruchtbaren Boden für die Bundesinitiative
Wissenschaft im Dialog. Es ist eine große Chance, die
Vernetzungsbereitschaft von Industrie, Forschung,
Bildungsadministration und Schulen zur Verbesserung
der Unterrichtskultur zu nutzen.
Neue Wege und neues Material für Schüler und
Lehrkräfte
Mit Unterstützung der Initiative THINK ING. hat sich
eine Gruppe von Lehrkräften verschiedener naturwissenschaftlicher
Fächer im Mai 2003 zu einem Verein
„Nanotechnologie und Schule e. V.“ zusammengeschlossen,
um das schwierige Themenfeld didaktisch
und methodisch aufzubereiten.
Die Pädagogen wollen in Zusammenarbeit mit Wirtschaft,
Industrie, Forschung und außerschulischen
Bildungsinstitutionen die Aus- und Fortbildung von
Lehrkräften unterstützen und organisieren sowie
Lernmaterialien, Experimentier- und Lernstationen
zur Gestaltung und Fortentwicklung naturwissenschaftlich-technischen
Unterrichts fördern und
entwickeln.
Als erstes umfangreiches Projekt hat der Verein
„Nanotechnologie und Schule e. V.“ zusammen mit
dem Deutschen Museum Bonn eine Lernstation zur
Nanotechnologie eingerichtet. Diese Lernstation
bildet eine Keimzelle für die Entwicklung, Erprobung
und Diskussion neuerer Methoden und Materialien.
Als außerschulisches Angebot fi ndet sie wachsendes
Interesse bei Lehrkräften und Schülerinnen und
Schülern. (Siehe hierzu auch den eigenen Bericht in
diesem Heft.)
Mit größeren Symposien, wie der Impulsveranstaltung
„Faszination Nanowelten“ im April 2004, oder
mit Schülerakademien, wie der im Oktober 2004 im
Deutschen Museum Bonn gestalteten „Expedition in
die Nanowelten“, sollen den Lehrkräften, Schülerinnen
und Schülern anregende und lehrreiche Ausfl üge
in die Nanowelten bereitet werden. (Siehe www.
nano-ev.de)
Für die Entwicklung und zum Austausch von Lernkonzeptionen
und Lernmaterialien plant der Verein
den Aufbau einer Arbeitsgemeinschaft für Bildungseinrichtungen.
Für das Themenfeld „Nanotechnologie“ gibt es noch
kein Schulbuch. Mit dem anlässlich der DIDAKTA
im April 2005 vorgestellten Werkbuch „Faszination
Nanowelten“ wird ein erstes themenbezogenes

interdisziplinäres Angebot für den Einstieg in einen
fachübergreifenden Fachunterricht gemacht. Das
Werkbuch, das auch vom Schüler selbstständig
bearbeitet werden kann, führt in die Komplexität und
Vielfältigkeit des Nanokosmos ein, beleuchtet und
erläutert Forschungsfelder, Anwendungsgebiete, Geschichte,
Studien- und Berufsangebote. Arbeitsblätter
runden die Einzelthemen ab. Als roter Faden führen
spannende Geschichten über einen fi ktiven Besucher
Nanos durch die Welt des Kleinsten und lassen das
erfahrene Wissen auch „erleben“.
Hier, in diesem Beiheft, sollen erste didaktische und
methodische Hinweise für den Einsatz des Werkbuchs
im Unterricht gegeben werden. Nach einer
vertiefenden Refl exion über die bildende Wirkung
einer beispielreichen Wanderung durch die Dimensionen
und die Klippen in unserer Vorstellungswelt
(Manfred Euler) folgen Beiträge aus der Schulpraxis.
Die Autoren haben das druckfrische Material spontan
in ihre Arbeit eingebracht und vermitteln uns
dankenswerterweise ihre ersten und unmittelbaren
Erfahrungen damit. Es war in diesem „ersten Angriff“
nicht daran gedacht, die Arbeiten leitmotivisch auszurichten.
Das entstandene lockere Bündel originärer
Auseinandersetzung und Lösung vermittelt treffend
die Perspektivfülle, die Bildungsarbeit so schwer und
so fruchtbar macht.
Guter und nachhaltiger Unterricht kann nicht von
außen vorgegeben werden, er entsteht in der aktuellen
Auseinandersetzung und gemeinsamen Arbeit
der beteiligten Schülerinnen, Schüler und Lehrkräfte.
Die vorliegenden Tipps wollen, wie auch das Werkbuch,
allen Lehrenden und Lernenden Mut machen,
sich einem interdisziplinären Ansatz zu öffnen und
die Vielfalt des Wissens, der Fragen und der Ideen als
eine fruchtbare Plattform zu begreifen, um – notwendigerweise
fächerübergreifend – unsere Welt zu
verstehen und segensreich zu entwickeln.
Dr. Wolfgang Welz
Vorsitzender des gemeinnützigen Vereins
„Nanotechnologie und Schule e. V.“
Dezernent der Oberen Schulaufsicht in NRW
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Sternenstaub und Sonnenstäubchen:
Kreative Materie
Wir sind alle aus Staub entstanden und am Ende
unserer Tage werden wir wieder zu Staub zerfallen.
Diese düstere Perspektive menschlicher Endlichkeit
wird vielleicht ein wenig durch die Vorstellung aufgehellt,
dass der irdische Staub, aus dem wir hervorgegangen
sind, Sternenstaub darstellt. Sein kosmischer
Ursprung verknüpft die faszinierende Geschichte
der Entstehung des Lebens mit der Evolution des
Universums. Der Sternenstaub ist das Produkt eines
kosmischen Schöpfungsakts, der seit Jahrmilliarden
abläuft und noch immer stattfi ndet. In dem geheimnisvollen
Staub sind wir gewissermaßen potenziell
existent. Unter günstigen Bedingungen, wie sie etwa
auf unserer Erde geherrscht haben, ist die Möglichkeit
der Entfaltung von Lebensprozessen gegeben.
Es entwickeln sich komplexe, anpassungsfähige
organische Strukturen, die aktiv sind und kaum mehr
etwas mit dem toten mineralischen Staub gemeinsam
zu haben scheinen, aus denen sie entstanden
sind. Die biologische Evolution hat uns schließlich
hervorgebracht, und unser Geist beginnt, die kreativen
Prozesse, denen wir unsere Existenz verdanken,
allmählich zu verstehen. Was treibt diese Entwicklung
vom Einfachen zum Komplexen an, die von der
grauen Monotonie des Staubs zur bunten Vielfalt des
Lebens geführt hat? Schon in der Antike hat man sich
Es ist alles aus Staub gemacht
und wird wieder zu Staub.
Prediger 3,20
Intelligenter Staub: Eine Reise in
die fantastische Welt des Kleinen
Prof. Dr. Manfred Euler
ähnliche Fragen gestellt und ist auf spekulativem Weg
zu erstaunlichen Einsichten gelangt, die manches von
dem spiegeln, was uns noch heute bewegt.
Im Alltag sehen wir im Staub vor allem ein Ärgernis:
graues, inertes und passiv wirkendes Material, das
uns stört. So tot und unbeweglich, wie der Staub
vielleicht oberfl ächlich erscheinen mag, ist er jedoch
keineswegs. Unter dem Titel „Sonnenstäubchen“
schildert der römische Dichter und Philosoph Lukrez
eine Erscheinung, die zeigt, dass es auch in der Welt
des Staubs sehr dynamisch zugeht. In einem Sonnenstrahl,
der in ein abgedunkeltes Zimmer fällt, werden
Staubteilchen sichtbar. Sie führen einen geheimnisvollen
Tanz auf, der nie aufzuhören scheint. Die Staubteilchen,
von unsichtbaren Stößen kleinerer Atome getrieben,
werden in alle möglichen Richtungen gelenkt.
Für den Dichter-Philosophen offenbart ihre immerwährende
Bewegung ein verborgenes Weben von
Kräften, welches die Materie durchdringt – Kern aller
Wandlungsprozesse. Der Tanz der Staubteilchen
ist Ausdruck einer schöpferischen Kraft, die sich in
den großen Dingen ebenso äußert wie im Kleinen.
Bewegungen und Stöße, so die Vorstellung von Lukrez,
pfl anzen sich vom Mikrokosmos in den Makrokosmos
fort und verbinden die Welt der kleinen Teilchen mit
der sinnlich wahrnehmbaren Welt.

Die tanzenden Staubpartikel sind ein Beispiel für
dynamische Prozesse im Mikrokosmos, die uns
normalerweise verborgen bleiben. In den folgenden
Abschnitten begeben wir uns auf eine Reise in diese
geheimnisvolle Mikrowelt, die den unsichtbaren
Untergrund unseres Daseins bildet und die voller
Überraschungen ist. Unser Ziel ist es, die Eigenschaften
und die in kleinen Systemen ablaufenden
Prozesse besser zu verstehen und systematisch zu untersuchen,
wie diese mit der makroskopischen Welt
zusammenhängen. Die gewonnenen Erkenntnisse
bieten einerseits ein großes Potenzial für technologische
Innovationen. Andererseits tragen sie zu einem
gewandelten Selbstverständnis bei: Sie lassen uns
die gewohnte Alltagswelt und uns selbst in einem
anderen Licht sehen.
Sprünge über Größenordnungen: Staubkörner und
biologische Zellen
Die unserer alltäglichen Makrowelt angepasste
Längeneinheit ist das Meter (m). Unsere eigene Körpergröße
lässt sich bequem in Metern ausdrücken,
beispielsweise 1,80 m. Kilometer (1 km entspricht
1000 m) und Millimeter (1 mm entspricht 0,001 m)
sind ebenfalls noch gut vertraute Größenordnungen
der Länge. Unsere Alltagswelt ist mit Mikrowelten
verbunden, die unseren Sinnen nicht direkt zugänglich
sind. Staubpartikel, wie etwa Gräserpollen, die
Heuschnupfen verursachen, sind so klein, dass wir
Abb. 1: Größenordnungen und typische Objekte
vom Meter- bis zum Nanometerbereich
sie mit bloßem Auge nicht mehr sehen können. Um
sie sichtbar zu machen, benötigen wir ein Mikroskop.
Die unmittelbare Beobachtung der Sonnenstäubchen
durch Lukrez wird möglich, weil die kleinen Partikel
vor einem dunklen Untergrund so das Licht streuen,
dass sie als leuchtende Punkte sichtbar werden. Unter
diesen günstigen Umständen ist man nicht auf besondere
Hilfsmittel für die Beobachtung angewiesen.
Die für Staub charakteristische Größenordung, die
mit dem Mikroskop erschlossen werden kann, ist der
Mikrometer-Bereich (Bild 1). Ein Mikrometer entspricht
0,000001 Metern – also ein millionstel Meter!
Nur die größten Staubpartikel sind mit bloßem Auge
sichtbar (ca. 100 Mikrometer). Noch kleinere Staubteilchen
sind auch in dem Lichtmikroskop nicht mehr
zu erkennen. Sie messen einige 10 bis 100 Nanometer.
Ein Nanometer ist ein milliardstel Meter (1000 Nanomometer
= 1 Mikrometer). Auf der Nanometer-Skala
werden atomare Abmessungen erreicht: Je nach
Element kann man auf einem Nanometer ungefähr
zehn Atome aneinander reihen.
Wir selbst bestehen aus kleinsten biologischen Einheiten,
den Körperzellen. Ihre Abmessungen betragen
meist nur wenige Mikrometer. Ihre Zahl ist dagegen
kaum vorstellbar groß: Rund 1014 oder hunderttausend
Milliarden Zellen wirken in unserem Körper
zusammen. Staubpartikel und biologische Zellen sind
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also von ähnlicher Größe. Beide sind Akteure in der
für uns weitgehend unsichtbaren Mikrowelt. Staubkörner
sind nur imstande, passiv zu reagieren, so
wie die Sonnenstäubchen durch Luftwirbel zu ihrem
Tanz angetrieben werden. Im Gegensatz dazu stellen
lebende Zellen aktive Systeme dar. Sie sind in der
Lage, autonom aus sich heraus zu agieren. Trotz der
geringen Größe sind sie unglaublich leistungsfähig
und können sich auf vielfältige Tätigkeiten spezialisieren:
Sie wandeln Energie, produzieren Bausteine
und Signalstoffe für den Körper, erzeugen und leiten
elektrische und chemische Signale, kommunizieren
mit ihren Nachbarn und entfernten Partnern und
sind sogar in der Lage, sich selbst zu reparieren und
zu vermehren.
Fasst man, wie es Leibniz getan hat, biologische
Organismen als Maschinen auf, so handelt es sich
für menschliche Maßstäbe dabei um ganz besondere
Maschinensysteme: Lebewesen sind bis in ihre
kleinsten Teile hinein „maschinenartig“. Organsysteme,
Organe, Bestandteile von Organen, Zellen und
Zellbestandteile wirken über unterschiedliche Größenordnungen
hinweg sinnvoll zusammen. Jedes Teil
spiegelt die Funktion des Ganzen und ist wiede rum
aus Teilen zusammengesetzt, die ebenso sinnvoll
kooperieren. Bislang erfüllen die vom Menschen gemachten
Maschinen im Wesentlichen nur auf einer
Ebene die ihnen zugedachte Funktion. Ein Zahnrad
besteht nicht aus vielen kleinen Zahnrädern; ein Motor
ist nicht aus vielen kleineren Motoren aufgebaut,
usw. Diese Einschränkung könnte sich in der Zukunft
grundlegend ändern, denn menschliche Technik ist
imstande, Materie auf der Mikrometer-Skala und in
ersten Ansätzen auch auf der Nanometer-Skala zu
strukturieren.
Intelligenter Staub: Mikro- und Nanosysteme verändern
unser Leben
Während die technologische Entwicklung in der Vergangenheit
auf die Beherrschung der Materie im Großen
gesetzt hat, spielt sich der Fortschritt unserer Zeit
dagegen immer mehr im Kleinen und ganz Kleinen ab.
Er nutzt Strukturen und schafft Systeme in der Größenordnung
von Staubteilchen oder biologischen Zellen,
die unseren Sinnen nicht mehr unmittelbar zugänglich
sind. Trotz ihrer Winzigkeit können diese kleinen und
kleinsten Strukturen höchst verlässlich außerordentlich
komplexe Funktionen ausüben. Solche Mikro- und noch
kleinere Nanomaschinen, die auf molekularer Ebene
arbeiten, könnten unsere technische Welt künftig noch
grundlegender verändern, als wir es von den technologischen
Revolutionen der Vergangenheit kennen.
Durch die Verwendung von Komponenten, Systemen
und Werkzeugen, die auf derart technologisch gewandeltem
„intelligentem“ Staub basieren, haben bereits
tief greifende kulturelle Wandlungsprozesse eingesetzt.
Unsere Informations- und die noch auszugestaltende
Wissensgesellschaft basiert ganz wesentlich auf technologischen
Fortschritten auf der Mikro- und Nanometer-Skala.
Wer die Entwicklung im Großen vorantreiben
will, muss auf die kreative Gestaltung und technologische
Nutzung des Kleinen und Kleinsten setzen. Auch
die Umweltverträglichkeit und die nachhaltige Nutzung
von Technologien kann durch dieses Wissen ganz
entscheidend vorangetrieben werden.
Am weitesten ist die Miniaturisierung der Elektronik
fortgeschritten: Bei den Abmessungen einzelner Funktionseinheiten,
wie z. B. Speicherzellen oder Schalter
(Transistoren) erreicht man derzeit ca. 50 Nanometer.
Atomare Größenordnungen, die weiteren Verkleinerungen
dieser Technologie ein Ende setzen, sind bald
erreicht. Die Entwicklung der Mikroelektronik zeigt

eispielhaft, wie durch fortgesetzte Verkleinerung
erschwingliche, zunehmend leistungsfähige und
vielfältig einsetzbare Systeme verfügbar werden (z.
B. Handys, Rechner, Informationsnetzwerke). Diese
neuen Werkzeuge der Informations- und Kommunikationstechnologie
verändern Arbeitswelt,
Kulturtechniken sowie unser Freizeitverhalten.
Es ergeben sich insbesondere aus der Integration
verschiedener Mikrotechnologien neue Möglichkeiten.
Die Mikrosystemtechnik vereinigt Komponenten
aus der Elektronik, der Mechanik, der Optik und
der Fluidik zu Systemen, die vielfältige Aufgaben
erfüllen: Genauer als unsere Sinnesorgane können
Mikrosensoren Temperatur, Licht, Schall, Kräfte,
Drucke und chemische Substanzen messen. Ähnlich
unseren Muskeln sind Mikrosysteme in der Lage,
elektrische Signale in Kräfte umzusetzen und für
Bewegung zu sorgen. Durch Integration entstehen
winzige adaptive Systeme, die ihre Umwelt wahrnehmen
und geeignet darauf reagieren können.
Die Vielfalt und Leistungsfähigkeit technischer
Mikrosysteme ist angesichts ihrer Winzigkeit beeindruckend.
Dennoch sind die technischen Artefakte
jenen natürlichen Systemen wie biologischen
Zellen noch weit unterlegen. Es wird vermutlich
noch lange Zeit dauern, bis Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler in der Lage sein werden, die
Funktionsvielfalt lebender Strukturen technisch
nachzubauen. Abb. 2 zeigt technische Mikrosysteme
im Vergleich zu kleinen Organismen.
Intelligenter Staub: Eine Reise in die
fantastische Welt des Kleinen
Alle Stationen des Artikels fi nden Sie in ungekürzter
Fassung unter www.nano-ev.de:
• Die Sonnenstäubchen des Lukrez:
kreative Materie
• Sprünge über Größenordnungen:
Staubkörner und biologische Zellen
• Intelligenter Staub: Mikro- und
Nanosysteme verändern unser Leben
• Fantastische Reisen: Wie ist es,
ein Staubteilchen zu sein?
• Skalentransformationen: von Zwergen, Riesen
und ihrem Energiebedarf
• Maschinen in der Maschine: von technischen
und molekularen Motoren
• In das Kleine hineinhorchen:
Klänge aus der Mikrowelt
• Grenzen der Sichtbarkeit:
Die Mikrostruktrur von Licht
• Eintauchen in Flüssigkeiten: Spüre
die molekulare Kraft!
• Schwimmen in der Mikrowelt:
Unerwartetes Verhalten von Flüssigkeiten
• Tanzende Staubteilchen: Eintauchen
in das Chaos der Wärmebewegung
• Kreative Uhrwerke: Selbstorganisierte Ordnung
fern vom Gleichgewicht
• Fazit der Reise: Das Große, das Kleine
und die menschliche Kreativität
Abb. 2: Technische Mikrosysteme im Vergleich
zu Insekten (© IMM Mainz).
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Vom Makro- in den Nanokosmos
am Beispiel des Blutes
Dr. Ruth Schellberg
Der Einstieg vom Makrokosmos über den Mikrokosmos
hinein in die Welt des Nanokosmos erfolgt
im Buch „Faszination Nanowelten“ am Beispiel des
Blutes.
Der „Lebenssaft“ ist ein ideales Lernthema, um
Schülern die Dimensionen des Mikro- und Makrokosmos
verständlich zu machen. Mit bloßem Auge
wirkt er wie eine amorphe visköse Flüssigkeit. Schon
eine simple Zentrifugation macht verständlich, dass
er offenbar nicht nur fl üssige, sondern auch feste
Bestandteile enthält. Ein Blick durchs Lichtmikroskop
lässt Zellen erkennen, durch spezielle Aufarbeitungsschritte
gelingt sogar die Darstellung von
Metaphasenchromosomen. Eine Analyse mit dem
Rasterelektronenmikroskop deckt eine Substruktur
dieser Chromosomen auf, die mit den Methoden
der modernen Biochemie und Molekulargenetik auf
Komplexe aus DNA, Histonen und Nicht-Histonproteinen
zurückgeführt werden kann. Mit Hilfe des
Rastertunnelmikroskops können schließlich sogar die
Grundbausteine der DNA sichtbar gemacht werden.
Folgende Unterrichtsthemen eignen sich zur
Vorbereitung oder Vertiefung des Kapitels »Blutige
Mission«:
1. Aufbau, Funktionsweise und Anwendungsbereiche
von technischen Geräten zur Zellforschung
(Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop, Rastertunnelmikroskop)
2. Die physikalischen Maßeinheiten (Millimeter,
Mikrometer, Nanometer) zur Beschreibung des
Mikro- und Nanokosmos anhand von Objekten
entsprechender Größe aus dem menschlichen Körper
(z. B. die Eizelle des Menschen, die mit einem
Durchmesser von 0,11 bis 0,14 mm gerade noch mit
bloßem Auge erkennbar ist usw.)
3. Angeborene Krankheiten des Blutes, z. B. die Sichelzellenanämie
als Folge eines Aminosäureaustauschs
im Hämoglobinmolekül
4. Erworbene Krankheiten des Blutes – etwa die
chronische myeloische Leukämie (CML) als Beispiel
einer Tumorerkrankung, deren molekulare Ursache
seit der Identifi zierung des sog. Philadelphia-
Chromosoms auf eine Translokation zwischen
Chromosom 9 und 22 zurückgeführt werden kann
5. Durch Blut übertragbare Krankheiten, z. B. HIV,
Hepatitis-B und Hepatitis-C
6. Die Bedeutung von konstitutionellen Chromosomenaberrationen
für die Entstehung von Fehlbildungssyndromen
(z. B. die Trisomie 21 als molekulare
Ursache des Down-Syndroms)
7. DNA-Tests und ihre Anwendungsmöglichkeiten,
z. B. zur Diagnostik von erblichen Erkrankungen,
im Rahmen von Vaterschaftsgutachten oder in der
Forensik.
Praktische Fallbeispiele aus dem klinischen Routinealltag
Zur Veranschaulichung von numerischen und strukturellen
Chromosomenaberrationen fi nden Sie anbei
zwei Fälle aus dem Klinikalltag.

Das Bildmaterial ist von der Abteilung für Cytogenetik
des Humangenetischen Instituts der Universität
Bonn zur Vervielfältigung für den Schulunterricht
freigegeben.
Die für die Untersuchung der beiden Patienten angewendete
Färbetechnik mit Giemsa, die so genannte
GTG-Färbung, ermöglicht eine numerische wie strukturelle
Analyse unter dem Lichtmikroskop und damit
eine Untersuchung im Mikrokosmos. Submikroskopische
Auffälligkeiten werden mittels so genannter
FISH-Analysen durch fl uoreszenzmarkierte DNA-Sonden
sichtbar gemacht.
Fallbeispiel 1:
Einer Patientin wurde im Alter von drei Monaten
unter der klinischen Verdachtsdiagnose eines Down-
Syndroms peripheres Blut zur Chromosomenanalyse
aus Lymphozyten entnommen. Die Untersuchung
mit GTG-Färbetechnik ergab folgenden Chromosomenbefund:
47, XX, +21 – pathologischer weiblicher Karyotyp mit
freier Trisomie 21.
Fallbeispiel 2:
Im Alter von sechs Jahren wurde bei der Patientin
eine Chromosomenanalyse aus Lymphozyten des
peripheren Blutes durchgeführt. Sie war deutlich zu
klein für ihr Alter und hatte einen Herzfehler. Verdachtsdiagnose:
Ullrich-Turner-Syndrom. Die Untersuchung
ergab folgende Auffälligkeit:
46,X, i(X)(q10) – weiblicher Karyotyp mit Isochromosom
des langen Arms des X-Chromosoms.
Damit liegt ein numerisch unauffälliger, aber strukturell
auffälliger Befund vor. Ein weiblicher Chromosomensatz
mit einem unauffälligen und einem
strukturveränderten X-Chromosom. Das aberrante
X-Chromosom besteht aus zwei langen Armen,
die im Zentromer miteinander verschmolzen sind.
Solche Strukturumbauten werden als Isochromosom
bezeichnet. Das Vorliegen eines normalen X-Chromosoms
sowie eines Isochromosoms i(X)(q10) führt zu
einer Monosomie für den kurzen Arm des X-Chromosoms
und einer Trisomie für dessen langen Arm. Das
klinische Bild gehört zum Spektrum des Ullrich-Turner-Syndroms.
13

14
Inhaltsverzeichnis
Projektthema „Nanotechnologie“
Schülerinnen und Schüler präsentieren die Faszination der Nanowelten
Dr. Ralf Ricken
1. Organisatorischer Rahmen
2. Anbindung des Projektthemas „Nanotechnologie“
an Aspekte des Sachbereichs „Radioaktivität und
Kernenergie“
3. Einbindung des Werkbuchs „Faszination Nanowelten“
4. Geplanter Ablauf
1. Organisatorischer Rahmen
Die folgenden Ausarbeitungen sind im Rahmen der
Vorbereitung einer Projektarbeit zum Thema „Nanotechnologie“
am Hardtberg-Gymnasium der Stadt
Bonn entstanden. Das Projektthema „Nanotechnologie“
war dabei Bestandteil eines größeren fächerübergreifenden
Projekts zum Themenfeld „Kernenergie
und Kernwaffen“, welches mit den Schülerinnen
und Schülern der 10. Jahrgangsstufe durchgeführt
wurde. Zeitlich bildete dieses viertägige Gesamtprojekt
einen zusammenfassenden, fächerübergreifenden
und vertiefenden Abschluss der Reihe „Radioaktivität
und Kernenergie“, welche als obligatorisches
Sachgebiet in den Richtlinien und Lehrplänen Physik
für die Sekundarstufe I an Gymnasien in Nordrhein-
Westfalen ausgewiesen ist.
2. Anbindung des Projektthemas „Nanotechnologie“
an Aspekte des Sachbereichs „Radioaktivität und
Kernenergie“
Das Themenfeld „Nanotechnologie“ umfasst in seiner
gesamten Breite natürlich weitaus mehr Bereiche als
der hier vorgestellte Bezug zum Sachbereich „Radioaktivität
und Kernenergie“. Beispielsweise würde der
genannte Sachbereich den großen Teilgebieten der
Mikro- und Nanoelektronik kaum gerecht werden.
Bei der Anbindung des Projektthemas „Nanotechnologie“
an das Gesamtprojekt wurde also nach
Schnittstellen zum Sachbereich „Radioaktivität und
Kernenergie“ gesucht.
Die folgende Auswahl an Schnittstellen erscheint in
diesem Zusammenhang sinnvoll zu sein:
a) Größenordnungen und Atombau
b) Beobachtungsverfahren
c) Medizinische und technische Anwendungen und
kritische Betrachtung der Nutzen und Risiken
Im folgenden Abschnitt werden diese Schnittstellen
näher erläutert und mit dem Werkbuch „Faszination
Nanowelten“ in seiner Funktion als grundlegendes
Projektmaterial in Zusammenhang gebracht.
3. Einbindung des Werkbuchs „Faszination
Nanowelten“
Das Projekt wurde zum Abschluss der Reihe „Radioaktivität
und Kernenergie“ durchgeführt. Die
Schülerinnen und Schüler besaßen also in der Regel
grundlegende Vorkenntnisse in den angesprochenen
Themenbereichen.
Eine stichwortartige Aufl istung der hier relevanten
Vorkenntnisse zeigt der linke Teil der Tabelle auf den
Seiten 17/18. Im rechten Teil der Tabelle sind jedem
Themenbereich die entsprechenden Abschnitte im

Werkbuch „Faszination Nanowelten“ zugeordnet.
Die inhaltlichen Schwerpunkte dieser Abschnitte
wurden mit Blick auf die Vorkenntnisse der Schülerinnen
und Schüler in wiederholende, vertiefende/
ergänzende und erweiternde/neue Lerngegenstände
eingeteilt.
4. Geplanter Ablauf
Die folgenden Planungsaspekte beziehen sich auf
eine Gruppengröße von etwa 15 Schülerinnen und
Schülern und einen zeitlichen Rahmen von vier
Schultagen mit einem abschließenden Besuch der
Lernstationen zur Nanotechnologie im Deutschen
Museum Bonn. Als Ziel der Projektarbeit wird die
Erstellung einer CD-ROM zum Thema „Nanotechnologie“
ausgegeben. Schwerpunkte sollen dabei das
Anfertigen und Vorstellen von aspektorientierten
„Power-Point“-Präsentationen sein. Die Entwicklung
kleiner „Hand-outs“ und zusammenfassender Poster
soll zudem für zusätzliche Transparenz sorgen.
Angelehnt an die drei oben genannten Themenbereiche
mit ihren aufgezeigten Verknüpfungen zum
Werkbuch „Faszination Nanowelten“ werden die
folgenden drei Präsentationstitel mit Strukturierungshilfen
und Literaturquellen vorgegeben.
Bemerkung:
Im Deutschen Museum Bonn ist das Rastertunnelmikroskop
zentraler Bestandteil einer Lernstation.
Eine Demonstrationsversion der zugehörigen
Messsoftware zur Simulation eines realen Oberfl ächenscans
kann auf der Internetseite http://www.
nanosurf.ch/eline_demo.htm heruntergeladen
werden. Zur Vorbereitung auf den Museumsbesuch
werden Schülerinnen und Schüler der 1. Gruppe im
Rahmen ihrer Projektarbeit zu „Experten“ für diese
Software ausgebildet.
1. Gruppe:
„Wie sehen Atome aus?“
Das Rastertunnelmikroskop
• Vorstellungen vom Aufbau der Materie im
zeitlichen Wandel
• Geschichte der Mikroskopie und ihre grundlegenden
Prinzipien
• Funktionsprinzip des Rastertunnelmikroskops
• Das Rastertunnelmikroskop im Einsatz
• Zukunft der Rastertunnelmikroskopie
Vorgeschlagene Quellen
Grundlegend: Werkbuch „Faszination Nanowelten“
Messgröße Tunnelstrom:
http://www.quantum-physics.polytechnique.
fr/en/index.html
„Tunneln“ von Wellenpaketen:
http://webphysics.davidson.edu/Applets/
qtime4/default.html
Optische Instrumente:
www.fmc.uni-karlsruhe.de/~timo/
Aufl ösungsvermögen:
http://www.physics.otago.ac.nz/Physics100/
simulations/Game/an/java/slitdiffr/
index.html
Lupe und Mikroskop:
http://www.schulphysik.de/java/physlet/
applets/optik1.html
Weitere Suchbegriffe:
Atommodelle, Orbitalmodell, Rastertunnelmikroskop
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16
2. Gruppe:
„Sauber bleiben –
sonst noch was?“
Nanostruktur im Alltag
• Die Größenordnung „Nanometer“
• Nanostruktur in der Natur
• Neue Werkstoffe – Herstellung nanostrukturierter
Partikel
• Anwendungsgebiete heute
• Anwendungsgebiete morgen
Vorgeschlagene Quellen
Grundlegend: Werkbuch „Faszination Nanowelten“
Nanotechnologie in der Natur:
http://www.bmbf.de/pub/nanotechnologie_
inno_fuer_die_welt_v_morgen.pdf
Wasserabweisende Oberfl ächen, Lotuseffekt,
Easy-to-clean-Effekt:
www.botanik.uni-bonn.de (Link: Nees-Institut,
Lotus-Effect); www.creavis.de (Link: Internal
Start-ups, LotusEffect, häufi g gestellte Fragen)
Sol-Gel-Prozess:
http://www.bmbf.de/pub/nanotechnologie_
inno_fuer_die_welt_v_morgen.pdf
Kolloide:
www.weltderphysik.de/themen/stoffe/
magazin/materie
Weitere Suchbegriffe:
Nanopartikel, nanostrukturierte Oberfl ächen,
Sol-Gel, Aerosil, Aerogel, Pigmentruß, Van-Der-
Waals-Kräfte
3. Gruppe
„Geht’s auch ohne
Strahlung?“
Kleinstpartikel in der Medizin
• Aufbau der Atomkerne und Strahlungsarten
• Radioaktivität in der Medizin – Nutzen und
Gefahren
• Krebstherapie mit Nanoteilchen
• Nanophosphore in der medizinischen Diagnostik
• Nanostrukturierte Implantate
• Zukunft der Nanotechnologie in der Medizin
Vorgeschlagene Quellen
Grundlegend: Werkbuch „Faszination Nanowelten“;
research, Das Bayer-Forschungsmagazin
Ausgabe 15 (siehe auch www.bayer.de):
http://www.bmbf.de/pub/nanotechnologie_
inno_fuer_die_welt_v_morgen.pdf
Weitere Suchbegriffe: magnetische Flüssigkeiten,
Magnetfl üssigkeits-Hyperthermie,
nanostrukturierte Implantate, Nanomagnetite,
Halbleiter-Nanoteilchen, Nanophosphore,
Fluoreszenz

Vorkenntnisse Werkbuch „Faszination Nanowelten“
„Abenteuer im Quantenkosmos“ S. 44 – 61
Größenordnungen und
Atombau
wiederholend vertiefend / ergänzend erweiternd / neu
– insbesondere S. 56 – 59:
Orbitalmodell des
Atoms und „Erklärung“
des Periodensystems
– insbesondere die
Abenteuer des Nanos
mit Blick auf die Vorbereitung
der Orbitalvorstellung
– insbesondere S. 52 – 55:
„Die Bausteine unserer
Welt“; zugehörige
Aufgaben
• Typische Größenordnungen von
Atomen und Atomkernen
• Aufbau der Atome aus Kern und
Elektronenhülle
• Aufbau der Atomkerne aus
Protonen und Neutronen
• Atommodelle von Demokrit bis
Rutherford
Beobachtungsverfahren „Unter die Lupe genommen“ S. 84 – 95
wiederholend vertiefend / ergänzend erweiternd / neu
– Aufl ösungsvermögen
optischer Instrumente
– Wellenmodell der
Elektronen
– insbesondere S. 92 – 93:
Rastertunnelmikroskop
– Wellenmodell des
Lichts
– insbesondere S. 87:
Funktionsprinzip eines
optischen Mikroskops
• Idee und Prinzip von Streuexperimenten
(insbes. Rutherford)
• Thematisierung des Begriffs
„Sehen“ und seiner Bedeutung
auf atomarer Ebene
• Erwähnung des Rastertunnelmikroskops
als Beobachtungsinstrument
• Grundlegendes über die Funktionsweise
optischer Instrumente
(im Rahmen der Strahlenoptik in
Jgstf. 8 behandelt)
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Vorkenntnisse Werkbuch „Faszination Nanowelten“
„Nanotechnik im Alltag“ S. 100 – 107 &
„Klein macht klug ...“ S. 116 – 121
Medizinische und technische Anwendungen
erweiternd / neu
vertiefend /
ergänzend
wiederholend
– Krebstherapie mit magnetischen
Flüssigkeiten (S. 104)
– Nanophosphore und das Prinzip
der Fluoreszenz in der medizinischen
Diagnostik (S. 104 – 107)
– nanostrukturierte Implantate
bei Knochenbrüchen, Seh- und
Hörschwächen (S. 120 – 121)
– nanostrukturierte Oberfl ächen
und „Easy-to-clean“-Effekt
(S. 101 – 103)
– Gefahren der Nanotechnologie
(S. 117 – 120)
– Grundidee der Diagnose- und
Therapieverfahren in der Medizin
(insbesondere S. 104 – 107,
„Minidetektive im Blut“)
– Grundidee der Untersuchung
und gezielten Veränderung von
Materialien durch Einsatz von
Kleinstpartikeln
(insbesondere S. 100 – 103)
– Verantwortungsbewusstsein im
Umgang mit Wissen
(insbesondere S. 116 – 121)
– Meinungsbildung auf sachlicher
Grundlage
(insbesondere S. 116 – 121)
• Einsatz ionischer Strahlung in der
Medizin
– Prinzip der Strahlendiagnostik,
Markierungsverfahren
– Prinzip der Strahlentherapie
– Prinzip der Röntgendiagnostik
• Einsatz ionischer Strahlung in der
Technik
– Materialprüfung
– Entkeimung von Geräten und Konservierung
von Lebensmitteln
– Veredelung von Kunststoffen
• Kritische Betrachtung der Nutzen und
Gefahren
– Biologische Wirkung radioaktiver
Strahlung auf den menschlichen Körper
– Nutzen und Risiken der Kerntechnik
– Kernwaffen als Gefahrenpotenzial
– Verantwortungsbewusster Umgang mit
Wissen
Tabelle 1: Anbindung des Werkbuchs „Faszination Nanowelten“ an die Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler

Einsatz von „Faszination
Nanowelten“ im Chemieunterricht
Detlef Werner
„Wenn in einer Sintfl ut alle wissenschaftlichen
Erkenntnisse zerstört würden und nur ein Satz an die
nächste Generation von Lebewesen weitergereicht
werden könnte, welche Aussage würde die größte
Information in den wenigsten Worten enthalten?
Ich bin davon überzeugt, dass dies die Atomhypothese
wäre, die besagt, dass alle Dinge aus Atomen
aufgebaut sind – aus kleinsten Teilchen, die in permanenter
Bewegung sind, einander anziehen, wenn sie
ein klein wenig voneinander entfernt sind, sich aber
gegenseitig abstoßen, wenn sie aneinander gepresst
werden.“ (Richard Feynman, Lectures, Bd.1)
Im Chemieunterricht ist die Vermittlung des diskontinuierlichen
Aufbaus der Materie zwingend zu
leisten: Es handelt sich hier um keine hypothetischdeduktive
Modellvorstellung, sondern seit Anfang
der achtziger Jahre, also nun schon 20 Jahre her, ist
mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops
der Teilchenaufbau der Materie eine hinreichend
gesicherte naturwissenschaftliche Erkenntnis (siehe
hierzu auch: Prof. Dr. Ingo Eilts, Bremen).
Bis heute existiert kein einziges Chemiebuch für die
Sekundarstufe 1, das auf diese Erkenntnis zurückgreift.
Die Neuausgabe von „Chemie heute, S I,
Schroedel“ hat sogar auf die Rastertunnelmikroskop-
Aufnahme, die sich in der alten Ausgabe: „Fotoreise in
die Welt der Atome“ befand, ganz verzichtet.
Chemieunterricht „lebt“ vom Teilchenmodell, besser:
Teilchenaufbau der Materie; z. B. werden die Ag-
gregatzustände und ihre Übergänge damit erklärt,
die Umgruppierung von Teilchen bei chemischen
Reaktionen und die chemischen Grundgesetze damit
gedeutet, Atome in Metallgittern damit „visualisiert“,
zwischenmolekulare Wechselwirkungen „modelliert“,
Reaktionsabläufe in der Oberstufe mit dem Teilchenaufbau
dargestellt usw.
Mit dem Rasterkraftmikroskop lässt sich heute
darstellen/„beobachten“, wie sich langkettige Fettsäuren
auf bestimmten Oberfl ächen anordnen und
sich gegenseitig beeinfl ussen. Das sind absolut revolutionäre
Bilder: Es lassen sich die Carboxylgruppen
erkennen und ihre langen Kohlenwasserstoffreste!
Die Messungen mit den Rastersondenverfahren,
speziell erst einmal mit dem RTM, sind hervorragend
geeignet, das Thema „Visualisierung“ zu problematisieren:
Wenn z. B. eine Kupferoberfl äche oder Graphitoberfl
äche abgetastet wird, existieren ausschließlich
Messwerte, die dann von Computergrogrammen
zu den uns bekannten Bildern von Atomanordnungen
verarbeitet werden. Was ist das Prinzip dieser
Software, aus Datensätzen bunte Bilder zu erzeugen?
Sind das nur Modelle? Sehr schön lässt sich dazu der
in diesem Buch vorgestellte Legoroboter als Simulation
des RTM einsetzen; an diesem Beispiel kann
man hervorragend das grundlegende Prinzip der
Oberfl ächenabtastung durch eine sehr kleine Spitze
vermitteln inklusive des Unterschieds RTM – Legomodell.
Dieser Vergleich ist besonders gut geeignet,
den Umgang mit Modellen zu schulen. In Aktion lässt
19

20
sich das Legomodell am Deutschen Museum Bonn
erleben.
Ergebnisse der Rastersondenverfahren müssen
Bestandteil eines zeitgemäßen Chemieunterrichts
sein. Ebenso sollte die Welt der nanostrukturierten
Partikel in die Schulen Eingang fi nden. Zu letzterem
Thema wird ein weiterer Band erscheinen, der sich
ausführlicher mit chemischer Nanotechnologie
beschäftigen wird.
Das Kapitel: „Abenteuer im Quantenkosmos, Bausteine
unserer Welt“ sollte zusammen mit: „Unter die
Lupe genommen“ im Chemieunterricht verwendet
werden. Unser Thema: „Atombau und PSE“ könnte
somit auf eine neue, moderne Grundlage gestellt
werden, die der herkömmliche Unterricht ignoriert.
Wie Lehrer unser Buch einsetzen, wollen wir nicht
vorschreiben, sondern der Kreativität eines jeden
überlassen. Das bedeutet natürlich erhebliche Eigeninitiative,
es bedeutet, sich erst einmal in das Thema
Nanotechnologie einzuarbeiten. Sehr zu empfehlen
ist in diesem Zusammenhang das Buch von Niels
Boeing: Nano?! Wenn bei der Lektüre der Funke
überspringt, sich der Lehrer/die Lehrerin von der Fas zination
Nanotechnologie anstecken lässt, dann ist der
Punkt erreicht, dass SchülerInnen unter Führung des
Chemielehrers mit dieser Faszination als Rückenwind
die Nanowelten entdecken.
Selbstverständlich können und wollen wir nur den/
die engagierte/n Lehrer/Lehrerin ansprechen, denn
unser Buch ist für den Chemieunterricht kein normales
Lehrbuch, das man bei Bedarf Seite für Seite einfach
durchgehen kann, obwohl das mit viel Geschick
auch möglich ist. Nein, „Faszination Nanowelten“ ist
eine Fundgrube für die Einführung von Nanoscience
in den Chemieunterricht, eine Materialiensammlung,
um sogar die Akzeptanz von Chemieunterricht zu
verbessern. Es gibt auch sehr guten Chemieunterricht
in Deutschland und an relativ vielen Schulen
ist „Chemie“ ein beliebtes Schulfach, insbesondere in
der Oberstufe. Wir teilen nicht die Ansicht, dass mangelnde
Akzeptanz für das Fach typisch ist. Und sollte
es doch an mancher Schule ein ungeliebtes Fach sein,
dann sollten sich zuerst die Unterrichtenden Gedanken
machen über ein anderes Auftreten innerhalb
ihres Unterrichtsfachs. Wir wollen dabei helfen und
mit unserem Buch den Auftritt verbessern, es den
LehrerInnen erleichtern, wenn nötig, wieder Power
in den Unterricht zu bringen oder einen schon guten
Unterricht weiterzuentwickeln und modern zu
halten.
Wir sind uns völlig bewusst, dass manche Themen
dieses Hefts, die schon in der Sek.stufe I behandelt
werden sollen, umstürzlerischen Charakter haben:
Bilder von Orbitalmodellen im Mittelstufenunterricht?
Solch innige Verknüpfung von Chemie mit Physik
und Biologie? Chemieunterricht zu physiklastig?
Wir befi nden uns mit der Nanotechnologie auf der
Höhe der Zeit, und das bedeutet Abschied zu nehmen
von der klassischen Fächerabgrenzung, nur wenn wir
Naturwissenschaft als Ganzes in den Blick nehmen,
kann es gelingen, Nanoscience in einen zeitgemäßen
Chemieunterricht zu integrieren. Und dass uns
das gelingen muss, haben alle unsere Gespräche
mit Fachwissenschaftlern gezeigt. Seit Jahren wird
gefordert, die naturwissenschaftlichen Fächer zu
verbinden. In der Praxis ist nicht viel davon zu sehen.
Wer unser Buch im Unterricht einsetzt, verbindet
die Fächer Physik/Chemie/Biologie automatisch.
„Chemie“ wird zu dem, was heute Wissenschaft und
Forschung überall auf der Welt auszeichnet: interdisziplinäres
Arbeiten.

Periodensystem
Fülle folgende Tabelle mit Hilfe des Periodensystems der Elemente aus.
Die Atommassen sind gerundet.
Hintereinander gelesen, ergeben die groß geschriebenen Buchstaben der Symbole die Lösung.
Massenzahl 19 14 190 184
Ordnungszahl 53 102 63
Neutronenzahl 26 115 8 99
Elektronenzahl 40 33 93 10
Protonenzahl 13 28 3
Tellur
Zinn Gold
Name
(Element)
Symbol
Lösung
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22
Silicium
1. Welcher Zusammenhang besteht zwischen
diesen beiden Stoffen?
2. Versuche mit Hilfe eines Chemiebuchs einen
Steckbrief von Siliciumoxid und Silicium zu
erstellen. Das Chemiebuch muss sehr wahrscheinlich
ein Oberstufenbuch sein, da man in
den Büchern der Klassen 9 und 10 kaum etwas
über eines der bedeutendsten Elemente unserer
Zeit erfährt.
Sehr sinnvoll ist es, wenn ihr Gruppen bildet,
die sich bestimmten Themen widmen: wie
z. B. Verwendung von Siliciumoxid, Herstellung
und Verwendung von Reinstsilicium, Werkstoffe
auf Siliciumbasis, Silicone, Experimente zu
Silicium und Siliciumverbindungen.
Sehr hilfreich sind neben deinen Chemiebüchern
oder auch Physikbüchern Internetadressen,
die in der heutigen Zeit zu jeder Recherche
dazugehören. Frage deinen Lehrer nach für den
Chemieunterricht wichtigen Internet adressen.
Oder gib einfach einmal z. B. bei Google ein:
Silicium Element. Das wird dir schon auf den
ersten beiden Seiten eine umfangreiche Hilfe
sein.
Ihr könnt auch Gruppen bilden, die sich allein
mit den relevanten Websites beschäftigen und
bewerten, d. h. auch kommentieren.
Macht eure Ergebnisse auch den anderen
SchülerInnen bekannt, erstellt dazu ein Plakat,
das ihr im Chemieraum aufhängt. Oder schickt
eure Ergebnisse den anderen SchülerInnen per
E-Mail zu.
3. Stelle die Elektronenverteilung des Siliciums
im so genannten Kugelwolkenmodell dar. Das
Kugelwolkenmodell ist ein in den Schulen
wieder häufi ger verwendetes Atommodell:
eine Erweiterung des Schalenmodells und eine
Vereinfachung gegenüber dem Orbitalmodell.
Wie sieht mit diesem Modell veranschaulicht
dann ein Siliciumkristall aus? Was hält ihn in
seinem Inneren zusammen?
Stelle die Elektronenverteilung von Phosphor,
Bor und Arsen im Kugelwolkenmodell dar.
Welche Bedeutung haben diese Elemente im
Zusammenhang mit Silicium? Wie lässt sich
ihre Bedeutung mit dem Kugelwolkenmodell
veranschaulichen?

Das Lego Probe Microscope (LPM)
Ein Modellversuch zur Rastertunnelmikroskopie
Das LPM ist ein Modell, mit dem anschaulich die
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops
erklärt werden kann. Dieses Legomodell wurde im
Rahmen einer Staatsexamensarbeit aufgebaut.
Das Modell wird mit Hilfe des Lego MindStorms,
Robotics Invention System 2.0 aufgebaut.
www.legomindstorms.com
Weitere Informationen:
http://mv-sirius.m.fh-offenburg.de/Robotik
Gesteuert wird das LPM durch einen programmierbaren
Mikrokontroller, der im Lego Robotics
Invention System enthalten ist.
Zum Nachbau des LPM wurde eine Bauanleitung
erstellt (siehe Internetlinks). Ebenso wie ein reales
Rastersondenmikroskop ist das Legomodell in
der Lage, die Topographie einer Oberfl äche zu
untersuchen.
Lässt man das Licht des Lichtsensors des LEGO®-
MINDSTORMS-Baukastens auf ein weißes Papier
scheinen, so misst der Lichtsensor das zurückgeworfene
Licht. Der Lichtstrom hängt dabei stark
vom Abstand zwischen der Oberfl äche und der
Lichtsensorspitze ab.
Man kann die Spitze in festem Abstand über
der Oberfl äche schweben lassen, indem man
den Tunnelstrom/Lichtstrom durch ständige
kleine Auf- und Abwärtsbewegungen der Spitze
konstant einregelt. Bewegt man nun die Spitze
langsam über die Oberfl äche der Probe, so folgt
sie dem Oberfl ächenrelief, was über das Regelsignal
registriert werden kann.
Mit einem systematischen Abrastern (Scannen) in
x- und y-Richtung kann die Struktur der Oberfl äche
abgebildet werden.
23

24
Präparation von metallischen
Kolloid-Proben
oder: Ein optisches Vergnügen mit einem Cluster-Koch-Rezept!
Dr. Almuth Hilger
Untersuchungen an Clustern1 haben einen wesentlichen
Impuls für den Aufstieg der Nanostrukturforschung
zu einer der wichtigsten Sparten der Forschung
in der Festkörperphysik gegeben.
Die Clustererzeugung und -analyse kann man einteilen
in die „physikalische“, die „chemische“ und, in
jüngerer Zeit, die „material science“-Methode.
Die „physikalische“ Herstellung z. B. durch Aufdampfmethoden
im Ultra-Hoch-Vakuum dient hauptsächlich
der Aufklärung der atomaren Strukturen und der
elektronischen Eigenschaften des einzelnen freien
– also nicht mit Liganden behafteten – Clusters. Die
„chemische“ Herstellung von Nanopartikeln in Lösung
(Kolloiden) hat zumeist ihre Anwendung in der
heterogenen Katalyse oder anderen chemischen Reaktionen
an den Cluster-Grenzfl ächen zum Ziel. Die
Motivation zur Erzeugung aus Clustern aufgebauter
nanokristalliner Materie beruht auf der Hoffnung,
„neue Materialien für die Technik maßschneidern“ zu
können.
Die die Cluster umgebenden Materialien mögen
anorganische oder organische Adsorbate, organische
Liganden, Substrate oder feste und fl üssige Einbettmedien
sein. Stets liegen daran komplexe, heterogene
Mischmedien in üblicherweise makroskopischer
Dimension vor. Einige Beispiele für Clustermaterie
sind: Geo-Kolloide (in Mineralien, Hydrosole, Aeroso-
le), Sol-Gel-Systeme, Inselschichten, Halbleiter-Quantendots,
Nanokeramiken, photovoltaische Systeme,
magnetische Nanosysteme, Hetero-Katalysatoren,
photographische Systeme, Kopiersysteme, Ferrofl uide,
Tonbänder, Farbfi lter, Solar-Absorber, medizinische
Markierungssysteme, Schichten zur Oberfl ächenmodifi
kation (z. B. Oberfl ächenhärtung).
Im Folgenden werden zwei Rezepte vorgestellt, mit
denen Cluster nasschemisch leicht selbst hergestellt
werden können. Der Clusterdurchmesser liegt im
Bereich von ca. 1 nm bis zu einigen 10 nm mit den für
chemische Verfahren typischen Standardabweichungen
der Größenverteilung von etwa 10 bis 50 %.
In der Literatur sind eine Vielzahl chemischer Verfahren
zur Herstellung von Edelmetallkolloiden bekannt.
Ihnen gemeinsam ist folgendes Schema:Man nehme
ein Metallion oder Elektrolyt, stoppe die atomare
Koagulation, d. h. die Volumenzunahme der entstandenen
Metallcluster, durch die Zugabe eines Reduktionsmittels
und man erhalte kolloidale Cluster, die
jeweils von einer Ligandenhülle umgeben sind.
Citrat-Methode für Goldcluster
(Lit.: Turkevich, Moremans)
Man benötigt:
a) Lösung: HAuCl4 (5g Au in 1l H2O)
b) Lösung: Trisodium-Citrat (11,4 g in 1l H2O, gefi ltert)

Rezept:
2,5 ml von (a) in 240 ml H2O bidest. Bei 100°C; während
des Rührens so schnell wie möglich 7,5 ml von
(b) hinzugeben. Es entstehen Goldkolloide mit der
typischen Größe von ca. 15 nm Durchmesser.
Tanninemethode für Silbercluster
(Lit.: Garbowski)
Man benötigt:
a) Lösung: Ag-NO3 (0,1 normal)
b) Lösung: Tannine (1 g in 1l H2O)
c) Lösung: Na2CO3 (0,01 normal)
Rezept:
45 ml von (a) in 220 ml H2O bidest., 1 ml von (b)
hinzugeben, auf 80°C erhitzen, langsam 2 ml von (c),
abwarten und beobachten. Es entstehen Silberkolloide
mit einem Durchmesser von 6 nm.
Eine im Bereich Schule praktikable Charakterisierungsmethode
ist die lineare optische Spektroskopie
(Lichtrefl exion und -transmission, Extinktion). Der
überraschende Effekt ist jedoch schon mit dem bloßen
Auge zu erkennen!
Abb. 1: Edelmetallcluster in wässriger Lösung
(Abb.: Liz-Marzán)
Warum wird eine Silberkolloid-Lösung goldgelb und
die Goldkolloid-Lösung weinrot?
Nimmt man einen dünnen Silberfi lm zum Vergleich,
so verfügt dieser über ein relativ kontinuierliches
wellenlängenabhängiges Absorptionsspektrum bis in
den Bereich bei ca. 320 nm. Genau dort befi ndet sich
die Interbandabsorptionskante der freien Leitungselektronen,
welche für die Farbe von Silber (Kupfer
und Gold) verantwortlich ist.
Das optische Spektrum der Edelmetallkolloide ist
ebenfalls kontinuierlich im Bereich unterhalb der
Interbandkante. Die Interbandübergänge im Cluster
und Film sind sich sehr ähnlich.
Oberhalb von 320 nm – im Bereich der freien Leitungselektronen
– besteht jedoch ein deutlicher
Unterschied zum Silberfi lm. Eine Volumenplasmonresonanz
ist als relativ scharfer Peak zu erkennen. Das
einfallende elektrische Feld regt die freien Leitungselektronen
im Cluster zu einer Resonanz an (siehe
kleine Skizze in Abb. 2). Die unterschiedliche Anordnung
der Silberatome hat einen deutlichen Effekt auf
Lichstreuung, -absorption und -refl exion.
Im Fall des Silberfi lms befi nden sich die freien Leitungselektronen,
die für Silber eine wichtige Rolle im
sichtbaren Spektrum spielen, in einem „unendlich
dicken“ Silberfi lm. Streuungen an der Oberfl äche
können vernachlässigt werden. Im Fall des Silberclusters,
der bei der hier vorgestellten Herstellung aus
einigen 10.000 Atomen besteht, streuen die Leitungselektronen
an der im Verhältnis zum Volumen großen
Oberfl äche. Im sichtbaren optischen Spektrum
entsteht eine schmale Absorption und damit tritt der
überraschende Farbeffekt auf.
25

26
Wie werden aus Clustern makroskopische Filme?
Durch Koaleszenz! Koaleszenz heißt „Verschmelzung“
benachbarter Teilchen. Eine Koaleszenz zwischen
benachbarten Clustern bedeutet, dass diese durch
gemeinsame kohärente oder inkohärente Korngrenzen
miteinander verbunden sind. Es bildet sich
ein „Aggregatnetzwerk“ und darüber hinaus fi ndet
Perkolation statt, d. h. es bildet sich ein durchgängiger
Pfad von einem Ende der Probe bis zum anderen
Ende der Probe. Im Falle von Metallclusterkolloiden
führt deren elektrische Leitfähigkeit dazu, dass nun
die perkolierten Teile der Aggregate als neue, größere
Struktureinheiten an die Stelle der isolierten Cluster
treten. Die Erhaltung der elektrischen Ladung gilt
nun für diese größeren Baueinheiten, nicht mehr für
den einzelnen Cluster. Erhöht man die Zahl solcher
Korngrenzen, so wachsen die Koaleszenzaggregate
und man endet schließlich in einer kompakten
Schicht, die die besonderen optischen Eigenschaften
der Nanostruktur verloren hat. Der Übergang erfolgt
allmählich, und er lässt sich in den optischen Spektren
nachvollziehen.
Alle kleinen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen einigen 100
und 102 nm werden als Cluster oder synonym Nanopartikel oder
abgekürzt Nanos bezeichnet.
Abb. 2: Optisches Absorptionsspektrum
eines dünne Silberfi lms und
eines kugelförmigen Einzelclusters
aus Silber (Abb.: Kreibig)
Der Weg zum nanokristallinen und weiter zum polykristallinen
Material ist nun vorgezeichnet: Durch
die dichte Packung von Clustern mit Ausbildung von
vorwiegend inkohärenten Korngrenzen wird korngrenzenreiches
Material entweder in Form von Inselschichten
oder kompakt als nanokristallines oder
Nanophasen-Material erzeugt, das durch mechanischen
Druck kompakter wird. Durch Umkristallisation
können die einzelnen „Körner“, d. h. Kristallite,
wachsen und so in polykristallines Material übergehen.
(Abb.: Kreibig)
Viel Spaß beim Cluster-Kochen!!

Literatur:
J. Turkevich, P. C. Stevenson, J. Hillier:
Disc. Farad. Soc. 11, 55 (1951)
J. Turkevich, G. Garton, P. C. Stevenson:
J. Colloid Sci. 9, 26 (1954)
Moeremans in J. K. Koehler (ed.):
Advanced Techniques in Biological Elektron
Microskopy III (Springer, Berlin, Heidelberg, 1986)
Garbowski in B. Jirgensons, M. Straumanis:
A Short Textbook of Colloid Chemistry (Pergamon,
London 1954)
U. Kreibig, in IFF-Ferienkurs Physik der Nanostrukturen,
Schriften des Forschungszentrums Jülich:
Reihe Materie und Material; Band 1 (1998)
U. Kreibig, M. Vollmer:
Optical Properties of Metal Clusters, Springer series in
materials science (1995)
M. Liz-Marzán, Rev. Feat. in
Mat. Today, Elsevier, 26 – 31 (2004)
Abb. 3: Aufnahmen von Goldclustern mit einen Transmissionselektronenmikroskop (TEM) vor (links) und
nach (Mitte) Perkolation (Bildung eines durchgängigen, leitfähigen Pfades). Links: Der Übergang von
Koagulation (Teilchengrenzenwachstum) zu Koaleszenz („Verschmelzung“) in Goldcluster-Aggregaten.
TEM der durch Zwischenschichten isolierten Cluster in Koagulationsaggregaten. Mitte: TEM der teilweise
koaleszierten Nanos. Die Koagulations- und Koaleszenzstellen sind mit (1) und (2) gekennzeichnet. Rechts:
Optische Spektren der isolierten Nanos (oben), der koagulierten Nanos (2. und 3. Spektrum von oben) und
der teilkoaleszierten Cluster (beide untere Spektren). Durch Perkolation wird aus der einfachen Resonanz
(oben, s. auch Abb. 2) eine Doppelresonanz bzw. ein breites Absorptionsspektrum.
27

28
Nanotechnologie
Schlüsseltechnologie der Zukunft
Bernhard Hummel
An der RWTH Aachen existiert der im Jahre 2002
gegründete „NanoClub“, in dem sich Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler aus der Biochemie, der
Chemie, der Physik, der Elektrotechnik, der Medizin
und aus den Ingenieurwissenschaften mit derzeit
39 Arbeitsgruppen zusammengefunden haben. Er
hat sich die Aufgabe gestellt, die Vernetzung dieser
Disziplinen auf dem Gebiet der Nanowissenschaften
und der Nanotechnologie voranzutreiben. Neben der
Bündelung der weit gestreuten Kompetenzen in den
einzelnen Fakultäten soll der NanoClub eine effi ziente
Plattform für regionale Aktivitäten sowie auch auf
Landes-, Bundes- und Europaebene aufbauen. Die
Initiatoren des NanoClubs haben die Bedeutung der
Nanowelt als Motor der Wissensgesellschaft frühzeitig
erkannt, so dass das „Kleine“ „große“ Forschungsergebnisse
induzieren können wird ( siehe: RWTH
Themen, 1/2004, „Vielfalt des Nanokosmos“).
Eine derartige technologische und zukunftsträchtige
Entwicklung sollte auch an den Schulen nicht
vorbeigehen. Deshalb entstand die Idee, die Kompetenzen
z. B. der RWTH nutzbar zu machen. Erfahrungsgemäß
sind alle Hochschulinstitute der RWTH
offen für Besichtigungen mit Lerngruppen, für
Unterstützung durch Literatur und durch Dozenten,
die in den Schulunterricht kommen. Eine solche
Unterstützung wird man an jeder Universität und
Hochschule in Deutschland (und auch im Ausland)
fi nden können. Damit hat die Schule ideale Möglichkeiten,
die Institute mit ihren Forschungslaboren
als „außerschulische Lernorte“ zu nutzen, wobei der
einzigartige Vorteil gegenüber z. B. Technikmuseen
darin besteht, Einblicke und Wissen zu erwerben in
und über aktuellste und modernste Forschung vor
Ort. Darüber hinaus erfordert die Nanotechnologie
als Querschnittstechnologie und ebenso ihre unterrichtliche
Aufarbeitung ein hohes Maß an interdisziplinärer,
fächerverbindender Zusammenarbeit, wobei
Aspekte der Physik, der Chemie, der Biologie und der
Informatik zusammenkommen.
Hinsichtlich der unterrichtlichen Umsetzung bieten
sich folgende Möglichkeiten an. Will man z. B. eine
Institutsbesichtigung durchführen, so muss diese
Exkursion thematisch und inhaltlich vorbereitet werden.
Dazu besorgt man sich vom Institut Informationsmaterial
(Skripten, Veröffentlichungen, Fach- und
Schulbuch, o. Ä.) und bereitet dies so auf, dass es von
der Lerngruppe weitgehend selbstständig, z. B. in
Form des Stationenlernens oder des Gruppenpuzzles,
bearbeitet werden kann. Ergänzend dazu kann man
noch einen der Dozenten oder Forscher zu einem
Unterrichtsvortrag einladen, der das Grundlagenwissen
und Verständnis der Lerngruppe noch erweitert.
Begleitend dazu fi ndet man im Internet, und auch
dies kann von einzelnen Schülerinnen/Schülern
selbstständig geleistet werden, auf den entsprechenden
Websites der Institute weitergehendes Informationsmaterial,
das im Unterricht präsentiert werden
kann. So vorbereitet liefert der Institutsbesuch einen
großen Kompetenzzuwachs auf der Wissens- und

Verständnisebene und auch auf der affektiven Ebene.
Im Übrigen profi tieren alle, nicht nur Schülerinnen
und Schüler, von den Ergebnissen der Nanotechnik,
z. B. durch die zunehmende Miniaturisierung
(„Nanosierung“) im Bereich der Datenspeicherung im
PC oder im MP3-Player. Auch solche Einsichten und
Erkenntnisse lassen sich dabei vermitteln und damit
der zunehmenden Technikfeindlichkeit und Physikablehnung
etwas entgegenwirken. Einige weitere
Möglichkeiten der Lernorganisation zur Nanophysik
sind in der anhängenden Mind-Map 1 angeführt.
Einblicke in das „Reich der Zwerge“
Ein Nanometer ist bekanntlich der milliardste Teil
eines Meters (10-9 m = 0,000 000 001 m ). Ein Nanometer
ist somit zehnmal so groß wie ein Wasserstoffatom
und 50.000-mal kleiner als der Durchmesser
eines menschlichen Haares. Zur Veranschaulichung
kann der folgende Vergleich dienen: Ein Nanopartikel
ist im Verhältnis zu einem Fußball so groß wie der
Fußball im Vergleich zur Erde.
Die typische Längenskala der Nanotechnologie beginnt
unterhalb von 100 nm und umfasst somit den
Bereich zwischen einzelnen Atomen und Molekülen
oder Molekülgruppen. Doch Nanotechnologie bedeutet
weit mehr als das Vordringen in immer kleinere
Dimensionen. Im Nanobereich werden die Gesetzmäßigkeiten
der klassischen Physik aufgehoben.
Nanoobjekte haben neue Eigenschaften, die man bei
größeren Objekten nicht beobachtet. Im Nanobereich
gelten die Gesetze der Quantenphysik, die zwar auch
im makroskopischen Bereich gelten, dort aber nicht
ohne weiteres beobachtet werden können. Ziel der
Nanotechnologie ist es damit, die Ursachen der neuen
Effekte und Eigenschaften aufzuklären und dieses
Wissen in neuen Anwendungen und technischen
Entwicklungen umzusetzen. Aber warum überhaupt
so kleine Dimensionen? Eine Eigenschaft von Nanopartikeln
ist offensichtlich und von einfachen geometrischen
Gegebenheiten abhängig: Ein großer Teil der
Atome eines Nanopartikels befi ndet sich an seiner
Oberfl äche. Bei Nanopartikeln mit z. B. einem Durchmesser
von 1,4 nm, bestehend aus 55 Atomen, befi nden
sich mehr als 75 % der Atome an der Oberfl äche.
Diese Oberfl ächenatome sind chemisch äußerst
aktiv, weshalb ungeschützte Nanopartikel vehement
zueinander streben und aggregieren. Abhilfe kann
eine Hülle aus schützenden organischen Molekülen
(Ligandhülle) schaffen. Die Entwicklung nanotechnologischer
Anwendungen setzt auch geeignete Analysemethoden
voraus, da die Nanoobjekte kleiner sind
als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Deshalb können
herkömmliche Lichtmikroskope nicht verwendet
werden. Zu den heute wichtigsten Analysegeräten für
den Nanobereich zählen die Elektronenmikroskope
und die Rastersondengeräte wie das Rastertunnelmikroskop
und das Rasterkraftmikroskop. Mit diesen
beiden letztgenannten Mikroskopen lassen sich auch
gezielte Manipulationen auf atomarer Ebene vornehmen.
Es können sogar einzelne Atome damit „angefasst“,
transportiert und zu künstlichen und künstlerischen
Strukturen zusammengebaut werden. So hat
man einzelne Manganatome bei tiefen Temperaturen
auf einer Metalloberfl äche zum Logo der RWTH
Aachen angeordnet, wie auf der Abbildung zu sehen
ist (RWTH Themen, 1/2004, „Vielfalt des Nanokosmos“,
Dr. M. Franke).
29

30
Ja, es scheint unglaublich, aber das, was man als
Kügelchen auf der Abbildung sieht, sind tatsächlich
einzelne Atome! Allerdings sieht man diese Atome
nicht direkt, sondern es sind die Stellen auf der
Metalloberfl äche, an denen das Rastertunnelmikroskop
registriert hat, dass dort einzelne Atome erhöht
auf der Metalluntergrundfl äche sitzen. Der Computer
berechnet daraus das gezeigte Bild. Aber der
Sehvorgang mit unseren Augen im sichtbaren Licht
funktioniert im Prinzip genauso: Das Licht fällt durch
die Hornhaut und die Augenlinse in den Augapfel
und trifft am gegenüberliegenden Ende des Auges
auf die Netzhaut. Dort befi nden sich die „Sehzellen“,
die so genannten Stäbchen und Zäpfchen, die bei
Lichteinfall elektrische Signale an das Gehirn senden.
Erst im Gehirn wird daraus das Bild, das wir sehen. Im
Übrigen ist es interessant, dass auf der Netzhaut ein
kopfstehendes und seitenverkehrtes Bild entsteht,
das bei der Umrechnung im Gehirn wieder aufrecht
gestellt und seitenrichtig wiedergegeben wird. Wenn
man sich dieser Tatsachen bewusst ist, fällt es leicht,
vom PC berechnete Bilder aus elektrischen Signalen
der Mikroskopsonden als physikalisch „wahre“ Bilder
zu akzeptieren, denn häufi g wird argumentiert, dies
seien keine „echten“ Bilder.
Damit besitzt die Nanotechnologie als Schlüsseltechnologie
das Potenzial, im 21. Jahrhundert weitreichende
Veränderungen in Technik, Wirtschaft und
Gesellschaft zu erzielen.
Im Folgenden wird an einem Beispiel der RWTH
Aachen der aktuelle Stand der Nanoforschung
beschrieben. Dieses Beispiel ist durchaus in den
Klassenstufen 9 und 10 der Sekundarstufe I und
ebenfalls natürlich auch in der Sekundarstufe II behandelbar.
Der Zeitumfang und die Intensität können
vom einzelnen Lehrer nach seinen eigenen Entschei-
dungen und Bedürfnissen festgelegt werden.
Beispiel aus dem I. Physikalischen Institut
(Prof. Dr. Wuttig) der RWTH Aachen:
Thermosensitive Nanostrukturen und Nanohalbleiter
als universelle Datenspeicher
(Die im Text auftretenden Fachbegriffe, die durch die
Lerngruppe selbstständig mit Hilfe der weiter oben
genannten Hilfsmittel erarbeitet werden können,
sind mit einem Fragezeichen (?) unmittelbar hinter
dem Begriff versehen. Im Anhang fi ndet man zu
diesem Beispiel die Mind-Map 2, die die notwendigen
Sachgebiete aufl istet.)
Moderne Datenspeicher(?) (DVD, Festplatte) erreichen
heutzutage in Sekundenbruchteilen Transferraten(?)
von Millionen von Bits(?). Dabei sind die
Transferrate und die Speicherdichte(?) die beiden
entscheidenden Eigenschaften eines Datenspeichers.
In naher Zukunft erwartet man, dass die Information
von einem Bit einen Platz von etwa 30 nm erreicht
und in weniger als einer Nanosekunde geschrieben
werden kann. Die relevanten Längen- , Zeit- und
Analyseverfahren liegen also im Nanobereich. Zurzeit
wird intensiv nach Datenspeichern gesucht, die alle
positiven Attribute (hohe Speicherdichte, geringer
Stromverbrauch, niedrige Kosten) in sich vereinen.
Auch im I. Physikalischen Institut der RWTH forscht
man daran, wobei man sich mit den in den letzten
Jahren in den Blickpunkt gerückten „Phasenwechselmedien“
beschäftigt. Das besondere Prinzip beruht
dabei auf einer thermisch hervorgerufenen, reversiblen(?)
Phasenumwandlung(?) von einer geordneten
kristallinen(?) Struktur in eine ungeordnete, „amorphe“(?)
Phase. Ausgehend vom kristallinen Zustand
wird zum Schreiben einer Dateneinheit (Bit) ein
winziger Punkt vom Durchmesser einiger hundert

Nanometer des Phasenwechselmediums kurzfristig
(Dauer < 1 ns ) über den Schmelzpunkt erhitzt
und damit verfl üssigt. Beim raschen Abkühlen mit
Raten von 1010 Grad Celsius pro Sekunde bleibt den
Atomen nicht genügend Zeit, sich zur energetisch
günstigeren kristallinen Phase zu ordnen. Die Atome
„frieren“ in einer fl üssigkeitsähnlichen, amorphen
Phase ein. Erhitzt man den Bereich nun mit geringerer
Wärmeleistung(?) aber für längere Zeit über die
Kristallisationstemperatur(?), so ordnen sich die Atome
zum kristallinen Zustand zurück und der Dateninhalt
wird zurückgesetzt. Dabei kann die Erhitzung
durch Laserimpulse(?) (wie bei CD-RW und DVD-RW)
oder durch elektrischen Strom(?) erfolgen (wie bei
den Computer-RAMs).
Man erkennt links den amorphen Zustand mit unregelmäßiger
Atomanordnung, der durch geringere
Energiezufuhr (I: Intensität(?)) über einen erforderlichen
Zeitraum (Dauer > 10 ns) erwärmt wird und deshalb
dann in den kristallinen Zustand mit regelmäßiger
Atomanordnung (rechts) übergeht. Kurzfristige
Energiezufuhr hoher Energie(?) und anschließende
schnelle Abkühlung bringt diesen Zustand wieder
in die amorphe Phase. Das Auslesen der Information
(amorph oder kristallin) erfolgt durch optische Refl exion(?)
des beleuchtenden Laserstrahls und dessen
Auswertung. Dabei liegt das Refl exionsverhalten der
amorphen Phase deutlich unter dem der kristallinen
Phase. Man sucht nun nach geeigneten Materialien,
die die geforderten Eigenschaften besitzen. Geeignete
Phasenwechselmaterialien bestehen aus zwei- bis
vierelementigen Tellurlegierungen(?) mit Edelmetallen(?)
oder Elementen der 3. bis 5. Hauptgruppe, wie
die viel versprechenden Materialien AgSbTe2 oder
AgInTe2. Diese Legierungen bieten den erforderlichen
Refl exionsunterschied zwischen den beiden Phasen.
Dabei fand man heraus, dass Materialien mit hohem
Dichteunterschied(?) zwischen den beiden Phasen
auch diejenigen mit dem erforderlichen Refl exionsunterschied
sind. Diese Materialien haben im Inneren
eine Atomanordnung, bei der jedes Atom 6 nächste
Nachbaratome hat, oder eine kochsalzähnliche(?)
Struktur besitzen. In diesen Atomgittern(?) sind die
Atome besonders dicht gepackt(?). Damit ist es bisher
also gelungen, die Eigenschaften der Phasenwechselmedien
auf die Strukturunterschiede (amorph oder
kristallin) und auf die chemische Zusammensetzung
und damit die Atomgitteranordnung zurückzuführen.
Man erhofft weiterhin, Designregeln(?) zu
entwickeln, damit die Wechselphasenmaterialien
zukünftig neben dem rein wissenschaftlichen Aspekt
auch technologisch und wirtschaftlich zu großer
Bedeutung für die Datenspeicherung und Datenauslese
werden.
Mind-Map 1
Mind-Map 2
31

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Eine einatomige Nadelspitze
rastert beim RTM die Atomwelt
Stadion aus 76 Eisenatomen
Abperlende Farbe am Lotosblatt
NANO-Igel: Stachelige Flüssigkeit
(Ferrofl uid an Magnetspule)
„Mannometer: Nanometer!“
Die Lernstation zur Nanotechnologie im Deutschen Museum Bonn
Auf eine Expedition in die Welt des Nanokosmos schickt das Deutsche Museum
Bonn Schülerinnen und Schüler ab der 8. Klasse. Bei „Mannometer: Nanometer!“
laden vier interaktive Lernstationen mit Exponaten, Versuchsaufbauten
und Computern zum Experimentieren rund um die Nanotechnologie ein.
Vom Makro- über den Mikrokosmos geht es hinein in den Nanokosmos. Mit
Hilfe von Simulationen und Modellen kann das Rastertunnelmikroskop als
das Werkzeug der Nanotechnologie begriffen werden. Nicht nur Fußballfans
werden verblüfft sein, dass mit der Nanotechnologie Atome wie das berühmte
runde Leder „gekickt“ werden können. Neben solchen faszinierenden Effekten
geht es in der Lernstation aber vor allem um praktische Anwendungsfelder
der Nanotechnologie: etwa einer als Nano-Igel bezeichneten magnetischen
Flüssigkeit zur Zerstörung von Hirntumoren durch Erwärmung; die zunehmende
Miniaturisierung am Beispiel einer schluckbaren Kamera-Kapsel, die
Bilder aus dem Inneren des Körpers liefert oder eine großfl ächige Anwendung
des Lotus-Effects® bei Hausfassaden und Autoblechen. Der außerschulische
Lernort „Deutsches Museum Bonn“ bietet eine interaktive und erlebnisreiche
Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten der Nanotechnologie.
Eine spezielle NanoTour zu technischen und naturwissenschaftlichen Meisterleistungen
im Deutschen Museum Bonn zeigt, was die Nanoforschung mit
Physik, Chemie und Biologie verbindet – und bietet somit eine ideale Anbindung
und Erweiterung des Unterrichts.
Die Lernstationen wurden gemeinsam mit Pädagogen des Vereins „Nanotechnologie
und Schule e. V.“ mit Unterstützung der Bezirksregierung Köln
konzipiert. Die wissenschaftliche Beratung hat Professor Dr. Wolfgang M. Heckl
übernommen, Mitglied im Center for NanoScience der LMU München und
Generaldirektor des Deutschen Museums.

„Mannometer: Nanometer!“
Die Lernstation zur Nanotechnologie
im Deutschen Museum Bonn
Neugierig geworden? Möchten Sie etwa
wissen, weshalb Gerd Binnig Atome mit
Kartoffeln verglichen hat, ein Magnet
fl üssige Stacheln zaubert oder trotz
Schmutz und Dreck kein Fleck entsteht?
Dann schauen Sie unter www.mannometer-nanometer.de
ins Internet und
informieren sich dort. Vertiefendes Material
zur Vorbereitung auf einen Besuch
gibt es mit einem Passwort, das Ihnen
nach verbindlicher Anmeldung mitgeteilt
wird.
Eintrittspreise
Schulklassen, je Schüler: 1,50 Euro
Nutzungsgebühr: 40 Euro
Die Gruppengröße liegt bei circa
20 Personen
Öffnungszeiten
Di – So 10 – 18 Uhr (auch Oster- und
Pfi ngstmontag)
Geschlossen: Weiberfastnacht,
Karnevalsdienstag, Karfreitag, 1. Mai,
24., 25. und 31. Dezember
Barrierefreier Zugang zum Museum ist
nach Anmeldung möglich
Das Projekt wird von vielen Partnern unterstützt.
Hauptsponsor ist die Degussa
Stiftung, Düsseldorf
Deutsches Museum Bonn
im Wissenschaftszentrum
Ahrstraße 45, D-53175 Bonn
Telefon 0228 - 302 -255
Telefax 0228 - 302 -254
E-Mail: info@deutsches-museum-bonn.de
www.deutsches-museum-bonn.de
33

34
Im Forschungszentrum Jülich können Sie den Wissenschaftlern
bei ihrer Arbeit direkt über die Schulter
schauen. Dabei bekommen Sie auf Ihre Fragen
kompetente Antworten aus erster Hand. In Jülich
arbeiten 4300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
– darunter etwa 1000 Wissenschaftler, 400 Doktoranden,
250 Diplomanden und 300 Auszubildende.
Den Forschern über
die Schulter sehen ...
Die multidisziplinäre Ausrichtung des Zentrums mit
einem breiten Spektrum von Forschungsthemen und
Ausbildungsberufen bietet die Chance, bei Ihrem Besuch
auch unterschiedliche Themengebiete kennen
zu lernen.
Das Forschungsprogramm ordnet sich unter fünf
Schwerpunkte: „Materie“, „Energie“, „Information“,
„Leben“ sowie „Umwelt“.
Ziel dieser Schwerpunkte ist es,
•den Aufbau und die Eigenschaften unserer Materie
zu verstehen und mit diesem Wissen Materialien
für viele Bereiche der Technik zur Verfügung zu
stellen;
•Optionen für eine langfristige und umweltfreundliche
Energieversorgung der ständig wachsenden
Weltbevölkerung zu entwickeln;
•neue Entwicklungen in der Informationstechnik
zu realisieren. Zu diesem Bereich gehört auch das
Kompetenzzentrum „Nanoelektronik“ mit seinen
modernen Technologien der Halbleiter- und Biophysik
sowie die Sensorik;
•das Wissen um die biologischen Vorgänge im
menschlichen Körper – insbesondere im Gehirn
– auf physikalischer und molekularer Ebene zu
erweitern;
•die Chemie und Physik der Umwelt zu erforschen
sowie Bedrohungen für die Umwelt zu erkennen
und abzuwenden.

Wir bieten interessierten Gruppen eine
Besichtigung unserer Institute an. Während
des Besuchs werden Sie von einem sachkundigen
Mitarbeiter des Forschungszentrums
betreut. Im Rahmen einer Rundfahrt sehen
Sie auch das etwa 2 qkm große Gelände des
Forschungszentrums. Danach folgen die Besichtigungen.
Dort lernen Sie die Arbeitsplätze,
Forschungsziele und Methoden der jeweiligen
Gruppe kennen.
Interessenten ...
... für ein kostenloses Besichtigungsprogramm
werden um einen ersten Kontakt und danach
um eine schriftliche Anmeldung gebeten. Wir
informieren Sie über mögliche Termine und
die notwendigen Formalitäten:
Forschungszentrum Jülich
Öffentlichkeitsarbeit
Gerda Müsgen
52425 Jülich
Tel.: 02461 - 61 -4662
Fax: 02461 - 61 -8262
Ganz neu: Das Ju-Lab!
Bereits seit vielen Jahren bietet das Forschungszentrum
Jülich Aktivitäten für Schülerinnen
und Schüler an. Dieses Angebot wird
jetzt wesentlich erweitert.
Ab April 2005 wird es auf dem Campus des
Forschungszentrums Jülich ein neues Labor
für Schüler und Lehrer geben: Das Schülerlabor
„Ju-Lab“!
Im Schülerlabor wollen wir spannenden Fragen
nachgehen:
„Was hält die Welt im Innersten zusammen?“
„Wozu Teilchen beschleunigen?“
„Gutes Ozon, schlechtes Ozon.“
„Wirbelstrom bremst Straßenbahn!“
„Wie empfi ndlich ist die Mimose?“
Weitere Infos und Anmeldung unter:
www.julab.de
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Impressum
Herausgeber
Arbeitgeberverband Gesamtmetall – THINK ING.
Wolfgang Gollub (verantwortlich)
Voßstraße 16, 10117 Berlin
Nanotechnologie und Schule e. V.
Vorsitzender: Dr. Wolfgang Welz
Am Schänzchen 25, 53111 Bonn
Redaktion
Dr. Wolfgang Welz (S. 2)
Vorsitzender des Vereins „Nanotechnologie und Schule e. V.“
Dezernent der Oberen Schulaufsicht in NRW
Prof. Dr. Manfred Euler (S. 8)
IPN, Universität Kiel
Dr. Ruth Schellberg (S. 12, S. 32)
Deutsches Museum Bonn
Dr. Ralf Ricken (S. 4)
Hardtberg-Gymnasium, Bonn
Detlef Werner (S. 19)
Siebengebirgsgymnasium, Bad Honnef
Dr. Almuth Hilger (S. 24)
Studienseminar für Lehrämter an Schulen, Aachen
Bernhard Hummel (S. 28)
Fachleiter für Physik, Studienseminar für Lehrämter an Schulen, Aachen
CNI – Center of Nanoelectronic for Information Systems
Forschungszentrum Jülich (S. 34)
Konzept, Redaktion, Illustrationen,
digitale Realisation, Produktion
MIC GmbH
Aachener Straße 1, 50674 Köln
www.mic-net.de, www.hotpiranja.de
Druck und Verarbeitung
Mohn Media, Mohndruck GmbH
33311 Gütersloh
Verlag
Aulis Verlag Deubner GmbH & Co. KG, 50672 Köln
ISBN 3-7611-2587-2
Bestellungen
www.nano-ev.de, www.mic-net.de
micgmbh@netcologne.de
1. Auflage 2005, 80.000 Exemplare
© Arbeitgeberverband Gesamtmetall – THINK ING.
Förderer
AULIS VERLAG
DEUBNER