Faszination Nanowelten Faszination Nanowelten
Faszination Nanowelten Faszination Nanowelten
Faszination Nanowelten Faszination Nanowelten
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
<strong>Faszination</strong><br />
<strong>Nanowelten</strong><br />
Tipps für den Unterricht
Der Begriff Nanotechnologie beschreibt ein noch<br />
sehr junges Forschungs- und Anwendungsfeld,<br />
in dem zwar schon erste Produkte vorliegen, der<br />
eigentliche Durchbruch durch interdisziplinäre<br />
Entwicklungen aber in den kommenden Jahren<br />
erwartet wird.<br />
Nanotechnologie ist eine Querschnittsdisziplin und<br />
ein Sammelbegriff für eine weite Palette von Technologien,<br />
die sich mit Strukturen und Prozessen auf<br />
der Nanometerskala befassen. Eine allgemein anerkannte<br />
Defi nition der Nanotechnologie existiert<br />
noch nicht. Man kann aber pragmatisch Folgendes<br />
sagen:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Nanotechnologie befasst sich mit Strukturen,<br />
die in mindestens einer Dimension kleiner als<br />
100 nm sind.<br />
Nanotechnologie macht sich charakteristische<br />
Effekte und Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich<br />
zwischen atomarer und mesosko-<br />
pischer Ebene auftreten.<br />
„There’s plenty of room at the bottom“<br />
Nobelpreisträger Richard Feynman<br />
Was ist Nanotechnologie?<br />
Dr. Wolfgang Welz<br />
Nanotechnologie bezeichnet die gezielte<br />
Herstellung und/oder Manipulation einzelner<br />
Nanostrukturen.<br />
Die besonderen Eigenschaften des Materials mit<br />
enorm breitem Anwendungsspektrum erwachsen<br />
aus zwei Ursachen: den riesigen Oberfl ächen und<br />
den Effekten der Quantenphysik. Auf der Ebene von<br />
Atomen und Molekülen existieren die uns makroskopisch<br />
vertrauten physikalischen Eigenschaften<br />
wie Leitfähigkeit, Stärke, Reaktivität oder Schmelzpunkt<br />
noch nicht, sie entstehen und ändern sich<br />
substanziell mit der Größe des Ensembles.<br />
Der Oberfl ächeneffekt ist leicht zu verstehen: Ein<br />
Würfel beispielsweise aus 10 einfachen Molekülen<br />
Kantenlänge, das entspricht etwa 10 nm, besteht<br />
aus insgesamt 1000 Molekülen. Fast die Hälfte<br />
davon (49 %) befi nden sich an der Oberfl äche und<br />
können mit ihrer Umgebung reagieren. Ein Würfel<br />
aus den gleichen Molekülen mit einer Kantenlänge<br />
von 1 Mikrometer (immer noch 50-mal kleiner als<br />
der Durchmesser des menschlichen Haares) besteht<br />
aus 1 Milliarde Molekülen. Davon befi nden sich<br />
knapp 0,6 % an der Oberfl äche, fast alle sitzen im<br />
Inneren des Würfels. Es tritt also nur ein winziger<br />
Bruchteil der Gesamtzahl der Moleküle in direkten<br />
Kontakt mit der Umgebung.<br />
Die in der Nanodimension wirkenden Effekte<br />
der Quantenmechanik sind nicht so anschaulich<br />
zugänglich. Elektronen beispielsweise, die sich in<br />
Festkörpern nahezu ungehindert im gesamten<br />
Volumen bewegen können, werden durch die<br />
engen Dimensionen von Nanoobjekten in ihrer<br />
Bewegungsfreiheit stark eingeschränkt. Nähert<br />
sich dieser Bewegungsraum einem kritischen<br />
Wert, der DeBroglie-Wellenlänge, werden die Elektronen<br />
in diskrete Zustände gezwungen. Nanopartikel<br />
ändern dann ihre Farbe in Abhängigkeit<br />
von ihrer Größe. Oder: Mit Hilfe von so genannten<br />
Quantenpunkten können Laser konstruiert werden,<br />
deren Wellenlänge („Farbe“) durch die Größe<br />
der Quantenpunkte einstellbar ist.<br />
Der entscheidende Durchbruch zur Nanotechnologie<br />
geschah in den 80-er Jahren mit der Entdeckung<br />
des Rastertunnelmikroskops, für die Binnig<br />
und Rohrer 1986 den Nobelpreis erhielten. Mit<br />
diesem Mikroskop gelang es erstmals, atomare<br />
Strukturen sichtbar zu machen. Inzwischen sind<br />
Varianten des Rastertunnelmikroskops entwickelt<br />
worden, mit denen man einzelne Atome sogar<br />
„anfassen“ und zu künstlichen Strukturen zusammenbauen<br />
kann.<br />
Die Nanotechnologie will die Prinzipien, die zur<br />
Ausbildung neuartiger Eigenschaften führen,<br />
verstehen und dieses Wissen in technischen<br />
Systemen umsetzen. Das besondere Potenzial der<br />
Nanotechnologie liegt in der Kombination eines<br />
Top-down-Ansatzes (fortschreitende Miniaturisierung)<br />
mit einem Bottom-up-Ansatz. Atome und<br />
Moleküle kontrolliert zu manipulieren, funktionale<br />
Nanostrukturen Atom für Atom aufzubauen<br />
und daraus Materialien und Bauteile mit bislang<br />
unbekannten Eigenschaften zu erzeugen, ist<br />
dabei das entscheidend Neue.
Liebe Kollegin,<br />
lieber Kollege,<br />
in der bildungspolitischen Diskussion besteht kein<br />
Zweifel an der dringenden Notwendigkeit, die<br />
mathematisch-naturwissenschaftlich-technische<br />
Bildung zu verbessern. Anlass zur Sorge über die<br />
Scientifi c Literacy unserer Jugend bereiten im<br />
Wesentlichen die Ergebnisse der internationalen<br />
Studien TIMSS und PISA.<br />
Andererseits kann man auch hören und lesen, dass<br />
die deutsche Forschung und Technologie derzeit in<br />
einzelnen Hightech-Bereichen international eine<br />
Spitzenposition inne hat.<br />
Dieser scheinbare Widerspruch löst sich, wenn man<br />
bedenkt, dass erstens die Zahl der nachwachsenden<br />
naturwissenschaftlich gut Gebildeten zum Erhalt<br />
einer solchen Position eher zu- als abnehmen muss,<br />
und zweitens – wenn nicht wichtiger – nur eine gleichermaßen<br />
in seiner Bildung mitwachsende Allgemeinheit<br />
unsere moderne Gesellschaft demokratisch<br />
tragen und entwickeln kann.<br />
„Nanotechnology isn’t just ‚small‘ it’s the ultimate frontier.<br />
Now we‘re beginning to be able to play this game the way that<br />
previously only Mother Nature played it.“<br />
Richard Errett Smalley, Rice University,<br />
Nobelpreis für Chemie 1996 (Fullerene)<br />
<strong>Faszination</strong> Nanotechnologie<br />
Ein Angebot für aktuellen interdisziplinären naturwissenschaftlichen Unterricht<br />
Dr. Wolfgang Welz<br />
Wir Lehrkräfte begegnen diesem Bildungsauftrag in<br />
aller Regel durch Unterricht, und zwar in Schulen.<br />
„Schüler sind nicht dumm, Lehrer sind nicht faul und<br />
unsere Schulen nicht kaputt“, behauptet – unserer<br />
Erfahrung nach sicher zu Recht – Manfred Spitzer<br />
in seinem Buch „Lernen“. Woran es dennoch hapert,<br />
analysiert beispielsweise sehr eingehend die Bund-<br />
Länder-Kommission für Innovationen im Bildungswesen.<br />
In der so genannten Baumert-Expertise:<br />
„Steigerung der Effi zienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen<br />
Unterrichts“ ( November 1997)<br />
werden die Problemzonen des mathematisch-naturwissenschaftlichen<br />
Unterrichts in Deutschland beschrieben<br />
und Module zur Überwindung vorgeschlagen.<br />
Viele lokale und überregionale Initiativen sind<br />
daraufhin entstanden (SINUS, SINUS-Transfer, PIKO).<br />
Mit dem Projekt „Nanotechnologie und Schule“ greift<br />
eine Gruppe von Lehrkräften naturwissenschaftlicher<br />
Fächer ein Netz von didaktisch-methodischen<br />
Problemen auf. Der Grund für die Wahl eines interdisziplinären<br />
Themas als kontextlicher Klammer für das<br />
pädagogische Handeln erschließt sich aus nachfolgenden<br />
Überlegungen.
4<br />
Warum das Thema Nanotechnologie?<br />
Fächer bilden in der Schule jenen thematischen<br />
Rahmen des Lernens, der Voraussetzung für Sequenzierung,<br />
Kumulativität und letztlich auch Bewertung<br />
von Lernfortschritten ist. Fächer sind der professionelle<br />
Rahmen des Lehrerhandelns. Sie haben sich in<br />
dieser Funktion bewährt. Sie bilden jedoch keinen<br />
festen Kanon mehr, in dem sich eine geschlossene<br />
Bildungsidee abbildet. Sie stehen exemplarisch für<br />
unterschiedliche, nicht austauschbare Wege der<br />
Weltbegegnung und der sinnstiftenden Ordnung<br />
von Erfahrungen.<br />
Trotz ihrer inhaltlichen Besonderheiten teilen die<br />
Fächer Biologie, Chemie, Physik, Mathematik und<br />
Technik eine Reihe von Gemeinsamkeiten. Diese<br />
werden dann deutlich, wenn explizit auf Wissen aus<br />
Makro<br />
mm<br />
Mikro<br />
µm<br />
Nano<br />
nm<br />
Festkörperphysik/Technologie<br />
Biologie<br />
Chemie<br />
Abbildung 1: Zeitliche Entwicklung der beherrschbaren<br />
Dimensionen<br />
dem anderen Fach zurückgegriffen wird, wenn interdisziplinäre<br />
Schnittstellen behandelt und bestimmte<br />
Phänomene oder Probleme aus der Sicht verschiedener<br />
Fächer betrachtet und damit mehrperspektivisch<br />
erschlossen werden. Horizontale Verknüpfungen<br />
zwischen Inhalten, Fragestellungen und Verfahren<br />
der mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen<br />
Fächer können genutzt werden, um komplexe<br />
Probleme zu bearbeiten und die wechselseitige<br />
Bezogenheit der naturwissenschaftlichen Fächer und<br />
ihre Grenzen sichtbar zu machen. Sie haben auch<br />
die Funktion, Wissen vielfältig zu vernetzen, neue<br />
Anwendungskontexte bereitzustellen und Konzepte<br />
und Modellvorstellungen fl exibel werden zu lassen.<br />
Daraus folgt ein neuer Typ von Unterricht: ein „fachübergreifender<br />
Fachunterricht“.<br />
Nanotechnologie<br />
Disziplinen verschmelzen<br />
Nanostrukturen<br />
Nanotechnologie<br />
2000 2020
Betrachtet man in einer groben Gliederung die zeitliche<br />
Entwicklung der beherrschten Größenordnungen<br />
in den drei Disziplinen Biologie, Chemie, Physik<br />
(S. 4, Abb. 1), so erkennt man drei verschiedene Strategien.<br />
• Top-down: Durch fortschreitende Miniaturisierung<br />
gelingt es immer komplexere und kleinere Strukturen<br />
(beispielsweise in der Mikroelektronik) zu<br />
entwickeln.<br />
• Bottom-up: Mit gezieltem Aufbau hochmolekularer,<br />
funktionaler chemischer Verbindungen werden<br />
in der Schichttechnologie (Lotoseffekt), Sensorik,<br />
Membrantechnik oder der Katalyse große Fortschritte<br />
erzielt.<br />
• Selbstorganisation: Hier wird versucht, die in der<br />
Natur vorfi ndbaren Strukturen und Abläufe, wie<br />
z. B. die Photosynthese, nutzbar zu machen und auf<br />
technische Systeme zu übertragen. Diese biologisch-technischen<br />
Hybridsysteme könnten vor<br />
allem in der Humanbiologie zum Einsatz kommen<br />
(Bsp.: künstliche Retina).<br />
In der „Nanometerwelt“, dem Bereich von 1 bis 100<br />
Nanometer, treffen sich die Fachbereiche zu einem<br />
interdisziplinären Zusammenspiel, ohne das Forschungsarbeit<br />
hier nicht mehr gelingen kann.<br />
Als interdisziplinärer Treffpunkt, nicht nur für<br />
Physiker, Chemiker, Biologen und Ingenieure, ist die<br />
Nanotechnologie auch ein starkes, weil lebenswirkliches<br />
Motiv für eine überfachliche Zusammenarbeit<br />
in Schulen. Das zweckgerichtete und reproduzierbare<br />
Eindringen in physikalische Welten, deren Dimensionen<br />
und Gesetzmäßigkeiten sich unserer unmittelbaren<br />
Anschauung entziehen, erfordert eine geistige<br />
Bewältigung unter Beteiligung aller Disziplinen, nicht<br />
nur der naturwissenschaftlichen.<br />
Die Nanotechnologie ist mit seinem grundsätzlich<br />
interdisziplinärem Charakter eine genuine Plattform<br />
für „fachübergreifenden Fachunterricht“.<br />
Ganz „nebenbei“ bietet das Thema weitere wichtige<br />
didaktische Vorzüge:<br />
Aktualität, Zukunftsweisung und Öffentlichkeitswirksamkeit<br />
der Nanotechnologie sind starke Motive<br />
für einen zeitgemäßen naturwissenschaftlichen<br />
Unterricht. Die Forschung ist auf dem Weg, den<br />
Nanokosmos für Innovationen unseres Jahrhunderts<br />
zu erschließen und zu nutzen. Wegen ihrer bedeutsamen<br />
Einfl üsse und Auswirkungen auf die wirtschaftlich-technologische<br />
und damit sozialpolitische<br />
und kulturelle Entwicklung unserer Gesellschaft ist<br />
sie ein gewichtiges Element naturwissenschaftlicher<br />
Allgemeinbildung.<br />
Die Nanotechnologie und die Informationstechnologie<br />
bedingen und befruchten sich gegenseitig.<br />
Zugang zur Nanowelt, Darstellung und Manipulation<br />
ihrer Objekte sind ohne Nutzung moderner Medien<br />
nicht denkbar. Das Thema fördert zwangsläufi g eine<br />
problemgerechte Einbindung moderner Medien im<br />
mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht.<br />
Die Schau in die Nanowelt wirft erneut erkenntnistheoretische<br />
Fragen auf, wie sie zu Anfang des 20.<br />
Jahrhunderts mit der Entdeckung der Quantentheorie<br />
die wissenschaftliche Welt herausforderten. Mit<br />
der stetigen Verkleinerung eines Maßstabs werden<br />
nicht nur Gültigkeitsgrenzen von physikalischen<br />
Gesetzen überschritten. Auch das, was dort eigentlich<br />
ist, entzieht sich gewohnter Vorstellung. Die „Abbildungen“<br />
eines Rastertunnelmikroskops von der<br />
Nanowelt sind ein suggestives Konstrukt von häufi g<br />
ästhetischem Reiz. Wissenschaft erhält damit – wie<br />
5
6<br />
die Kunst – produktiven Charakter, indem sie Welten<br />
und Weltbilder erzeugt. Die gern übersehene Problematik<br />
des erkenntnisleitenden oder erkenntnishemmenden<br />
Leitmotivs „Schönheit“ in der physikalischen<br />
Theorie zwingt sich auf.<br />
Ein längst überfälliger Dialog mit der Kunst („Kunst<br />
und Wissenschaft“) steht an.<br />
Die Multiperspektivität des interdisziplinären<br />
Themenfeldes entspricht den Forderungen aktueller<br />
Lernforschung: die Konstruktion von Lernlandschaften,<br />
die eine Vielfalt an Zugangsmöglichkeiten für<br />
eine Vielfalt an Intelligenzen, Lernerfahrungen und<br />
Vorlieben bieten.<br />
Und nicht zuletzt: Forschung, Industrie und Wirtschaft<br />
öffnen sich zunehmend für eine Zusammenarbeit<br />
mit dem Schulsystem. Das ist nicht nur<br />
wegen der begrenzten Ressourcen der öffentlichen<br />
Hand hilfreich. Gerade die Nanotechnologie bietet<br />
im Kontext ihrer hohen Aktualität und Bedeutung<br />
einen fruchtbaren Boden für die Bundesinitiative<br />
Wissenschaft im Dialog. Es ist eine große Chance, die<br />
Vernetzungsbereitschaft von Industrie, Forschung,<br />
Bildungsadministration und Schulen zur Verbesserung<br />
der Unterrichtskultur zu nutzen.<br />
Neue Wege und neues Material für Schüler und<br />
Lehrkräfte<br />
Mit Unterstützung der Initiative THINK ING. hat sich<br />
eine Gruppe von Lehrkräften verschiedener naturwissenschaftlicher<br />
Fächer im Mai 2003 zu einem Verein<br />
„Nanotechnologie und Schule e. V.“ zusammengeschlossen,<br />
um das schwierige Themenfeld didaktisch<br />
und methodisch aufzubereiten.<br />
Die Pädagogen wollen in Zusammenarbeit mit Wirtschaft,<br />
Industrie, Forschung und außerschulischen<br />
Bildungsinstitutionen die Aus- und Fortbildung von<br />
Lehrkräften unterstützen und organisieren sowie<br />
Lernmaterialien, Experimentier- und Lernstationen<br />
zur Gestaltung und Fortentwicklung naturwissenschaftlich-technischen<br />
Unterrichts fördern und<br />
entwickeln.<br />
Als erstes umfangreiches Projekt hat der Verein<br />
„Nanotechnologie und Schule e. V.“ zusammen mit<br />
dem Deutschen Museum Bonn eine Lernstation zur<br />
Nanotechnologie eingerichtet. Diese Lernstation<br />
bildet eine Keimzelle für die Entwicklung, Erprobung<br />
und Diskussion neuerer Methoden und Materialien.<br />
Als außerschulisches Angebot fi ndet sie wachsendes<br />
Interesse bei Lehrkräften und Schülerinnen und<br />
Schülern. (Siehe hierzu auch den eigenen Bericht in<br />
diesem Heft.)<br />
Mit größeren Symposien, wie der Impulsveranstaltung<br />
„<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“ im April 2004, oder<br />
mit Schülerakademien, wie der im Oktober 2004 im<br />
Deutschen Museum Bonn gestalteten „Expedition in<br />
die <strong>Nanowelten</strong>“, sollen den Lehrkräften, Schülerinnen<br />
und Schülern anregende und lehrreiche Ausfl üge<br />
in die <strong>Nanowelten</strong> bereitet werden. (Siehe www.<br />
nano-ev.de)<br />
Für die Entwicklung und zum Austausch von Lernkonzeptionen<br />
und Lernmaterialien plant der Verein<br />
den Aufbau einer Arbeitsgemeinschaft für Bildungseinrichtungen.<br />
Für das Themenfeld „Nanotechnologie“ gibt es noch<br />
kein Schulbuch. Mit dem anlässlich der DIDAKTA<br />
im April 2005 vorgestellten Werkbuch „<strong>Faszination</strong><br />
<strong>Nanowelten</strong>“ wird ein erstes themenbezogenes
interdisziplinäres Angebot für den Einstieg in einen<br />
fachübergreifenden Fachunterricht gemacht. Das<br />
Werkbuch, das auch vom Schüler selbstständig<br />
bearbeitet werden kann, führt in die Komplexität und<br />
Vielfältigkeit des Nanokosmos ein, beleuchtet und<br />
erläutert Forschungsfelder, Anwendungsgebiete, Geschichte,<br />
Studien- und Berufsangebote. Arbeitsblätter<br />
runden die Einzelthemen ab. Als roter Faden führen<br />
spannende Geschichten über einen fi ktiven Besucher<br />
Nanos durch die Welt des Kleinsten und lassen das<br />
erfahrene Wissen auch „erleben“.<br />
Hier, in diesem Beiheft, sollen erste didaktische und<br />
methodische Hinweise für den Einsatz des Werkbuchs<br />
im Unterricht gegeben werden. Nach einer<br />
vertiefenden Refl exion über die bildende Wirkung<br />
einer beispielreichen Wanderung durch die Dimensionen<br />
und die Klippen in unserer Vorstellungswelt<br />
(Manfred Euler) folgen Beiträge aus der Schulpraxis.<br />
Die Autoren haben das druckfrische Material spontan<br />
in ihre Arbeit eingebracht und vermitteln uns<br />
dankenswerterweise ihre ersten und unmittelbaren<br />
Erfahrungen damit. Es war in diesem „ersten Angriff“<br />
nicht daran gedacht, die Arbeiten leitmotivisch auszurichten.<br />
Das entstandene lockere Bündel originärer<br />
Auseinandersetzung und Lösung vermittelt treffend<br />
die Perspektivfülle, die Bildungsarbeit so schwer und<br />
so fruchtbar macht.<br />
Guter und nachhaltiger Unterricht kann nicht von<br />
außen vorgegeben werden, er entsteht in der aktuellen<br />
Auseinandersetzung und gemeinsamen Arbeit<br />
der beteiligten Schülerinnen, Schüler und Lehrkräfte.<br />
Die vorliegenden Tipps wollen, wie auch das Werkbuch,<br />
allen Lehrenden und Lernenden Mut machen,<br />
sich einem interdisziplinären Ansatz zu öffnen und<br />
die Vielfalt des Wissens, der Fragen und der Ideen als<br />
eine fruchtbare Plattform zu begreifen, um – notwendigerweise<br />
fächerübergreifend – unsere Welt zu<br />
verstehen und segensreich zu entwickeln.<br />
Dr. Wolfgang Welz<br />
Vorsitzender des gemeinnützigen Vereins<br />
„Nanotechnologie und Schule e. V.“<br />
Dezernent der Oberen Schulaufsicht in NRW<br />
7
8<br />
Sternenstaub und Sonnenstäubchen:<br />
Kreative Materie<br />
Wir sind alle aus Staub entstanden und am Ende<br />
unserer Tage werden wir wieder zu Staub zerfallen.<br />
Diese düstere Perspektive menschlicher Endlichkeit<br />
wird vielleicht ein wenig durch die Vorstellung aufgehellt,<br />
dass der irdische Staub, aus dem wir hervorgegangen<br />
sind, Sternenstaub darstellt. Sein kosmischer<br />
Ursprung verknüpft die faszinierende Geschichte<br />
der Entstehung des Lebens mit der Evolution des<br />
Universums. Der Sternenstaub ist das Produkt eines<br />
kosmischen Schöpfungsakts, der seit Jahrmilliarden<br />
abläuft und noch immer stattfi ndet. In dem geheimnisvollen<br />
Staub sind wir gewissermaßen potenziell<br />
existent. Unter günstigen Bedingungen, wie sie etwa<br />
auf unserer Erde geherrscht haben, ist die Möglichkeit<br />
der Entfaltung von Lebensprozessen gegeben.<br />
Es entwickeln sich komplexe, anpassungsfähige<br />
organische Strukturen, die aktiv sind und kaum mehr<br />
etwas mit dem toten mineralischen Staub gemeinsam<br />
zu haben scheinen, aus denen sie entstanden<br />
sind. Die biologische Evolution hat uns schließlich<br />
hervorgebracht, und unser Geist beginnt, die kreativen<br />
Prozesse, denen wir unsere Existenz verdanken,<br />
allmählich zu verstehen. Was treibt diese Entwicklung<br />
vom Einfachen zum Komplexen an, die von der<br />
grauen Monotonie des Staubs zur bunten Vielfalt des<br />
Lebens geführt hat? Schon in der Antike hat man sich<br />
Es ist alles aus Staub gemacht<br />
und wird wieder zu Staub.<br />
Prediger 3,20<br />
Intelligenter Staub: Eine Reise in<br />
die fantastische Welt des Kleinen<br />
Prof. Dr. Manfred Euler<br />
ähnliche Fragen gestellt und ist auf spekulativem Weg<br />
zu erstaunlichen Einsichten gelangt, die manches von<br />
dem spiegeln, was uns noch heute bewegt.<br />
Im Alltag sehen wir im Staub vor allem ein Ärgernis:<br />
graues, inertes und passiv wirkendes Material, das<br />
uns stört. So tot und unbeweglich, wie der Staub<br />
vielleicht oberfl ächlich erscheinen mag, ist er jedoch<br />
keineswegs. Unter dem Titel „Sonnenstäubchen“<br />
schildert der römische Dichter und Philosoph Lukrez<br />
eine Erscheinung, die zeigt, dass es auch in der Welt<br />
des Staubs sehr dynamisch zugeht. In einem Sonnenstrahl,<br />
der in ein abgedunkeltes Zimmer fällt, werden<br />
Staubteilchen sichtbar. Sie führen einen geheimnisvollen<br />
Tanz auf, der nie aufzuhören scheint. Die Staubteilchen,<br />
von unsichtbaren Stößen kleinerer Atome getrieben,<br />
werden in alle möglichen Richtungen gelenkt.<br />
Für den Dichter-Philosophen offenbart ihre immerwährende<br />
Bewegung ein verborgenes Weben von<br />
Kräften, welches die Materie durchdringt – Kern aller<br />
Wandlungsprozesse. Der Tanz der Staubteilchen<br />
ist Ausdruck einer schöpferischen Kraft, die sich in<br />
den großen Dingen ebenso äußert wie im Kleinen.<br />
Bewegungen und Stöße, so die Vorstellung von Lukrez,<br />
pfl anzen sich vom Mikrokosmos in den Makrokosmos<br />
fort und verbinden die Welt der kleinen Teilchen mit<br />
der sinnlich wahrnehmbaren Welt.
Die tanzenden Staubpartikel sind ein Beispiel für<br />
dynamische Prozesse im Mikrokosmos, die uns<br />
normalerweise verborgen bleiben. In den folgenden<br />
Abschnitten begeben wir uns auf eine Reise in diese<br />
geheimnisvolle Mikrowelt, die den unsichtbaren<br />
Untergrund unseres Daseins bildet und die voller<br />
Überraschungen ist. Unser Ziel ist es, die Eigenschaften<br />
und die in kleinen Systemen ablaufenden<br />
Prozesse besser zu verstehen und systematisch zu untersuchen,<br />
wie diese mit der makroskopischen Welt<br />
zusammenhängen. Die gewonnenen Erkenntnisse<br />
bieten einerseits ein großes Potenzial für technologische<br />
Innovationen. Andererseits tragen sie zu einem<br />
gewandelten Selbstverständnis bei: Sie lassen uns<br />
die gewohnte Alltagswelt und uns selbst in einem<br />
anderen Licht sehen.<br />
Sprünge über Größenordnungen: Staubkörner und<br />
biologische Zellen<br />
Die unserer alltäglichen Makrowelt angepasste<br />
Längeneinheit ist das Meter (m). Unsere eigene Körpergröße<br />
lässt sich bequem in Metern ausdrücken,<br />
beispielsweise 1,80 m. Kilometer (1 km entspricht<br />
1000 m) und Millimeter (1 mm entspricht 0,001 m)<br />
sind ebenfalls noch gut vertraute Größenordnungen<br />
der Länge. Unsere Alltagswelt ist mit Mikrowelten<br />
verbunden, die unseren Sinnen nicht direkt zugänglich<br />
sind. Staubpartikel, wie etwa Gräserpollen, die<br />
Heuschnupfen verursachen, sind so klein, dass wir<br />
Abb. 1: Größenordnungen und typische Objekte<br />
vom Meter- bis zum Nanometerbereich<br />
sie mit bloßem Auge nicht mehr sehen können. Um<br />
sie sichtbar zu machen, benötigen wir ein Mikroskop.<br />
Die unmittelbare Beobachtung der Sonnenstäubchen<br />
durch Lukrez wird möglich, weil die kleinen Partikel<br />
vor einem dunklen Untergrund so das Licht streuen,<br />
dass sie als leuchtende Punkte sichtbar werden. Unter<br />
diesen günstigen Umständen ist man nicht auf besondere<br />
Hilfsmittel für die Beobachtung angewiesen.<br />
Die für Staub charakteristische Größenordung, die<br />
mit dem Mikroskop erschlossen werden kann, ist der<br />
Mikrometer-Bereich (Bild 1). Ein Mikrometer entspricht<br />
0,000001 Metern – also ein millionstel Meter!<br />
Nur die größten Staubpartikel sind mit bloßem Auge<br />
sichtbar (ca. 100 Mikrometer). Noch kleinere Staubteilchen<br />
sind auch in dem Lichtmikroskop nicht mehr<br />
zu erkennen. Sie messen einige 10 bis 100 Nanometer.<br />
Ein Nanometer ist ein milliardstel Meter (1000 Nanomometer<br />
= 1 Mikrometer). Auf der Nanometer-Skala<br />
werden atomare Abmessungen erreicht: Je nach<br />
Element kann man auf einem Nanometer ungefähr<br />
zehn Atome aneinander reihen.<br />
Wir selbst bestehen aus kleinsten biologischen Einheiten,<br />
den Körperzellen. Ihre Abmessungen betragen<br />
meist nur wenige Mikrometer. Ihre Zahl ist dagegen<br />
kaum vorstellbar groß: Rund 1014 oder hunderttausend<br />
Milliarden Zellen wirken in unserem Körper<br />
zusammen. Staubpartikel und biologische Zellen sind<br />
9
10<br />
also von ähnlicher Größe. Beide sind Akteure in der<br />
für uns weitgehend unsichtbaren Mikrowelt. Staubkörner<br />
sind nur imstande, passiv zu reagieren, so<br />
wie die Sonnenstäubchen durch Luftwirbel zu ihrem<br />
Tanz angetrieben werden. Im Gegensatz dazu stellen<br />
lebende Zellen aktive Systeme dar. Sie sind in der<br />
Lage, autonom aus sich heraus zu agieren. Trotz der<br />
geringen Größe sind sie unglaublich leistungsfähig<br />
und können sich auf vielfältige Tätigkeiten spezialisieren:<br />
Sie wandeln Energie, produzieren Bausteine<br />
und Signalstoffe für den Körper, erzeugen und leiten<br />
elektrische und chemische Signale, kommunizieren<br />
mit ihren Nachbarn und entfernten Partnern und<br />
sind sogar in der Lage, sich selbst zu reparieren und<br />
zu vermehren.<br />
Fasst man, wie es Leibniz getan hat, biologische<br />
Organismen als Maschinen auf, so handelt es sich<br />
für menschliche Maßstäbe dabei um ganz besondere<br />
Maschinensysteme: Lebewesen sind bis in ihre<br />
kleinsten Teile hinein „maschinenartig“. Organsysteme,<br />
Organe, Bestandteile von Organen, Zellen und<br />
Zellbestandteile wirken über unterschiedliche Größenordnungen<br />
hinweg sinnvoll zusammen. Jedes Teil<br />
spiegelt die Funktion des Ganzen und ist wiede rum<br />
aus Teilen zusammengesetzt, die ebenso sinnvoll<br />
kooperieren. Bislang erfüllen die vom Menschen gemachten<br />
Maschinen im Wesentlichen nur auf einer<br />
Ebene die ihnen zugedachte Funktion. Ein Zahnrad<br />
besteht nicht aus vielen kleinen Zahnrädern; ein Motor<br />
ist nicht aus vielen kleineren Motoren aufgebaut,<br />
usw. Diese Einschränkung könnte sich in der Zukunft<br />
grundlegend ändern, denn menschliche Technik ist<br />
imstande, Materie auf der Mikrometer-Skala und in<br />
ersten Ansätzen auch auf der Nanometer-Skala zu<br />
strukturieren.<br />
Intelligenter Staub: Mikro- und Nanosysteme verändern<br />
unser Leben<br />
Während die technologische Entwicklung in der Vergangenheit<br />
auf die Beherrschung der Materie im Großen<br />
gesetzt hat, spielt sich der Fortschritt unserer Zeit<br />
dagegen immer mehr im Kleinen und ganz Kleinen ab.<br />
Er nutzt Strukturen und schafft Systeme in der Größenordnung<br />
von Staubteilchen oder biologischen Zellen,<br />
die unseren Sinnen nicht mehr unmittelbar zugänglich<br />
sind. Trotz ihrer Winzigkeit können diese kleinen und<br />
kleinsten Strukturen höchst verlässlich außerordentlich<br />
komplexe Funktionen ausüben. Solche Mikro- und noch<br />
kleinere Nanomaschinen, die auf molekularer Ebene<br />
arbeiten, könnten unsere technische Welt künftig noch<br />
grundlegender verändern, als wir es von den technologischen<br />
Revolutionen der Vergangenheit kennen.<br />
Durch die Verwendung von Komponenten, Systemen<br />
und Werkzeugen, die auf derart technologisch gewandeltem<br />
„intelligentem“ Staub basieren, haben bereits<br />
tief greifende kulturelle Wandlungsprozesse eingesetzt.<br />
Unsere Informations- und die noch auszugestaltende<br />
Wissensgesellschaft basiert ganz wesentlich auf technologischen<br />
Fortschritten auf der Mikro- und Nanometer-Skala.<br />
Wer die Entwicklung im Großen vorantreiben<br />
will, muss auf die kreative Gestaltung und technologische<br />
Nutzung des Kleinen und Kleinsten setzen. Auch<br />
die Umweltverträglichkeit und die nachhaltige Nutzung<br />
von Technologien kann durch dieses Wissen ganz<br />
entscheidend vorangetrieben werden.<br />
Am weitesten ist die Miniaturisierung der Elektronik<br />
fortgeschritten: Bei den Abmessungen einzelner Funktionseinheiten,<br />
wie z. B. Speicherzellen oder Schalter<br />
(Transistoren) erreicht man derzeit ca. 50 Nanometer.<br />
Atomare Größenordnungen, die weiteren Verkleinerungen<br />
dieser Technologie ein Ende setzen, sind bald<br />
erreicht. Die Entwicklung der Mikroelektronik zeigt
eispielhaft, wie durch fortgesetzte Verkleinerung<br />
erschwingliche, zunehmend leistungsfähige und<br />
vielfältig einsetzbare Systeme verfügbar werden (z.<br />
B. Handys, Rechner, Informationsnetzwerke). Diese<br />
neuen Werkzeuge der Informations- und Kommunikationstechnologie<br />
verändern Arbeitswelt,<br />
Kulturtechniken sowie unser Freizeitverhalten.<br />
Es ergeben sich insbesondere aus der Integration<br />
verschiedener Mikrotechnologien neue Möglichkeiten.<br />
Die Mikrosystemtechnik vereinigt Komponenten<br />
aus der Elektronik, der Mechanik, der Optik und<br />
der Fluidik zu Systemen, die vielfältige Aufgaben<br />
erfüllen: Genauer als unsere Sinnesorgane können<br />
Mikrosensoren Temperatur, Licht, Schall, Kräfte,<br />
Drucke und chemische Substanzen messen. Ähnlich<br />
unseren Muskeln sind Mikrosysteme in der Lage,<br />
elektrische Signale in Kräfte umzusetzen und für<br />
Bewegung zu sorgen. Durch Integration entstehen<br />
winzige adaptive Systeme, die ihre Umwelt wahrnehmen<br />
und geeignet darauf reagieren können.<br />
Die Vielfalt und Leistungsfähigkeit technischer<br />
Mikrosysteme ist angesichts ihrer Winzigkeit beeindruckend.<br />
Dennoch sind die technischen Artefakte<br />
jenen natürlichen Systemen wie biologischen<br />
Zellen noch weit unterlegen. Es wird vermutlich<br />
noch lange Zeit dauern, bis Wissenschaftlerinnen<br />
und Wissenschaftler in der Lage sein werden, die<br />
Funktionsvielfalt lebender Strukturen technisch<br />
nachzubauen. Abb. 2 zeigt technische Mikrosysteme<br />
im Vergleich zu kleinen Organismen.<br />
Intelligenter Staub: Eine Reise in die<br />
fantastische Welt des Kleinen<br />
Alle Stationen des Artikels fi nden Sie in ungekürzter<br />
Fassung unter www.nano-ev.de:<br />
• Die Sonnenstäubchen des Lukrez:<br />
kreative Materie<br />
• Sprünge über Größenordnungen:<br />
Staubkörner und biologische Zellen<br />
• Intelligenter Staub: Mikro- und<br />
Nanosysteme verändern unser Leben<br />
• Fantastische Reisen: Wie ist es,<br />
ein Staubteilchen zu sein?<br />
• Skalentransformationen: von Zwergen, Riesen<br />
und ihrem Energiebedarf<br />
• Maschinen in der Maschine: von technischen<br />
und molekularen Motoren<br />
• In das Kleine hineinhorchen:<br />
Klänge aus der Mikrowelt<br />
• Grenzen der Sichtbarkeit:<br />
Die Mikrostruktrur von Licht<br />
• Eintauchen in Flüssigkeiten: Spüre<br />
die molekulare Kraft!<br />
• Schwimmen in der Mikrowelt:<br />
Unerwartetes Verhalten von Flüssigkeiten<br />
• Tanzende Staubteilchen: Eintauchen<br />
in das Chaos der Wärmebewegung<br />
• Kreative Uhrwerke: Selbstorganisierte Ordnung<br />
fern vom Gleichgewicht<br />
• Fazit der Reise: Das Große, das Kleine<br />
und die menschliche Kreativität<br />
Abb. 2: Technische Mikrosysteme im Vergleich<br />
zu Insekten (© IMM Mainz).<br />
11
12<br />
Vom Makro- in den Nanokosmos<br />
am Beispiel des Blutes<br />
Dr. Ruth Schellberg<br />
Der Einstieg vom Makrokosmos über den Mikrokosmos<br />
hinein in die Welt des Nanokosmos erfolgt<br />
im Buch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“ am Beispiel des<br />
Blutes.<br />
Der „Lebenssaft“ ist ein ideales Lernthema, um<br />
Schülern die Dimensionen des Mikro- und Makrokosmos<br />
verständlich zu machen. Mit bloßem Auge<br />
wirkt er wie eine amorphe visköse Flüssigkeit. Schon<br />
eine simple Zentrifugation macht verständlich, dass<br />
er offenbar nicht nur fl üssige, sondern auch feste<br />
Bestandteile enthält. Ein Blick durchs Lichtmikroskop<br />
lässt Zellen erkennen, durch spezielle Aufarbeitungsschritte<br />
gelingt sogar die Darstellung von<br />
Metaphasenchromosomen. Eine Analyse mit dem<br />
Rasterelektronenmikroskop deckt eine Substruktur<br />
dieser Chromosomen auf, die mit den Methoden<br />
der modernen Biochemie und Molekulargenetik auf<br />
Komplexe aus DNA, Histonen und Nicht-Histonproteinen<br />
zurückgeführt werden kann. Mit Hilfe des<br />
Rastertunnelmikroskops können schließlich sogar die<br />
Grundbausteine der DNA sichtbar gemacht werden.<br />
Folgende Unterrichtsthemen eignen sich zur<br />
Vorbereitung oder Vertiefung des Kapitels »Blutige<br />
Mission«:<br />
1. Aufbau, Funktionsweise und Anwendungsbereiche<br />
von technischen Geräten zur Zellforschung<br />
(Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop, Rastertunnelmikroskop)<br />
2. Die physikalischen Maßeinheiten (Millimeter,<br />
Mikrometer, Nanometer) zur Beschreibung des<br />
Mikro- und Nanokosmos anhand von Objekten<br />
entsprechender Größe aus dem menschlichen Körper<br />
(z. B. die Eizelle des Menschen, die mit einem<br />
Durchmesser von 0,11 bis 0,14 mm gerade noch mit<br />
bloßem Auge erkennbar ist usw.)<br />
3. Angeborene Krankheiten des Blutes, z. B. die Sichelzellenanämie<br />
als Folge eines Aminosäureaustauschs<br />
im Hämoglobinmolekül<br />
4. Erworbene Krankheiten des Blutes – etwa die<br />
chronische myeloische Leukämie (CML) als Beispiel<br />
einer Tumorerkrankung, deren molekulare Ursache<br />
seit der Identifi zierung des sog. Philadelphia-<br />
Chromosoms auf eine Translokation zwischen<br />
Chromosom 9 und 22 zurückgeführt werden kann<br />
5. Durch Blut übertragbare Krankheiten, z. B. HIV,<br />
Hepatitis-B und Hepatitis-C<br />
6. Die Bedeutung von konstitutionellen Chromosomenaberrationen<br />
für die Entstehung von Fehlbildungssyndromen<br />
(z. B. die Trisomie 21 als molekulare<br />
Ursache des Down-Syndroms)<br />
7. DNA-Tests und ihre Anwendungsmöglichkeiten,<br />
z. B. zur Diagnostik von erblichen Erkrankungen,<br />
im Rahmen von Vaterschaftsgutachten oder in der<br />
Forensik.<br />
Praktische Fallbeispiele aus dem klinischen Routinealltag<br />
Zur Veranschaulichung von numerischen und strukturellen<br />
Chromosomenaberrationen fi nden Sie anbei<br />
zwei Fälle aus dem Klinikalltag.
Das Bildmaterial ist von der Abteilung für Cytogenetik<br />
des Humangenetischen Instituts der Universität<br />
Bonn zur Vervielfältigung für den Schulunterricht<br />
freigegeben.<br />
Die für die Untersuchung der beiden Patienten angewendete<br />
Färbetechnik mit Giemsa, die so genannte<br />
GTG-Färbung, ermöglicht eine numerische wie strukturelle<br />
Analyse unter dem Lichtmikroskop und damit<br />
eine Untersuchung im Mikrokosmos. Submikroskopische<br />
Auffälligkeiten werden mittels so genannter<br />
FISH-Analysen durch fl uoreszenzmarkierte DNA-Sonden<br />
sichtbar gemacht.<br />
Fallbeispiel 1:<br />
Einer Patientin wurde im Alter von drei Monaten<br />
unter der klinischen Verdachtsdiagnose eines Down-<br />
Syndroms peripheres Blut zur Chromosomenanalyse<br />
aus Lymphozyten entnommen. Die Untersuchung<br />
mit GTG-Färbetechnik ergab folgenden Chromosomenbefund:<br />
47, XX, +21 – pathologischer weiblicher Karyotyp mit<br />
freier Trisomie 21.<br />
Fallbeispiel 2:<br />
Im Alter von sechs Jahren wurde bei der Patientin<br />
eine Chromosomenanalyse aus Lymphozyten des<br />
peripheren Blutes durchgeführt. Sie war deutlich zu<br />
klein für ihr Alter und hatte einen Herzfehler. Verdachtsdiagnose:<br />
Ullrich-Turner-Syndrom. Die Untersuchung<br />
ergab folgende Auffälligkeit:<br />
46,X, i(X)(q10) – weiblicher Karyotyp mit Isochromosom<br />
des langen Arms des X-Chromosoms.<br />
Damit liegt ein numerisch unauffälliger, aber strukturell<br />
auffälliger Befund vor. Ein weiblicher Chromosomensatz<br />
mit einem unauffälligen und einem<br />
strukturveränderten X-Chromosom. Das aberrante<br />
X-Chromosom besteht aus zwei langen Armen,<br />
die im Zentromer miteinander verschmolzen sind.<br />
Solche Strukturumbauten werden als Isochromosom<br />
bezeichnet. Das Vorliegen eines normalen X-Chromosoms<br />
sowie eines Isochromosoms i(X)(q10) führt zu<br />
einer Monosomie für den kurzen Arm des X-Chromosoms<br />
und einer Trisomie für dessen langen Arm. Das<br />
klinische Bild gehört zum Spektrum des Ullrich-Turner-Syndroms.<br />
13
14<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Projektthema „Nanotechnologie“<br />
Schülerinnen und Schüler präsentieren die <strong>Faszination</strong> der <strong>Nanowelten</strong><br />
Dr. Ralf Ricken<br />
1. Organisatorischer Rahmen<br />
2. Anbindung des Projektthemas „Nanotechnologie“<br />
an Aspekte des Sachbereichs „Radioaktivität und<br />
Kernenergie“<br />
3. Einbindung des Werkbuchs „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“<br />
4. Geplanter Ablauf<br />
1. Organisatorischer Rahmen<br />
Die folgenden Ausarbeitungen sind im Rahmen der<br />
Vorbereitung einer Projektarbeit zum Thema „Nanotechnologie“<br />
am Hardtberg-Gymnasium der Stadt<br />
Bonn entstanden. Das Projektthema „Nanotechnologie“<br />
war dabei Bestandteil eines größeren fächerübergreifenden<br />
Projekts zum Themenfeld „Kernenergie<br />
und Kernwaffen“, welches mit den Schülerinnen<br />
und Schülern der 10. Jahrgangsstufe durchgeführt<br />
wurde. Zeitlich bildete dieses viertägige Gesamtprojekt<br />
einen zusammenfassenden, fächerübergreifenden<br />
und vertiefenden Abschluss der Reihe „Radioaktivität<br />
und Kernenergie“, welche als obligatorisches<br />
Sachgebiet in den Richtlinien und Lehrplänen Physik<br />
für die Sekundarstufe I an Gymnasien in Nordrhein-<br />
Westfalen ausgewiesen ist.<br />
2. Anbindung des Projektthemas „Nanotechnologie“<br />
an Aspekte des Sachbereichs „Radioaktivität und<br />
Kernenergie“<br />
Das Themenfeld „Nanotechnologie“ umfasst in seiner<br />
gesamten Breite natürlich weitaus mehr Bereiche als<br />
der hier vorgestellte Bezug zum Sachbereich „Radioaktivität<br />
und Kernenergie“. Beispielsweise würde der<br />
genannte Sachbereich den großen Teilgebieten der<br />
Mikro- und Nanoelektronik kaum gerecht werden.<br />
Bei der Anbindung des Projektthemas „Nanotechnologie“<br />
an das Gesamtprojekt wurde also nach<br />
Schnittstellen zum Sachbereich „Radioaktivität und<br />
Kernenergie“ gesucht.<br />
Die folgende Auswahl an Schnittstellen erscheint in<br />
diesem Zusammenhang sinnvoll zu sein:<br />
a) Größenordnungen und Atombau<br />
b) Beobachtungsverfahren<br />
c) Medizinische und technische Anwendungen und<br />
kritische Betrachtung der Nutzen und Risiken<br />
Im folgenden Abschnitt werden diese Schnittstellen<br />
näher erläutert und mit dem Werkbuch „<strong>Faszination</strong><br />
<strong>Nanowelten</strong>“ in seiner Funktion als grundlegendes<br />
Projektmaterial in Zusammenhang gebracht.<br />
3. Einbindung des Werkbuchs „<strong>Faszination</strong><br />
<strong>Nanowelten</strong>“<br />
Das Projekt wurde zum Abschluss der Reihe „Radioaktivität<br />
und Kernenergie“ durchgeführt. Die<br />
Schülerinnen und Schüler besaßen also in der Regel<br />
grundlegende Vorkenntnisse in den angesprochenen<br />
Themenbereichen.<br />
Eine stichwortartige Aufl istung der hier relevanten<br />
Vorkenntnisse zeigt der linke Teil der Tabelle auf den<br />
Seiten 17/18. Im rechten Teil der Tabelle sind jedem<br />
Themenbereich die entsprechenden Abschnitte im
Werkbuch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“ zugeordnet.<br />
Die inhaltlichen Schwerpunkte dieser Abschnitte<br />
wurden mit Blick auf die Vorkenntnisse der Schülerinnen<br />
und Schüler in wiederholende, vertiefende/<br />
ergänzende und erweiternde/neue Lerngegenstände<br />
eingeteilt.<br />
4. Geplanter Ablauf<br />
Die folgenden Planungsaspekte beziehen sich auf<br />
eine Gruppengröße von etwa 15 Schülerinnen und<br />
Schülern und einen zeitlichen Rahmen von vier<br />
Schultagen mit einem abschließenden Besuch der<br />
Lernstationen zur Nanotechnologie im Deutschen<br />
Museum Bonn. Als Ziel der Projektarbeit wird die<br />
Erstellung einer CD-ROM zum Thema „Nanotechnologie“<br />
ausgegeben. Schwerpunkte sollen dabei das<br />
Anfertigen und Vorstellen von aspektorientierten<br />
„Power-Point“-Präsentationen sein. Die Entwicklung<br />
kleiner „Hand-outs“ und zusammenfassender Poster<br />
soll zudem für zusätzliche Transparenz sorgen.<br />
Angelehnt an die drei oben genannten Themenbereiche<br />
mit ihren aufgezeigten Verknüpfungen zum<br />
Werkbuch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“ werden die<br />
folgenden drei Präsentationstitel mit Strukturierungshilfen<br />
und Literaturquellen vorgegeben.<br />
Bemerkung:<br />
Im Deutschen Museum Bonn ist das Rastertunnelmikroskop<br />
zentraler Bestandteil einer Lernstation.<br />
Eine Demonstrationsversion der zugehörigen<br />
Messsoftware zur Simulation eines realen Oberfl ächenscans<br />
kann auf der Internetseite http://www.<br />
nanosurf.ch/eline_demo.htm heruntergeladen<br />
werden. Zur Vorbereitung auf den Museumsbesuch<br />
werden Schülerinnen und Schüler der 1. Gruppe im<br />
Rahmen ihrer Projektarbeit zu „Experten“ für diese<br />
Software ausgebildet.<br />
1. Gruppe:<br />
„Wie sehen Atome aus?“<br />
Das Rastertunnelmikroskop<br />
• Vorstellungen vom Aufbau der Materie im<br />
zeitlichen Wandel<br />
• Geschichte der Mikroskopie und ihre grundlegenden<br />
Prinzipien<br />
• Funktionsprinzip des Rastertunnelmikroskops<br />
• Das Rastertunnelmikroskop im Einsatz<br />
• Zukunft der Rastertunnelmikroskopie<br />
Vorgeschlagene Quellen<br />
Grundlegend: Werkbuch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“<br />
Messgröße Tunnelstrom:<br />
http://www.quantum-physics.polytechnique.<br />
fr/en/index.html<br />
„Tunneln“ von Wellenpaketen:<br />
http://webphysics.davidson.edu/Applets/<br />
qtime4/default.html<br />
Optische Instrumente:<br />
www.fmc.uni-karlsruhe.de/~timo/<br />
Aufl ösungsvermögen:<br />
http://www.physics.otago.ac.nz/Physics100/<br />
simulations/Game/an/java/slitdiffr/<br />
index.html<br />
Lupe und Mikroskop:<br />
http://www.schulphysik.de/java/physlet/<br />
applets/optik1.html<br />
Weitere Suchbegriffe:<br />
Atommodelle, Orbitalmodell, Rastertunnelmikroskop<br />
15
16<br />
2. Gruppe:<br />
„Sauber bleiben –<br />
sonst noch was?“<br />
Nanostruktur im Alltag<br />
• Die Größenordnung „Nanometer“<br />
• Nanostruktur in der Natur<br />
• Neue Werkstoffe – Herstellung nanostrukturierter<br />
Partikel<br />
• Anwendungsgebiete heute<br />
• Anwendungsgebiete morgen<br />
Vorgeschlagene Quellen<br />
Grundlegend: Werkbuch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“<br />
Nanotechnologie in der Natur:<br />
http://www.bmbf.de/pub/nanotechnologie_<br />
inno_fuer_die_welt_v_morgen.pdf<br />
Wasserabweisende Oberfl ächen, Lotuseffekt,<br />
Easy-to-clean-Effekt:<br />
www.botanik.uni-bonn.de (Link: Nees-Institut,<br />
Lotus-Effect); www.creavis.de (Link: Internal<br />
Start-ups, LotusEffect, häufi g gestellte Fragen)<br />
Sol-Gel-Prozess:<br />
http://www.bmbf.de/pub/nanotechnologie_<br />
inno_fuer_die_welt_v_morgen.pdf<br />
Kolloide:<br />
www.weltderphysik.de/themen/stoffe/<br />
magazin/materie<br />
Weitere Suchbegriffe:<br />
Nanopartikel, nanostrukturierte Oberfl ächen,<br />
Sol-Gel, Aerosil, Aerogel, Pigmentruß, Van-Der-<br />
Waals-Kräfte<br />
3. Gruppe<br />
„Geht’s auch ohne<br />
Strahlung?“<br />
Kleinstpartikel in der Medizin<br />
• Aufbau der Atomkerne und Strahlungsarten<br />
• Radioaktivität in der Medizin – Nutzen und<br />
Gefahren<br />
• Krebstherapie mit Nanoteilchen<br />
• Nanophosphore in der medizinischen Diagnostik<br />
• Nanostrukturierte Implantate<br />
• Zukunft der Nanotechnologie in der Medizin<br />
Vorgeschlagene Quellen<br />
Grundlegend: Werkbuch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“;<br />
research, Das Bayer-Forschungsmagazin<br />
Ausgabe 15 (siehe auch www.bayer.de):<br />
http://www.bmbf.de/pub/nanotechnologie_<br />
inno_fuer_die_welt_v_morgen.pdf<br />
Weitere Suchbegriffe: magnetische Flüssigkeiten,<br />
Magnetfl üssigkeits-Hyperthermie,<br />
nanostrukturierte Implantate, Nanomagnetite,<br />
Halbleiter-Nanoteilchen, Nanophosphore,<br />
Fluoreszenz
Vorkenntnisse Werkbuch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“<br />
„Abenteuer im Quantenkosmos“ S. 44 – 61<br />
Größenordnungen und<br />
Atombau<br />
wiederholend vertiefend / ergänzend erweiternd / neu<br />
– insbesondere S. 56 – 59:<br />
Orbitalmodell des<br />
Atoms und „Erklärung“<br />
des Periodensystems<br />
– insbesondere die<br />
Abenteuer des Nanos<br />
mit Blick auf die Vorbereitung<br />
der Orbitalvorstellung<br />
– insbesondere S. 52 – 55:<br />
„Die Bausteine unserer<br />
Welt“; zugehörige<br />
Aufgaben<br />
• Typische Größenordnungen von<br />
Atomen und Atomkernen<br />
• Aufbau der Atome aus Kern und<br />
Elektronenhülle<br />
• Aufbau der Atomkerne aus<br />
Protonen und Neutronen<br />
• Atommodelle von Demokrit bis<br />
Rutherford<br />
Beobachtungsverfahren „Unter die Lupe genommen“ S. 84 – 95<br />
wiederholend vertiefend / ergänzend erweiternd / neu<br />
– Aufl ösungsvermögen<br />
optischer Instrumente<br />
– Wellenmodell der<br />
Elektronen<br />
– insbesondere S. 92 – 93:<br />
Rastertunnelmikroskop<br />
– Wellenmodell des<br />
Lichts<br />
– insbesondere S. 87:<br />
Funktionsprinzip eines<br />
optischen Mikroskops<br />
• Idee und Prinzip von Streuexperimenten<br />
(insbes. Rutherford)<br />
• Thematisierung des Begriffs<br />
„Sehen“ und seiner Bedeutung<br />
auf atomarer Ebene<br />
• Erwähnung des Rastertunnelmikroskops<br />
als Beobachtungsinstrument<br />
• Grundlegendes über die Funktionsweise<br />
optischer Instrumente<br />
(im Rahmen der Strahlenoptik in<br />
Jgstf. 8 behandelt)<br />
17
18<br />
Vorkenntnisse Werkbuch „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“<br />
„Nanotechnik im Alltag“ S. 100 – 107 &<br />
„Klein macht klug ...“ S. 116 – 121<br />
Medizinische und technische Anwendungen<br />
erweiternd / neu<br />
vertiefend /<br />
ergänzend<br />
wiederholend<br />
– Krebstherapie mit magnetischen<br />
Flüssigkeiten (S. 104)<br />
– Nanophosphore und das Prinzip<br />
der Fluoreszenz in der medizinischen<br />
Diagnostik (S. 104 – 107)<br />
– nanostrukturierte Implantate<br />
bei Knochenbrüchen, Seh- und<br />
Hörschwächen (S. 120 – 121)<br />
– nanostrukturierte Oberfl ächen<br />
und „Easy-to-clean“-Effekt<br />
(S. 101 – 103)<br />
– Gefahren der Nanotechnologie<br />
(S. 117 – 120)<br />
– Grundidee der Diagnose- und<br />
Therapieverfahren in der Medizin<br />
(insbesondere S. 104 – 107,<br />
„Minidetektive im Blut“)<br />
– Grundidee der Untersuchung<br />
und gezielten Veränderung von<br />
Materialien durch Einsatz von<br />
Kleinstpartikeln<br />
(insbesondere S. 100 – 103)<br />
– Verantwortungsbewusstsein im<br />
Umgang mit Wissen<br />
(insbesondere S. 116 – 121)<br />
– Meinungsbildung auf sachlicher<br />
Grundlage<br />
(insbesondere S. 116 – 121)<br />
• Einsatz ionischer Strahlung in der<br />
Medizin<br />
– Prinzip der Strahlendiagnostik,<br />
Markierungsverfahren<br />
– Prinzip der Strahlentherapie<br />
– Prinzip der Röntgendiagnostik<br />
• Einsatz ionischer Strahlung in der<br />
Technik<br />
– Materialprüfung<br />
– Entkeimung von Geräten und Konservierung<br />
von Lebensmitteln<br />
– Veredelung von Kunststoffen<br />
• Kritische Betrachtung der Nutzen und<br />
Gefahren<br />
– Biologische Wirkung radioaktiver<br />
Strahlung auf den menschlichen Körper<br />
– Nutzen und Risiken der Kerntechnik<br />
– Kernwaffen als Gefahrenpotenzial<br />
– Verantwortungsbewusster Umgang mit<br />
Wissen<br />
Tabelle 1: Anbindung des Werkbuchs „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“ an die Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler
Einsatz von „<strong>Faszination</strong><br />
<strong>Nanowelten</strong>“ im Chemieunterricht<br />
Detlef Werner<br />
„Wenn in einer Sintfl ut alle wissenschaftlichen<br />
Erkenntnisse zerstört würden und nur ein Satz an die<br />
nächste Generation von Lebewesen weitergereicht<br />
werden könnte, welche Aussage würde die größte<br />
Information in den wenigsten Worten enthalten?<br />
Ich bin davon überzeugt, dass dies die Atomhypothese<br />
wäre, die besagt, dass alle Dinge aus Atomen<br />
aufgebaut sind – aus kleinsten Teilchen, die in permanenter<br />
Bewegung sind, einander anziehen, wenn sie<br />
ein klein wenig voneinander entfernt sind, sich aber<br />
gegenseitig abstoßen, wenn sie aneinander gepresst<br />
werden.“ (Richard Feynman, Lectures, Bd.1)<br />
Im Chemieunterricht ist die Vermittlung des diskontinuierlichen<br />
Aufbaus der Materie zwingend zu<br />
leisten: Es handelt sich hier um keine hypothetischdeduktive<br />
Modellvorstellung, sondern seit Anfang<br />
der achtziger Jahre, also nun schon 20 Jahre her, ist<br />
mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops<br />
der Teilchenaufbau der Materie eine hinreichend<br />
gesicherte naturwissenschaftliche Erkenntnis (siehe<br />
hierzu auch: Prof. Dr. Ingo Eilts, Bremen).<br />
Bis heute existiert kein einziges Chemiebuch für die<br />
Sekundarstufe 1, das auf diese Erkenntnis zurückgreift.<br />
Die Neuausgabe von „Chemie heute, S I,<br />
Schroedel“ hat sogar auf die Rastertunnelmikroskop-<br />
Aufnahme, die sich in der alten Ausgabe: „Fotoreise in<br />
die Welt der Atome“ befand, ganz verzichtet.<br />
Chemieunterricht „lebt“ vom Teilchenmodell, besser:<br />
Teilchenaufbau der Materie; z. B. werden die Ag-<br />
gregatzustände und ihre Übergänge damit erklärt,<br />
die Umgruppierung von Teilchen bei chemischen<br />
Reaktionen und die chemischen Grundgesetze damit<br />
gedeutet, Atome in Metallgittern damit „visualisiert“,<br />
zwischenmolekulare Wechselwirkungen „modelliert“,<br />
Reaktionsabläufe in der Oberstufe mit dem Teilchenaufbau<br />
dargestellt usw.<br />
Mit dem Rasterkraftmikroskop lässt sich heute<br />
darstellen/„beobachten“, wie sich langkettige Fettsäuren<br />
auf bestimmten Oberfl ächen anordnen und<br />
sich gegenseitig beeinfl ussen. Das sind absolut revolutionäre<br />
Bilder: Es lassen sich die Carboxylgruppen<br />
erkennen und ihre langen Kohlenwasserstoffreste!<br />
Die Messungen mit den Rastersondenverfahren,<br />
speziell erst einmal mit dem RTM, sind hervorragend<br />
geeignet, das Thema „Visualisierung“ zu problematisieren:<br />
Wenn z. B. eine Kupferoberfl äche oder Graphitoberfl<br />
äche abgetastet wird, existieren ausschließlich<br />
Messwerte, die dann von Computergrogrammen<br />
zu den uns bekannten Bildern von Atomanordnungen<br />
verarbeitet werden. Was ist das Prinzip dieser<br />
Software, aus Datensätzen bunte Bilder zu erzeugen?<br />
Sind das nur Modelle? Sehr schön lässt sich dazu der<br />
in diesem Buch vorgestellte Legoroboter als Simulation<br />
des RTM einsetzen; an diesem Beispiel kann<br />
man hervorragend das grundlegende Prinzip der<br />
Oberfl ächenabtastung durch eine sehr kleine Spitze<br />
vermitteln inklusive des Unterschieds RTM – Legomodell.<br />
Dieser Vergleich ist besonders gut geeignet,<br />
den Umgang mit Modellen zu schulen. In Aktion lässt<br />
19
20<br />
sich das Legomodell am Deutschen Museum Bonn<br />
erleben.<br />
Ergebnisse der Rastersondenverfahren müssen<br />
Bestandteil eines zeitgemäßen Chemieunterrichts<br />
sein. Ebenso sollte die Welt der nanostrukturierten<br />
Partikel in die Schulen Eingang fi nden. Zu letzterem<br />
Thema wird ein weiterer Band erscheinen, der sich<br />
ausführlicher mit chemischer Nanotechnologie<br />
beschäftigen wird.<br />
Das Kapitel: „Abenteuer im Quantenkosmos, Bausteine<br />
unserer Welt“ sollte zusammen mit: „Unter die<br />
Lupe genommen“ im Chemieunterricht verwendet<br />
werden. Unser Thema: „Atombau und PSE“ könnte<br />
somit auf eine neue, moderne Grundlage gestellt<br />
werden, die der herkömmliche Unterricht ignoriert.<br />
Wie Lehrer unser Buch einsetzen, wollen wir nicht<br />
vorschreiben, sondern der Kreativität eines jeden<br />
überlassen. Das bedeutet natürlich erhebliche Eigeninitiative,<br />
es bedeutet, sich erst einmal in das Thema<br />
Nanotechnologie einzuarbeiten. Sehr zu empfehlen<br />
ist in diesem Zusammenhang das Buch von Niels<br />
Boeing: Nano?! Wenn bei der Lektüre der Funke<br />
überspringt, sich der Lehrer/die Lehrerin von der Fas zination<br />
Nanotechnologie anstecken lässt, dann ist der<br />
Punkt erreicht, dass SchülerInnen unter Führung des<br />
Chemielehrers mit dieser <strong>Faszination</strong> als Rückenwind<br />
die <strong>Nanowelten</strong> entdecken.<br />
Selbstverständlich können und wollen wir nur den/<br />
die engagierte/n Lehrer/Lehrerin ansprechen, denn<br />
unser Buch ist für den Chemieunterricht kein normales<br />
Lehrbuch, das man bei Bedarf Seite für Seite einfach<br />
durchgehen kann, obwohl das mit viel Geschick<br />
auch möglich ist. Nein, „<strong>Faszination</strong> <strong>Nanowelten</strong>“ ist<br />
eine Fundgrube für die Einführung von Nanoscience<br />
in den Chemieunterricht, eine Materialiensammlung,<br />
um sogar die Akzeptanz von Chemieunterricht zu<br />
verbessern. Es gibt auch sehr guten Chemieunterricht<br />
in Deutschland und an relativ vielen Schulen<br />
ist „Chemie“ ein beliebtes Schulfach, insbesondere in<br />
der Oberstufe. Wir teilen nicht die Ansicht, dass mangelnde<br />
Akzeptanz für das Fach typisch ist. Und sollte<br />
es doch an mancher Schule ein ungeliebtes Fach sein,<br />
dann sollten sich zuerst die Unterrichtenden Gedanken<br />
machen über ein anderes Auftreten innerhalb<br />
ihres Unterrichtsfachs. Wir wollen dabei helfen und<br />
mit unserem Buch den Auftritt verbessern, es den<br />
LehrerInnen erleichtern, wenn nötig, wieder Power<br />
in den Unterricht zu bringen oder einen schon guten<br />
Unterricht weiterzuentwickeln und modern zu<br />
halten.<br />
Wir sind uns völlig bewusst, dass manche Themen<br />
dieses Hefts, die schon in der Sek.stufe I behandelt<br />
werden sollen, umstürzlerischen Charakter haben:<br />
Bilder von Orbitalmodellen im Mittelstufenunterricht?<br />
Solch innige Verknüpfung von Chemie mit Physik<br />
und Biologie? Chemieunterricht zu physiklastig?<br />
Wir befi nden uns mit der Nanotechnologie auf der<br />
Höhe der Zeit, und das bedeutet Abschied zu nehmen<br />
von der klassischen Fächerabgrenzung, nur wenn wir<br />
Naturwissenschaft als Ganzes in den Blick nehmen,<br />
kann es gelingen, Nanoscience in einen zeitgemäßen<br />
Chemieunterricht zu integrieren. Und dass uns<br />
das gelingen muss, haben alle unsere Gespräche<br />
mit Fachwissenschaftlern gezeigt. Seit Jahren wird<br />
gefordert, die naturwissenschaftlichen Fächer zu<br />
verbinden. In der Praxis ist nicht viel davon zu sehen.<br />
Wer unser Buch im Unterricht einsetzt, verbindet<br />
die Fächer Physik/Chemie/Biologie automatisch.<br />
„Chemie“ wird zu dem, was heute Wissenschaft und<br />
Forschung überall auf der Welt auszeichnet: interdisziplinäres<br />
Arbeiten.
Periodensystem<br />
Fülle folgende Tabelle mit Hilfe des Periodensystems der Elemente aus.<br />
Die Atommassen sind gerundet.<br />
Hintereinander gelesen, ergeben die groß geschriebenen Buchstaben der Symbole die Lösung.<br />
Massenzahl 19 14 190 184<br />
Ordnungszahl 53 102 63<br />
Neutronenzahl 26 115 8 99<br />
Elektronenzahl 40 33 93 10<br />
Protonenzahl 13 28 3<br />
Tellur<br />
Zinn Gold<br />
Name<br />
(Element)<br />
Symbol<br />
Lösung<br />
21
22<br />
Silicium<br />
1. Welcher Zusammenhang besteht zwischen<br />
diesen beiden Stoffen?<br />
2. Versuche mit Hilfe eines Chemiebuchs einen<br />
Steckbrief von Siliciumoxid und Silicium zu<br />
erstellen. Das Chemiebuch muss sehr wahrscheinlich<br />
ein Oberstufenbuch sein, da man in<br />
den Büchern der Klassen 9 und 10 kaum etwas<br />
über eines der bedeutendsten Elemente unserer<br />
Zeit erfährt.<br />
Sehr sinnvoll ist es, wenn ihr Gruppen bildet,<br />
die sich bestimmten Themen widmen: wie<br />
z. B. Verwendung von Siliciumoxid, Herstellung<br />
und Verwendung von Reinstsilicium, Werkstoffe<br />
auf Siliciumbasis, Silicone, Experimente zu<br />
Silicium und Siliciumverbindungen.<br />
Sehr hilfreich sind neben deinen Chemiebüchern<br />
oder auch Physikbüchern Internetadressen,<br />
die in der heutigen Zeit zu jeder Recherche<br />
dazugehören. Frage deinen Lehrer nach für den<br />
Chemieunterricht wichtigen Internet adressen.<br />
Oder gib einfach einmal z. B. bei Google ein:<br />
Silicium Element. Das wird dir schon auf den<br />
ersten beiden Seiten eine umfangreiche Hilfe<br />
sein.<br />
Ihr könnt auch Gruppen bilden, die sich allein<br />
mit den relevanten Websites beschäftigen und<br />
bewerten, d. h. auch kommentieren.<br />
Macht eure Ergebnisse auch den anderen<br />
SchülerInnen bekannt, erstellt dazu ein Plakat,<br />
das ihr im Chemieraum aufhängt. Oder schickt<br />
eure Ergebnisse den anderen SchülerInnen per<br />
E-Mail zu.<br />
3. Stelle die Elektronenverteilung des Siliciums<br />
im so genannten Kugelwolkenmodell dar. Das<br />
Kugelwolkenmodell ist ein in den Schulen<br />
wieder häufi ger verwendetes Atommodell:<br />
eine Erweiterung des Schalenmodells und eine<br />
Vereinfachung gegenüber dem Orbitalmodell.<br />
Wie sieht mit diesem Modell veranschaulicht<br />
dann ein Siliciumkristall aus? Was hält ihn in<br />
seinem Inneren zusammen?<br />
Stelle die Elektronenverteilung von Phosphor,<br />
Bor und Arsen im Kugelwolkenmodell dar.<br />
Welche Bedeutung haben diese Elemente im<br />
Zusammenhang mit Silicium? Wie lässt sich<br />
ihre Bedeutung mit dem Kugelwolkenmodell<br />
veranschaulichen?
Das Lego Probe Microscope (LPM)<br />
Ein Modellversuch zur Rastertunnelmikroskopie<br />
Das LPM ist ein Modell, mit dem anschaulich die<br />
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops<br />
erklärt werden kann. Dieses Legomodell wurde im<br />
Rahmen einer Staatsexamensarbeit aufgebaut.<br />
Das Modell wird mit Hilfe des Lego MindStorms,<br />
Robotics Invention System 2.0 aufgebaut.<br />
www.legomindstorms.com<br />
Weitere Informationen:<br />
http://mv-sirius.m.fh-offenburg.de/Robotik<br />
Gesteuert wird das LPM durch einen programmierbaren<br />
Mikrokontroller, der im Lego Robotics<br />
Invention System enthalten ist.<br />
Zum Nachbau des LPM wurde eine Bauanleitung<br />
erstellt (siehe Internetlinks). Ebenso wie ein reales<br />
Rastersondenmikroskop ist das Legomodell in<br />
der Lage, die Topographie einer Oberfl äche zu<br />
untersuchen.<br />
Lässt man das Licht des Lichtsensors des LEGO®-<br />
MINDSTORMS-Baukastens auf ein weißes Papier<br />
scheinen, so misst der Lichtsensor das zurückgeworfene<br />
Licht. Der Lichtstrom hängt dabei stark<br />
vom Abstand zwischen der Oberfl äche und der<br />
Lichtsensorspitze ab.<br />
Man kann die Spitze in festem Abstand über<br />
der Oberfl äche schweben lassen, indem man<br />
den Tunnelstrom/Lichtstrom durch ständige<br />
kleine Auf- und Abwärtsbewegungen der Spitze<br />
konstant einregelt. Bewegt man nun die Spitze<br />
langsam über die Oberfl äche der Probe, so folgt<br />
sie dem Oberfl ächenrelief, was über das Regelsignal<br />
registriert werden kann.<br />
Mit einem systematischen Abrastern (Scannen) in<br />
x- und y-Richtung kann die Struktur der Oberfl äche<br />
abgebildet werden.<br />
23
24<br />
Präparation von metallischen<br />
Kolloid-Proben<br />
oder: Ein optisches Vergnügen mit einem Cluster-Koch-Rezept!<br />
Dr. Almuth Hilger<br />
Untersuchungen an Clustern1 haben einen wesentlichen<br />
Impuls für den Aufstieg der Nanostrukturforschung<br />
zu einer der wichtigsten Sparten der Forschung<br />
in der Festkörperphysik gegeben.<br />
Die Clustererzeugung und -analyse kann man einteilen<br />
in die „physikalische“, die „chemische“ und, in<br />
jüngerer Zeit, die „material science“-Methode.<br />
Die „physikalische“ Herstellung z. B. durch Aufdampfmethoden<br />
im Ultra-Hoch-Vakuum dient hauptsächlich<br />
der Aufklärung der atomaren Strukturen und der<br />
elektronischen Eigenschaften des einzelnen freien<br />
– also nicht mit Liganden behafteten – Clusters. Die<br />
„chemische“ Herstellung von Nanopartikeln in Lösung<br />
(Kolloiden) hat zumeist ihre Anwendung in der<br />
heterogenen Katalyse oder anderen chemischen Reaktionen<br />
an den Cluster-Grenzfl ächen zum Ziel. Die<br />
Motivation zur Erzeugung aus Clustern aufgebauter<br />
nanokristalliner Materie beruht auf der Hoffnung,<br />
„neue Materialien für die Technik maßschneidern“ zu<br />
können.<br />
Die die Cluster umgebenden Materialien mögen<br />
anorganische oder organische Adsorbate, organische<br />
Liganden, Substrate oder feste und fl üssige Einbettmedien<br />
sein. Stets liegen daran komplexe, heterogene<br />
Mischmedien in üblicherweise makroskopischer<br />
Dimension vor. Einige Beispiele für Clustermaterie<br />
sind: Geo-Kolloide (in Mineralien, Hydrosole, Aeroso-<br />
le), Sol-Gel-Systeme, Inselschichten, Halbleiter-Quantendots,<br />
Nanokeramiken, photovoltaische Systeme,<br />
magnetische Nanosysteme, Hetero-Katalysatoren,<br />
photographische Systeme, Kopiersysteme, Ferrofl uide,<br />
Tonbänder, Farbfi lter, Solar-Absorber, medizinische<br />
Markierungssysteme, Schichten zur Oberfl ächenmodifi<br />
kation (z. B. Oberfl ächenhärtung).<br />
Im Folgenden werden zwei Rezepte vorgestellt, mit<br />
denen Cluster nasschemisch leicht selbst hergestellt<br />
werden können. Der Clusterdurchmesser liegt im<br />
Bereich von ca. 1 nm bis zu einigen 10 nm mit den für<br />
chemische Verfahren typischen Standardabweichungen<br />
der Größenverteilung von etwa 10 bis 50 %.<br />
In der Literatur sind eine Vielzahl chemischer Verfahren<br />
zur Herstellung von Edelmetallkolloiden bekannt.<br />
Ihnen gemeinsam ist folgendes Schema:Man nehme<br />
ein Metallion oder Elektrolyt, stoppe die atomare<br />
Koagulation, d. h. die Volumenzunahme der entstandenen<br />
Metallcluster, durch die Zugabe eines Reduktionsmittels<br />
und man erhalte kolloidale Cluster, die<br />
jeweils von einer Ligandenhülle umgeben sind.<br />
Citrat-Methode für Goldcluster<br />
(Lit.: Turkevich, Moremans)<br />
Man benötigt:<br />
a) Lösung: HAuCl4 (5g Au in 1l H2O)<br />
b) Lösung: Trisodium-Citrat (11,4 g in 1l H2O, gefi ltert)
Rezept:<br />
2,5 ml von (a) in 240 ml H2O bidest. Bei 100°C; während<br />
des Rührens so schnell wie möglich 7,5 ml von<br />
(b) hinzugeben. Es entstehen Goldkolloide mit der<br />
typischen Größe von ca. 15 nm Durchmesser.<br />
Tanninemethode für Silbercluster<br />
(Lit.: Garbowski)<br />
Man benötigt:<br />
a) Lösung: Ag-NO3 (0,1 normal)<br />
b) Lösung: Tannine (1 g in 1l H2O)<br />
c) Lösung: Na2CO3 (0,01 normal)<br />
Rezept:<br />
45 ml von (a) in 220 ml H2O bidest., 1 ml von (b)<br />
hinzugeben, auf 80°C erhitzen, langsam 2 ml von (c),<br />
abwarten und beobachten. Es entstehen Silberkolloide<br />
mit einem Durchmesser von 6 nm.<br />
Eine im Bereich Schule praktikable Charakterisierungsmethode<br />
ist die lineare optische Spektroskopie<br />
(Lichtrefl exion und -transmission, Extinktion). Der<br />
überraschende Effekt ist jedoch schon mit dem bloßen<br />
Auge zu erkennen!<br />
Abb. 1: Edelmetallcluster in wässriger Lösung<br />
(Abb.: Liz-Marzán)<br />
Warum wird eine Silberkolloid-Lösung goldgelb und<br />
die Goldkolloid-Lösung weinrot?<br />
Nimmt man einen dünnen Silberfi lm zum Vergleich,<br />
so verfügt dieser über ein relativ kontinuierliches<br />
wellenlängenabhängiges Absorptionsspektrum bis in<br />
den Bereich bei ca. 320 nm. Genau dort befi ndet sich<br />
die Interbandabsorptionskante der freien Leitungselektronen,<br />
welche für die Farbe von Silber (Kupfer<br />
und Gold) verantwortlich ist.<br />
Das optische Spektrum der Edelmetallkolloide ist<br />
ebenfalls kontinuierlich im Bereich unterhalb der<br />
Interbandkante. Die Interbandübergänge im Cluster<br />
und Film sind sich sehr ähnlich.<br />
Oberhalb von 320 nm – im Bereich der freien Leitungselektronen<br />
– besteht jedoch ein deutlicher<br />
Unterschied zum Silberfi lm. Eine Volumenplasmonresonanz<br />
ist als relativ scharfer Peak zu erkennen. Das<br />
einfallende elektrische Feld regt die freien Leitungselektronen<br />
im Cluster zu einer Resonanz an (siehe<br />
kleine Skizze in Abb. 2). Die unterschiedliche Anordnung<br />
der Silberatome hat einen deutlichen Effekt auf<br />
Lichstreuung, -absorption und -refl exion.<br />
Im Fall des Silberfi lms befi nden sich die freien Leitungselektronen,<br />
die für Silber eine wichtige Rolle im<br />
sichtbaren Spektrum spielen, in einem „unendlich<br />
dicken“ Silberfi lm. Streuungen an der Oberfl äche<br />
können vernachlässigt werden. Im Fall des Silberclusters,<br />
der bei der hier vorgestellten Herstellung aus<br />
einigen 10.000 Atomen besteht, streuen die Leitungselektronen<br />
an der im Verhältnis zum Volumen großen<br />
Oberfl äche. Im sichtbaren optischen Spektrum<br />
entsteht eine schmale Absorption und damit tritt der<br />
überraschende Farbeffekt auf.<br />
25
26<br />
Wie werden aus Clustern makroskopische Filme?<br />
Durch Koaleszenz! Koaleszenz heißt „Verschmelzung“<br />
benachbarter Teilchen. Eine Koaleszenz zwischen<br />
benachbarten Clustern bedeutet, dass diese durch<br />
gemeinsame kohärente oder inkohärente Korngrenzen<br />
miteinander verbunden sind. Es bildet sich<br />
ein „Aggregatnetzwerk“ und darüber hinaus fi ndet<br />
Perkolation statt, d. h. es bildet sich ein durchgängiger<br />
Pfad von einem Ende der Probe bis zum anderen<br />
Ende der Probe. Im Falle von Metallclusterkolloiden<br />
führt deren elektrische Leitfähigkeit dazu, dass nun<br />
die perkolierten Teile der Aggregate als neue, größere<br />
Struktureinheiten an die Stelle der isolierten Cluster<br />
treten. Die Erhaltung der elektrischen Ladung gilt<br />
nun für diese größeren Baueinheiten, nicht mehr für<br />
den einzelnen Cluster. Erhöht man die Zahl solcher<br />
Korngrenzen, so wachsen die Koaleszenzaggregate<br />
und man endet schließlich in einer kompakten<br />
Schicht, die die besonderen optischen Eigenschaften<br />
der Nanostruktur verloren hat. Der Übergang erfolgt<br />
allmählich, und er lässt sich in den optischen Spektren<br />
nachvollziehen.<br />
Alle kleinen Teilchen mit einem Durchmesser zwischen einigen 100<br />
und 102 nm werden als Cluster oder synonym Nanopartikel oder<br />
abgekürzt Nanos bezeichnet.<br />
Abb. 2: Optisches Absorptionsspektrum<br />
eines dünne Silberfi lms und<br />
eines kugelförmigen Einzelclusters<br />
aus Silber (Abb.: Kreibig)<br />
Der Weg zum nanokristallinen und weiter zum polykristallinen<br />
Material ist nun vorgezeichnet: Durch<br />
die dichte Packung von Clustern mit Ausbildung von<br />
vorwiegend inkohärenten Korngrenzen wird korngrenzenreiches<br />
Material entweder in Form von Inselschichten<br />
oder kompakt als nanokristallines oder<br />
Nanophasen-Material erzeugt, das durch mechanischen<br />
Druck kompakter wird. Durch Umkristallisation<br />
können die einzelnen „Körner“, d. h. Kristallite,<br />
wachsen und so in polykristallines Material übergehen.<br />
(Abb.: Kreibig)<br />
Viel Spaß beim Cluster-Kochen!!
Literatur:<br />
J. Turkevich, P. C. Stevenson, J. Hillier:<br />
Disc. Farad. Soc. 11, 55 (1951)<br />
J. Turkevich, G. Garton, P. C. Stevenson:<br />
J. Colloid Sci. 9, 26 (1954)<br />
Moeremans in J. K. Koehler (ed.):<br />
Advanced Techniques in Biological Elektron<br />
Microskopy III (Springer, Berlin, Heidelberg, 1986)<br />
Garbowski in B. Jirgensons, M. Straumanis:<br />
A Short Textbook of Colloid Chemistry (Pergamon,<br />
London 1954)<br />
U. Kreibig, in IFF-Ferienkurs Physik der Nanostrukturen,<br />
Schriften des Forschungszentrums Jülich:<br />
Reihe Materie und Material; Band 1 (1998)<br />
U. Kreibig, M. Vollmer:<br />
Optical Properties of Metal Clusters, Springer series in<br />
materials science (1995)<br />
M. Liz-Marzán, Rev. Feat. in<br />
Mat. Today, Elsevier, 26 – 31 (2004)<br />
Abb. 3: Aufnahmen von Goldclustern mit einen Transmissionselektronenmikroskop (TEM) vor (links) und<br />
nach (Mitte) Perkolation (Bildung eines durchgängigen, leitfähigen Pfades). Links: Der Übergang von<br />
Koagulation (Teilchengrenzenwachstum) zu Koaleszenz („Verschmelzung“) in Goldcluster-Aggregaten.<br />
TEM der durch Zwischenschichten isolierten Cluster in Koagulationsaggregaten. Mitte: TEM der teilweise<br />
koaleszierten Nanos. Die Koagulations- und Koaleszenzstellen sind mit (1) und (2) gekennzeichnet. Rechts:<br />
Optische Spektren der isolierten Nanos (oben), der koagulierten Nanos (2. und 3. Spektrum von oben) und<br />
der teilkoaleszierten Cluster (beide untere Spektren). Durch Perkolation wird aus der einfachen Resonanz<br />
(oben, s. auch Abb. 2) eine Doppelresonanz bzw. ein breites Absorptionsspektrum.<br />
27
28<br />
Nanotechnologie<br />
Schlüsseltechnologie der Zukunft<br />
Bernhard Hummel<br />
An der RWTH Aachen existiert der im Jahre 2002<br />
gegründete „NanoClub“, in dem sich Wissenschaftlerinnen<br />
und Wissenschaftler aus der Biochemie, der<br />
Chemie, der Physik, der Elektrotechnik, der Medizin<br />
und aus den Ingenieurwissenschaften mit derzeit<br />
39 Arbeitsgruppen zusammengefunden haben. Er<br />
hat sich die Aufgabe gestellt, die Vernetzung dieser<br />
Disziplinen auf dem Gebiet der Nanowissenschaften<br />
und der Nanotechnologie voranzutreiben. Neben der<br />
Bündelung der weit gestreuten Kompetenzen in den<br />
einzelnen Fakultäten soll der NanoClub eine effi ziente<br />
Plattform für regionale Aktivitäten sowie auch auf<br />
Landes-, Bundes- und Europaebene aufbauen. Die<br />
Initiatoren des NanoClubs haben die Bedeutung der<br />
Nanowelt als Motor der Wissensgesellschaft frühzeitig<br />
erkannt, so dass das „Kleine“ „große“ Forschungsergebnisse<br />
induzieren können wird ( siehe: RWTH<br />
Themen, 1/2004, „Vielfalt des Nanokosmos“).<br />
Eine derartige technologische und zukunftsträchtige<br />
Entwicklung sollte auch an den Schulen nicht<br />
vorbeigehen. Deshalb entstand die Idee, die Kompetenzen<br />
z. B. der RWTH nutzbar zu machen. Erfahrungsgemäß<br />
sind alle Hochschulinstitute der RWTH<br />
offen für Besichtigungen mit Lerngruppen, für<br />
Unterstützung durch Literatur und durch Dozenten,<br />
die in den Schulunterricht kommen. Eine solche<br />
Unterstützung wird man an jeder Universität und<br />
Hochschule in Deutschland (und auch im Ausland)<br />
fi nden können. Damit hat die Schule ideale Möglichkeiten,<br />
die Institute mit ihren Forschungslaboren<br />
als „außerschulische Lernorte“ zu nutzen, wobei der<br />
einzigartige Vorteil gegenüber z. B. Technikmuseen<br />
darin besteht, Einblicke und Wissen zu erwerben in<br />
und über aktuellste und modernste Forschung vor<br />
Ort. Darüber hinaus erfordert die Nanotechnologie<br />
als Querschnittstechnologie und ebenso ihre unterrichtliche<br />
Aufarbeitung ein hohes Maß an interdisziplinärer,<br />
fächerverbindender Zusammenarbeit, wobei<br />
Aspekte der Physik, der Chemie, der Biologie und der<br />
Informatik zusammenkommen.<br />
Hinsichtlich der unterrichtlichen Umsetzung bieten<br />
sich folgende Möglichkeiten an. Will man z. B. eine<br />
Institutsbesichtigung durchführen, so muss diese<br />
Exkursion thematisch und inhaltlich vorbereitet werden.<br />
Dazu besorgt man sich vom Institut Informationsmaterial<br />
(Skripten, Veröffentlichungen, Fach- und<br />
Schulbuch, o. Ä.) und bereitet dies so auf, dass es von<br />
der Lerngruppe weitgehend selbstständig, z. B. in<br />
Form des Stationenlernens oder des Gruppenpuzzles,<br />
bearbeitet werden kann. Ergänzend dazu kann man<br />
noch einen der Dozenten oder Forscher zu einem<br />
Unterrichtsvortrag einladen, der das Grundlagenwissen<br />
und Verständnis der Lerngruppe noch erweitert.<br />
Begleitend dazu fi ndet man im Internet, und auch<br />
dies kann von einzelnen Schülerinnen/Schülern<br />
selbstständig geleistet werden, auf den entsprechenden<br />
Websites der Institute weitergehendes Informationsmaterial,<br />
das im Unterricht präsentiert werden<br />
kann. So vorbereitet liefert der Institutsbesuch einen<br />
großen Kompetenzzuwachs auf der Wissens- und
Verständnisebene und auch auf der affektiven Ebene.<br />
Im Übrigen profi tieren alle, nicht nur Schülerinnen<br />
und Schüler, von den Ergebnissen der Nanotechnik,<br />
z. B. durch die zunehmende Miniaturisierung<br />
(„Nanosierung“) im Bereich der Datenspeicherung im<br />
PC oder im MP3-Player. Auch solche Einsichten und<br />
Erkenntnisse lassen sich dabei vermitteln und damit<br />
der zunehmenden Technikfeindlichkeit und Physikablehnung<br />
etwas entgegenwirken. Einige weitere<br />
Möglichkeiten der Lernorganisation zur Nanophysik<br />
sind in der anhängenden Mind-Map 1 angeführt.<br />
Einblicke in das „Reich der Zwerge“<br />
Ein Nanometer ist bekanntlich der milliardste Teil<br />
eines Meters (10-9 m = 0,000 000 001 m ). Ein Nanometer<br />
ist somit zehnmal so groß wie ein Wasserstoffatom<br />
und 50.000-mal kleiner als der Durchmesser<br />
eines menschlichen Haares. Zur Veranschaulichung<br />
kann der folgende Vergleich dienen: Ein Nanopartikel<br />
ist im Verhältnis zu einem Fußball so groß wie der<br />
Fußball im Vergleich zur Erde.<br />
Die typische Längenskala der Nanotechnologie beginnt<br />
unterhalb von 100 nm und umfasst somit den<br />
Bereich zwischen einzelnen Atomen und Molekülen<br />
oder Molekülgruppen. Doch Nanotechnologie bedeutet<br />
weit mehr als das Vordringen in immer kleinere<br />
Dimensionen. Im Nanobereich werden die Gesetzmäßigkeiten<br />
der klassischen Physik aufgehoben.<br />
Nanoobjekte haben neue Eigenschaften, die man bei<br />
größeren Objekten nicht beobachtet. Im Nanobereich<br />
gelten die Gesetze der Quantenphysik, die zwar auch<br />
im makroskopischen Bereich gelten, dort aber nicht<br />
ohne weiteres beobachtet werden können. Ziel der<br />
Nanotechnologie ist es damit, die Ursachen der neuen<br />
Effekte und Eigenschaften aufzuklären und dieses<br />
Wissen in neuen Anwendungen und technischen<br />
Entwicklungen umzusetzen. Aber warum überhaupt<br />
so kleine Dimensionen? Eine Eigenschaft von Nanopartikeln<br />
ist offensichtlich und von einfachen geometrischen<br />
Gegebenheiten abhängig: Ein großer Teil der<br />
Atome eines Nanopartikels befi ndet sich an seiner<br />
Oberfl äche. Bei Nanopartikeln mit z. B. einem Durchmesser<br />
von 1,4 nm, bestehend aus 55 Atomen, befi nden<br />
sich mehr als 75 % der Atome an der Oberfl äche.<br />
Diese Oberfl ächenatome sind chemisch äußerst<br />
aktiv, weshalb ungeschützte Nanopartikel vehement<br />
zueinander streben und aggregieren. Abhilfe kann<br />
eine Hülle aus schützenden organischen Molekülen<br />
(Ligandhülle) schaffen. Die Entwicklung nanotechnologischer<br />
Anwendungen setzt auch geeignete Analysemethoden<br />
voraus, da die Nanoobjekte kleiner sind<br />
als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Deshalb können<br />
herkömmliche Lichtmikroskope nicht verwendet<br />
werden. Zu den heute wichtigsten Analysegeräten für<br />
den Nanobereich zählen die Elektronenmikroskope<br />
und die Rastersondengeräte wie das Rastertunnelmikroskop<br />
und das Rasterkraftmikroskop. Mit diesen<br />
beiden letztgenannten Mikroskopen lassen sich auch<br />
gezielte Manipulationen auf atomarer Ebene vornehmen.<br />
Es können sogar einzelne Atome damit „angefasst“,<br />
transportiert und zu künstlichen und künstlerischen<br />
Strukturen zusammengebaut werden. So hat<br />
man einzelne Manganatome bei tiefen Temperaturen<br />
auf einer Metalloberfl äche zum Logo der RWTH<br />
Aachen angeordnet, wie auf der Abbildung zu sehen<br />
ist (RWTH Themen, 1/2004, „Vielfalt des Nanokosmos“,<br />
Dr. M. Franke).<br />
29
30<br />
Ja, es scheint unglaublich, aber das, was man als<br />
Kügelchen auf der Abbildung sieht, sind tatsächlich<br />
einzelne Atome! Allerdings sieht man diese Atome<br />
nicht direkt, sondern es sind die Stellen auf der<br />
Metalloberfl äche, an denen das Rastertunnelmikroskop<br />
registriert hat, dass dort einzelne Atome erhöht<br />
auf der Metalluntergrundfl äche sitzen. Der Computer<br />
berechnet daraus das gezeigte Bild. Aber der<br />
Sehvorgang mit unseren Augen im sichtbaren Licht<br />
funktioniert im Prinzip genauso: Das Licht fällt durch<br />
die Hornhaut und die Augenlinse in den Augapfel<br />
und trifft am gegenüberliegenden Ende des Auges<br />
auf die Netzhaut. Dort befi nden sich die „Sehzellen“,<br />
die so genannten Stäbchen und Zäpfchen, die bei<br />
Lichteinfall elektrische Signale an das Gehirn senden.<br />
Erst im Gehirn wird daraus das Bild, das wir sehen. Im<br />
Übrigen ist es interessant, dass auf der Netzhaut ein<br />
kopfstehendes und seitenverkehrtes Bild entsteht,<br />
das bei der Umrechnung im Gehirn wieder aufrecht<br />
gestellt und seitenrichtig wiedergegeben wird. Wenn<br />
man sich dieser Tatsachen bewusst ist, fällt es leicht,<br />
vom PC berechnete Bilder aus elektrischen Signalen<br />
der Mikroskopsonden als physikalisch „wahre“ Bilder<br />
zu akzeptieren, denn häufi g wird argumentiert, dies<br />
seien keine „echten“ Bilder.<br />
Damit besitzt die Nanotechnologie als Schlüsseltechnologie<br />
das Potenzial, im 21. Jahrhundert weitreichende<br />
Veränderungen in Technik, Wirtschaft und<br />
Gesellschaft zu erzielen.<br />
Im Folgenden wird an einem Beispiel der RWTH<br />
Aachen der aktuelle Stand der Nanoforschung<br />
beschrieben. Dieses Beispiel ist durchaus in den<br />
Klassenstufen 9 und 10 der Sekundarstufe I und<br />
ebenfalls natürlich auch in der Sekundarstufe II behandelbar.<br />
Der Zeitumfang und die Intensität können<br />
vom einzelnen Lehrer nach seinen eigenen Entschei-<br />
dungen und Bedürfnissen festgelegt werden.<br />
Beispiel aus dem I. Physikalischen Institut<br />
(Prof. Dr. Wuttig) der RWTH Aachen:<br />
Thermosensitive Nanostrukturen und Nanohalbleiter<br />
als universelle Datenspeicher<br />
(Die im Text auftretenden Fachbegriffe, die durch die<br />
Lerngruppe selbstständig mit Hilfe der weiter oben<br />
genannten Hilfsmittel erarbeitet werden können,<br />
sind mit einem Fragezeichen (?) unmittelbar hinter<br />
dem Begriff versehen. Im Anhang fi ndet man zu<br />
diesem Beispiel die Mind-Map 2, die die notwendigen<br />
Sachgebiete aufl istet.)<br />
Moderne Datenspeicher(?) (DVD, Festplatte) erreichen<br />
heutzutage in Sekundenbruchteilen Transferraten(?)<br />
von Millionen von Bits(?). Dabei sind die<br />
Transferrate und die Speicherdichte(?) die beiden<br />
entscheidenden Eigenschaften eines Datenspeichers.<br />
In naher Zukunft erwartet man, dass die Information<br />
von einem Bit einen Platz von etwa 30 nm erreicht<br />
und in weniger als einer Nanosekunde geschrieben<br />
werden kann. Die relevanten Längen- , Zeit- und<br />
Analyseverfahren liegen also im Nanobereich. Zurzeit<br />
wird intensiv nach Datenspeichern gesucht, die alle<br />
positiven Attribute (hohe Speicherdichte, geringer<br />
Stromverbrauch, niedrige Kosten) in sich vereinen.<br />
Auch im I. Physikalischen Institut der RWTH forscht<br />
man daran, wobei man sich mit den in den letzten<br />
Jahren in den Blickpunkt gerückten „Phasenwechselmedien“<br />
beschäftigt. Das besondere Prinzip beruht<br />
dabei auf einer thermisch hervorgerufenen, reversiblen(?)<br />
Phasenumwandlung(?) von einer geordneten<br />
kristallinen(?) Struktur in eine ungeordnete, „amorphe“(?)<br />
Phase. Ausgehend vom kristallinen Zustand<br />
wird zum Schreiben einer Dateneinheit (Bit) ein<br />
winziger Punkt vom Durchmesser einiger hundert
Nanometer des Phasenwechselmediums kurzfristig<br />
(Dauer < 1 ns ) über den Schmelzpunkt erhitzt<br />
und damit verfl üssigt. Beim raschen Abkühlen mit<br />
Raten von 1010 Grad Celsius pro Sekunde bleibt den<br />
Atomen nicht genügend Zeit, sich zur energetisch<br />
günstigeren kristallinen Phase zu ordnen. Die Atome<br />
„frieren“ in einer fl üssigkeitsähnlichen, amorphen<br />
Phase ein. Erhitzt man den Bereich nun mit geringerer<br />
Wärmeleistung(?) aber für längere Zeit über die<br />
Kristallisationstemperatur(?), so ordnen sich die Atome<br />
zum kristallinen Zustand zurück und der Dateninhalt<br />
wird zurückgesetzt. Dabei kann die Erhitzung<br />
durch Laserimpulse(?) (wie bei CD-RW und DVD-RW)<br />
oder durch elektrischen Strom(?) erfolgen (wie bei<br />
den Computer-RAMs).<br />
Man erkennt links den amorphen Zustand mit unregelmäßiger<br />
Atomanordnung, der durch geringere<br />
Energiezufuhr (I: Intensität(?)) über einen erforderlichen<br />
Zeitraum (Dauer > 10 ns) erwärmt wird und deshalb<br />
dann in den kristallinen Zustand mit regelmäßiger<br />
Atomanordnung (rechts) übergeht. Kurzfristige<br />
Energiezufuhr hoher Energie(?) und anschließende<br />
schnelle Abkühlung bringt diesen Zustand wieder<br />
in die amorphe Phase. Das Auslesen der Information<br />
(amorph oder kristallin) erfolgt durch optische Refl exion(?)<br />
des beleuchtenden Laserstrahls und dessen<br />
Auswertung. Dabei liegt das Refl exionsverhalten der<br />
amorphen Phase deutlich unter dem der kristallinen<br />
Phase. Man sucht nun nach geeigneten Materialien,<br />
die die geforderten Eigenschaften besitzen. Geeignete<br />
Phasenwechselmaterialien bestehen aus zwei- bis<br />
vierelementigen Tellurlegierungen(?) mit Edelmetallen(?)<br />
oder Elementen der 3. bis 5. Hauptgruppe, wie<br />
die viel versprechenden Materialien AgSbTe2 oder<br />
AgInTe2. Diese Legierungen bieten den erforderlichen<br />
Refl exionsunterschied zwischen den beiden Phasen.<br />
Dabei fand man heraus, dass Materialien mit hohem<br />
Dichteunterschied(?) zwischen den beiden Phasen<br />
auch diejenigen mit dem erforderlichen Refl exionsunterschied<br />
sind. Diese Materialien haben im Inneren<br />
eine Atomanordnung, bei der jedes Atom 6 nächste<br />
Nachbaratome hat, oder eine kochsalzähnliche(?)<br />
Struktur besitzen. In diesen Atomgittern(?) sind die<br />
Atome besonders dicht gepackt(?). Damit ist es bisher<br />
also gelungen, die Eigenschaften der Phasenwechselmedien<br />
auf die Strukturunterschiede (amorph oder<br />
kristallin) und auf die chemische Zusammensetzung<br />
und damit die Atomgitteranordnung zurückzuführen.<br />
Man erhofft weiterhin, Designregeln(?) zu<br />
entwickeln, damit die Wechselphasenmaterialien<br />
zukünftig neben dem rein wissenschaftlichen Aspekt<br />
auch technologisch und wirtschaftlich zu großer<br />
Bedeutung für die Datenspeicherung und Datenauslese<br />
werden.<br />
Mind-Map 1<br />
Mind-Map 2<br />
31
32<br />
Eine einatomige Nadelspitze<br />
rastert beim RTM die Atomwelt<br />
Stadion aus 76 Eisenatomen<br />
Abperlende Farbe am Lotosblatt<br />
NANO-Igel: Stachelige Flüssigkeit<br />
(Ferrofl uid an Magnetspule)<br />
„Mannometer: Nanometer!“<br />
Die Lernstation zur Nanotechnologie im Deutschen Museum Bonn<br />
Auf eine Expedition in die Welt des Nanokosmos schickt das Deutsche Museum<br />
Bonn Schülerinnen und Schüler ab der 8. Klasse. Bei „Mannometer: Nanometer!“<br />
laden vier interaktive Lernstationen mit Exponaten, Versuchsaufbauten<br />
und Computern zum Experimentieren rund um die Nanotechnologie ein.<br />
Vom Makro- über den Mikrokosmos geht es hinein in den Nanokosmos. Mit<br />
Hilfe von Simulationen und Modellen kann das Rastertunnelmikroskop als<br />
das Werkzeug der Nanotechnologie begriffen werden. Nicht nur Fußballfans<br />
werden verblüfft sein, dass mit der Nanotechnologie Atome wie das berühmte<br />
runde Leder „gekickt“ werden können. Neben solchen faszinierenden Effekten<br />
geht es in der Lernstation aber vor allem um praktische Anwendungsfelder<br />
der Nanotechnologie: etwa einer als Nano-Igel bezeichneten magnetischen<br />
Flüssigkeit zur Zerstörung von Hirntumoren durch Erwärmung; die zunehmende<br />
Miniaturisierung am Beispiel einer schluckbaren Kamera-Kapsel, die<br />
Bilder aus dem Inneren des Körpers liefert oder eine großfl ächige Anwendung<br />
des Lotus-Effects® bei Hausfassaden und Autoblechen. Der außerschulische<br />
Lernort „Deutsches Museum Bonn“ bietet eine interaktive und erlebnisreiche<br />
Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten der Nanotechnologie.<br />
Eine spezielle NanoTour zu technischen und naturwissenschaftlichen Meisterleistungen<br />
im Deutschen Museum Bonn zeigt, was die Nanoforschung mit<br />
Physik, Chemie und Biologie verbindet – und bietet somit eine ideale Anbindung<br />
und Erweiterung des Unterrichts.<br />
Die Lernstationen wurden gemeinsam mit Pädagogen des Vereins „Nanotechnologie<br />
und Schule e. V.“ mit Unterstützung der Bezirksregierung Köln<br />
konzipiert. Die wissenschaftliche Beratung hat Professor Dr. Wolfgang M. Heckl<br />
übernommen, Mitglied im Center for NanoScience der LMU München und<br />
Generaldirektor des Deutschen Museums.
„Mannometer: Nanometer!“<br />
Die Lernstation zur Nanotechnologie<br />
im Deutschen Museum Bonn<br />
Neugierig geworden? Möchten Sie etwa<br />
wissen, weshalb Gerd Binnig Atome mit<br />
Kartoffeln verglichen hat, ein Magnet<br />
fl üssige Stacheln zaubert oder trotz<br />
Schmutz und Dreck kein Fleck entsteht?<br />
Dann schauen Sie unter www.mannometer-nanometer.de<br />
ins Internet und<br />
informieren sich dort. Vertiefendes Material<br />
zur Vorbereitung auf einen Besuch<br />
gibt es mit einem Passwort, das Ihnen<br />
nach verbindlicher Anmeldung mitgeteilt<br />
wird.<br />
Eintrittspreise<br />
Schulklassen, je Schüler: 1,50 Euro<br />
Nutzungsgebühr: 40 Euro<br />
Die Gruppengröße liegt bei circa<br />
20 Personen<br />
Öffnungszeiten<br />
Di – So 10 – 18 Uhr (auch Oster- und<br />
Pfi ngstmontag)<br />
Geschlossen: Weiberfastnacht,<br />
Karnevalsdienstag, Karfreitag, 1. Mai,<br />
24., 25. und 31. Dezember<br />
Barrierefreier Zugang zum Museum ist<br />
nach Anmeldung möglich<br />
Das Projekt wird von vielen Partnern unterstützt.<br />
Hauptsponsor ist die Degussa<br />
Stiftung, Düsseldorf<br />
Deutsches Museum Bonn<br />
im Wissenschaftszentrum<br />
Ahrstraße 45, D-53175 Bonn<br />
Telefon 0228 - 302 -255<br />
Telefax 0228 - 302 -254<br />
E-Mail: info@deutsches-museum-bonn.de<br />
www.deutsches-museum-bonn.de<br />
33
34<br />
Im Forschungszentrum Jülich können Sie den Wissenschaftlern<br />
bei ihrer Arbeit direkt über die Schulter<br />
schauen. Dabei bekommen Sie auf Ihre Fragen<br />
kompetente Antworten aus erster Hand. In Jülich<br />
arbeiten 4300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter<br />
– darunter etwa 1000 Wissenschaftler, 400 Doktoranden,<br />
250 Diplomanden und 300 Auszubildende.<br />
Den Forschern über<br />
die Schulter sehen ...<br />
Die multidisziplinäre Ausrichtung des Zentrums mit<br />
einem breiten Spektrum von Forschungsthemen und<br />
Ausbildungsberufen bietet die Chance, bei Ihrem Besuch<br />
auch unterschiedliche Themengebiete kennen<br />
zu lernen.<br />
Das Forschungsprogramm ordnet sich unter fünf<br />
Schwerpunkte: „Materie“, „Energie“, „Information“,<br />
„Leben“ sowie „Umwelt“.<br />
Ziel dieser Schwerpunkte ist es,<br />
•den Aufbau und die Eigenschaften unserer Materie<br />
zu verstehen und mit diesem Wissen Materialien<br />
für viele Bereiche der Technik zur Verfügung zu<br />
stellen;<br />
•Optionen für eine langfristige und umweltfreundliche<br />
Energieversorgung der ständig wachsenden<br />
Weltbevölkerung zu entwickeln;<br />
•neue Entwicklungen in der Informationstechnik<br />
zu realisieren. Zu diesem Bereich gehört auch das<br />
Kompetenzzentrum „Nanoelektronik“ mit seinen<br />
modernen Technologien der Halbleiter- und Biophysik<br />
sowie die Sensorik;<br />
•das Wissen um die biologischen Vorgänge im<br />
menschlichen Körper – insbesondere im Gehirn<br />
– auf physikalischer und molekularer Ebene zu<br />
erweitern;<br />
•die Chemie und Physik der Umwelt zu erforschen<br />
sowie Bedrohungen für die Umwelt zu erkennen<br />
und abzuwenden.
Wir bieten interessierten Gruppen eine<br />
Besichtigung unserer Institute an. Während<br />
des Besuchs werden Sie von einem sachkundigen<br />
Mitarbeiter des Forschungszentrums<br />
betreut. Im Rahmen einer Rundfahrt sehen<br />
Sie auch das etwa 2 qkm große Gelände des<br />
Forschungszentrums. Danach folgen die Besichtigungen.<br />
Dort lernen Sie die Arbeitsplätze,<br />
Forschungsziele und Methoden der jeweiligen<br />
Gruppe kennen.<br />
Interessenten ...<br />
... für ein kostenloses Besichtigungsprogramm<br />
werden um einen ersten Kontakt und danach<br />
um eine schriftliche Anmeldung gebeten. Wir<br />
informieren Sie über mögliche Termine und<br />
die notwendigen Formalitäten:<br />
Forschungszentrum Jülich<br />
Öffentlichkeitsarbeit<br />
Gerda Müsgen<br />
52425 Jülich<br />
Tel.: 02461 - 61 -4662<br />
Fax: 02461 - 61 -8262<br />
Ganz neu: Das Ju-Lab!<br />
Bereits seit vielen Jahren bietet das Forschungszentrum<br />
Jülich Aktivitäten für Schülerinnen<br />
und Schüler an. Dieses Angebot wird<br />
jetzt wesentlich erweitert.<br />
Ab April 2005 wird es auf dem Campus des<br />
Forschungszentrums Jülich ein neues Labor<br />
für Schüler und Lehrer geben: Das Schülerlabor<br />
„Ju-Lab“!<br />
Im Schülerlabor wollen wir spannenden Fragen<br />
nachgehen:<br />
„Was hält die Welt im Innersten zusammen?“<br />
„Wozu Teilchen beschleunigen?“<br />
„Gutes Ozon, schlechtes Ozon.“<br />
„Wirbelstrom bremst Straßenbahn!“<br />
„Wie empfi ndlich ist die Mimose?“<br />
Weitere Infos und Anmeldung unter:<br />
www.julab.de<br />
35
Impressum<br />
Herausgeber<br />
Arbeitgeberverband Gesamtmetall – THINK ING.<br />
Wolfgang Gollub (verantwortlich)<br />
Voßstraße 16, 10117 Berlin<br />
Nanotechnologie und Schule e. V.<br />
Vorsitzender: Dr. Wolfgang Welz<br />
Am Schänzchen 25, 53111 Bonn<br />
Redaktion<br />
Dr. Wolfgang Welz (S. 2)<br />
Vorsitzender des Vereins „Nanotechnologie und Schule e. V.“<br />
Dezernent der Oberen Schulaufsicht in NRW<br />
Prof. Dr. Manfred Euler (S. 8)<br />
IPN, Universität Kiel<br />
Dr. Ruth Schellberg (S. 12, S. 32)<br />
Deutsches Museum Bonn<br />
Dr. Ralf Ricken (S. 4)<br />
Hardtberg-Gymnasium, Bonn<br />
Detlef Werner (S. 19)<br />
Siebengebirgsgymnasium, Bad Honnef<br />
Dr. Almuth Hilger (S. 24)<br />
Studienseminar für Lehrämter an Schulen, Aachen<br />
Bernhard Hummel (S. 28)<br />
Fachleiter für Physik, Studienseminar für Lehrämter an Schulen, Aachen<br />
CNI – Center of Nanoelectronic for Information Systems<br />
Forschungszentrum Jülich (S. 34)<br />
Konzept, Redaktion, Illustrationen,<br />
digitale Realisation, Produktion<br />
MIC GmbH<br />
Aachener Straße 1, 50674 Köln<br />
www.mic-net.de, www.hotpiranja.de<br />
Druck und Verarbeitung<br />
Mohn Media, Mohndruck GmbH<br />
33311 Gütersloh<br />
Verlag<br />
Aulis Verlag Deubner GmbH & Co. KG, 50672 Köln<br />
ISBN 3-7611-2587-2<br />
Bestellungen<br />
www.nano-ev.de, www.mic-net.de<br />
micgmbh@netcologne.de<br />
1. Auflage 2005, 80.000 Exemplare<br />
© Arbeitgeberverband Gesamtmetall – THINK ING.<br />
Förderer<br />
AULIS VERLAG<br />
DEUBNER