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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) <strong>Faszination</strong> 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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