Schülerinnen erhalten eine Einführung ins Rasterkraftmikroskop bevor sie selbst nanostrukturierte Proben vermessen

klicklabor

Wo kommen wir im Alltag mit Nanotechnologie in Berührung?

Ist Nano für uns gefährlich? Erkundungen in diese verborgene Welt können im klick!:labor mit einem besonderen Mikroskop, dem Rasterkraftmikroskop, unternommen werden. Außerdem werden chemische Schalter, Moleküle, die auf Kommando ihre Eigenschaft, wie Farbigkeit oder Magnetismus ändern können, erkundet. Vielfältig sind die Anwendungen dieser besonderen Schalter im Alltag und spannend die damit verbundene Forschung.


Viele dieser Versuche wurden in Zusammenarbeit mit dem Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ konzipiert.


Angebote

Das Schülerlabor klick! bietet den Lernenden miteinander verknüpfte methodische Zugänge: experimentelle Untersuchungen, multimediale Modellbetrachtungen zur Auswertung der Experimente und zur Deutung der Phänomene sowie Anregungen zum Vergleich der eigenen Experimente und Modelle mit authentischen Arbeiten der Fachwissenschaftler aus der Forschung.

Die Lernenden sollen Einblicke in die Deutung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen verschiedener Niveaus erhalten, moderne Charakterisierungsmethoden kennen lernen und die vielfältigen Möglichkeiten der Gestaltung von Schaltern exemplarisch untersuchen.

Während Lichtschalter wenig spektakulär sind, bieten funktionalisierte Moleküle oder Salze, die man zum Beispiel in sich verdunkelnden Sonnenbrillen oder auch in zahlreichen biochemischen Prozessen im menschlichen Körper findet, ein großes Motivationspotenzial.

Angeboten werden im klick! drei Teilgebiete aus denen von den Schülerinnen und Schülern vorab frei gewählt werden kann:

  • Nano-Grundlagen
  • Methoden und Verfahren
  • Schalter

Aufgeschlüsselt werden diese durch folgende Leitfragen:

  • Was bedeutet Nano-Wissenschaft, wie lassen sich die besonderen Eigenschaften der Nano-Welt erklären? Welche Chancen und Risiken gibt es? (Stationen zur Nanotechnologie)
  • Mit welchen Methoden und Verfahren lassen sich Nanostrukturen und Funktionen untersuchen? Wie können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler z.B. Oberflächen modifizieren? (Stationen zu Methoden und Verfahren)
  • Welche Prinzipien des chemischen und physikalischen Schaltens von Materie werden zur Konstruktion von (Nano)Schaltern ausgenutzt? Welche Alltagsprodukte gibt es in diesem Bereich bereits? (Stationen zu chemischen Schaltern)
klick! für die 10.-13. Klassenstufe

Angeboten werden im klick! drei Teilgebiete aus denen von den Schülerinnen und Schülern am Tag des Besuchs frei gewählt werden kann. Dieser Bereich wird dann vornehmlich bearbeitet. Folgende Experimente sind den jeweilgen Bereichen zugeordnet. Exemplarisch werden Beispiele am Ende dieser Webseite gegeben.

  • 1: Nano-Grundlagen
  • Schichtdicke einer Seifenblase
  • Herstellung von Goldnanopartikeln
  • Photokatalyse durch Zinkoxidnanopartikeln
  • Herstellung von Zinkoxidnanopartikeln
  • 2: Methoden und Verfahren
  • Interferenz an Seifenblasen
  • Rasterkraftmikroskopie (AFM)
  • Rastertunnelmikroskopie (STM)
  • Kontaktwinkelmessung
  • Generierung von modifizierten Oberflächen
  • 3: Schalter
  • Alltagsschalter
  • Schalten mit Wärme: Ampelthermochrom
  • Schalten mit Licht: Spriropyran
  • Schalten mit Strom: Farbe auf Knopfdruck

Beispiel aus Themenbereich 1: "Schichtdicke einer Seifenblase"

Der Begriff „Nano“ wird u.a. über eine Schichtdicken- und Interferenzmessung an einer Seifenblase mit den Schülerinnen und Schülern erarbeitet sowie definiert. Konkret bedeutet dies eine Vermessung der Seifenblase hinsichtlich ihres Durchmesser und ihres Gewicht. Zusammen mit den Daten zur Dichte der verwendeten Seifenblasenflüssigkeit kann die Ermittlung der Seifenblasenschichtdicke erfolgen. In einem zweiten Versuch wird das schillernde Farbenspiel (Interferenz) an dünnen Schichten untersucht. Diese kann nicht nur bei Seifenblasen, sondern auch auf vielfältige Weise im Tierreich beobachtet werden. Beispiele sind das Gefieder eines Kolibris, die Flügel eines Schmetterlings und die Schalenoberfläche der Meeresschnecke Haliotis.

Beispiel aus Themenbereich 2: "Rasterkraftmiroskopie"

In diesem Versuch bieten wir die Möglichkeit die Mikro- und Nanostrukturierung von Oberflächen mittels eines Rasterkraftmikroskops („Schüler-AFM“) zu untersuchen. Diese Oberflächen können ebenfalls hinsichtlich ihrer Rauheit charakterisiert werden.

Es folgt die Ermittlung von Zusammenhängen z.B. zwischen Beschaffenheit und Benetzungsvermögen (Lotus-Effekt). Außerdem kann die Dicke eines Haares ermittelt oder ein Computerchip vermessen werden. Mitgebrachte Messproben können ebenfalls bis auf Nanoebene charakterisiert werden.

Neuerdings steht ein Rastertunnelmikroskop (STM) im klick! zur Verfügung. Das STM ermöglicht Darstellungen bis auf molekulare Ebene.

Beispiel aus Themenbereich 3: "Chemische Schalter"

Molekulare Schalter reagieren auf externe Reize wie Licht oder Temperaturveränderung mit einer optischen Änderung, z.B. ihres Erscheinungsbildes. In diesem Themenbereich wird ergründet welche Mechanismen einer Farbänderung zu Grunde liegen. Im Alltag nutzen wir diverse Schaltprodukte ganz selbstverständlich. Dazu gehören elektrochrome, abdunkelbare Rückspiegel in Autos, thermochrome Babylöffel oder Badeenten sowie photochrome Brillen. Selten werden aber die damit verbundenen chemischen Zusammenhänge hinterfragt.

Bei mehrtägigen Besuchen im klick!:labor oder einer fokussierten Themenauswahl auf molekulare Schalter kann die eigene Synthese einer „Schalterverbindung“ im Vordergrund stehen.

nawi:klick! für die 8. bis 10. Klassenstufe

Im Angebot nawi:klick! beschäftigen sich Schülerinnen und Schüler der 8. bis 10. Klasse an Gemeinschaftsschulen und Gymnasien mit nanotechnologischen Inhalten. Das neukonzipierte Programm ist an den gültigen Leitfaden zu den Fachanforderungen angelehnt, so dass der Laborbesuch eine optimale Ergänzung für den Unterricht in den Fächern NaWi, WPU, Chemie und Physik darstellt. Zudem erhalten die Lernenden einen breiten und alltagsbezogenen Einblick in die Welt der Naturwissenschaften.

Sechs Experimentierstationen und eine Abschlussstation

Das neue Programm ist aufgebaut aus sechs Experimentierstationen und einer Abschlussstation:

  • Herstellung von Silbernanopartikeln
  • Untersuchung einer Sonnencreme
  • Einfluss von Nanopartikeln – Chancen und Risiken
  • Oberfläche-zu-Volumen- Verhältnis
  • Untersuchungen am Rasterkraftmikroskop (AFM)
  • Kontaktwinkelmessung
  • Abschlussstation: Quiz

Der Labortag

An ihrem Labortag arbeiten die Schülerinnen und Schüler in Zweier- bis Vierer-Gruppen. Sie durchlaufen nacheinander alle sechs Stationen, wobei die einzelnen Gruppen an jeweils unterschiedlichen Stationen beginnen. Um die erlernten Inhalte möglichst gut sichern und zusammenfassen zu können, absolvieren die Jugendlichen abschließend das Quiz „All around nano“.

Vor- und Nachbereitung des Besuches im nawi:klick!

Das Angebot nawi:klick! beinhaltet eine schulische Vor- und Nachbereitung, die jeweils in Form einer ausgearbeiteten Doppelstunde vor und nach dem Laborbesuch konzipiert ist. Das Unterrichtsmaterial wird den Lehrkräften auf Wunsch gerne zur Verfügung gestellt. Es bereitet die Lernenden vorab auf den Ablauf und die Thematik des Labors vor und sorgt nach dem Besuch für eine ausführliche Klärung aller offen gebliebener Fragen sowie eine Wiederholung und Sicherung der gelernten Inhalte.

Beispiele

Die folgende Vorstellung von zwei der insgesamt sieben Experimentierstationen gibt einen kurzen Einblick in das Laborgeschehen und das Programm nawi:klick!.

Einfluss von Nanopartikeln – Chancen und Risiken

Nanopartikel finden mehr und mehr Einzug in unseren Alltag. Sie werden in Sonnencremes, Peeling Cremes, Wundpflastern, Wandfarben, Lacken und vielen anderen Produkten eingesetzt, da sie herausragende Eigenschaften mitbringen. So wirken sie unter anderem antibakteriell, bilden Schutzschichten oder reinigen Wasser von organischen Stoffen. Allerdings führt der Einsatz von Nanopartikeln auch Risiken mit sich, da sie mit der Zeit aus den Produkten heraus ins Abwasser, in Gewässer, in die Luft oder in den Boden gelangen. Hier wiederum können Menschen und Tieren sie über die Haut, den Mund und die Nase aufnehmen. Da die Wirkung von Nanopartikeln auf tierische Organismen bislang jedoch noch nicht weit erforscht ist, gelten diese als unbedenklich.

 

An der Station „Einfluss von Nanopartikeln – Chancen und Risiken“ erarbeiten die Schülerinnen und Schüler, durch Experimente unterstützt, die unterschiedlichen Vor- und Nachteile des Einsatzes von Nanopartikeln im Alltag. Hierbei wird offensichtlich, dass jeglicher Einsatz von nano sowohl unschätzbare Potenziale als auch nicht zu vernachlässigbare Risiken mit sich bringt. Auch hier gilt: „Die Dosis macht das Gift.“

Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis

Nanoskalige Objekte sind überall zu finden – in der Natur sowie in der von Menschen gemachten Technologie. Dies liegt daran, dass sie eine Besonderheit mit sich führen: Aufgrund ihrer Größe weisen sie stark ausgeprägte Eigenschaften auf, die sie unter anderem reaktiver, schneller und lichtanfälliger machen. Wenn man sich diese Eigenschaft zunutze macht, können viele alltägliche Reaktionen beschleunigt werden. So erleichtern sie etwa das Lösen von Zucker im Tee oder von Salz in der Suppe. Aber auch die Natur baut darauf. Frösche beispielsweise können an einem Fenster hochlaufen, während eine Maus wegrutschen würde. Der Grund dafür, ist die größere Oberfläche, die wiederum auf nanoskalige Objekte zurückzuführen ist. An dieser können zeitgleich mehr Reaktionen ablaufen und mehr Wechselwirkungen ausgebildet werden.

 

Die Schülerinnen und Schüler lernen an dieser Station, dass die Generierung nanoskaliger Objekte eine Oberflächenvergrößerung bewirkt. Eine chemische Reaktion mit unterschiedlich großen Kartoffelstücken macht dies in einem Experiment sichtbar. Zudem gehen die Jugendlichen dem Phänomen nach, dass einige Tiere eine glatte Wand hinauflaufen können. Die Veranschaulichung erfolgt unter anderem am Beispiel eines Geckos. Abschließend werden entsprechende Gesetzmäßigkeiten aufgestellt.

Nach Wunsch können Sie vor Ihrem Besuch im Schülerlabor nawi:klick! noch weitere detaillierte Informationen zu dem Programm erfahren. Schicken Sie uns gerne eine E-Mail an: weisermann@ipn.uni-kiel.de

Wir freuen uns auf Ihren Besuch!

Lehrerfortbildungen
Die Kieler Forschungswerkstatt bietet nicht nur Programme für Schülerinnen und Schüler an, sondern ermöglicht auch Lehrerinnen und Lehrern neue Anregungen und Impulse für ihren Unterricht zu erhalten. Durch unsere Lehrerfortbildungen bekommen Sie die Möglichkeit sich über aktuelle Forschungsthemen zu informieren. Sie erhalten Tipps und Anregungen, wie diese in den Unterricht zu integrieren und an Lehrplanthemen anzugliedern sind.
Vorab stellen wir eine obligatorische und kostenlose praktische Einführung mit dem Titel „Nanotechnologie im Alltag“ zur Verfügung. Diese Stationsarbeit wird im Rahmen von ein bis zwei schulischen Doppelstunden vorbereitend durchgeführt.
Nach Vereinbarung eines klick!:labor Besuchs geht Ihnen das Experimentierpaket postlisch zu oder kann nach Terminvereinbarung abgeholt werden.