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)
Mikro und Nanoschichten
Der Begriff „Nano“ wird u.a. über eine Schichtdicken- und Interferenzmessung an einer Seifenblase eingeführt und definiert. Konkret bedeutet dies eine Vermessung der Seifenblase (Durchmesser, Gewicht) und eine Ermittlung der Schichtdicke.In einem zweiten Versuch wird das schillernde Farbenspiel (Interferenz) an dünnen Schichten untersucht.
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Charakterisierung von Oberflächen
Kontaktwinkelmessungen (Benetzbarkeit) werden an verschiedenen Oberflächen, die wasserliebende (hydrophile), aber auch wasserabstoßende (hydrophobe) Eigenschaften aufweisen, durchgeführt.Wer gewinnt das Wettrennen und wird nicht nass, die heimischen Gewächse Kapuzinerkresse oder Frauenmantel, ein Kohlrabiblatt oder gar das „Nanotextil“?
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Rasterkraftmikroskopie
In diesem Versuch bieten wir die Möglichkeit die Mikro- und Nanostrukturierung von Oberflächen mittels eines Rasterkraftmikroskops („Schüler-AFM“) zu untersuchen und sie hinsichtlich ihrer Rauheit zu charakterisieren. Es folgt die Ermittlung von Zusammenhängen z.B. zwischen Beschaffenheit und Benetzungsvermögen (Lotus-Effekt).Außerdem kann die Dicke eines Haares ermittelt oder ein Computerchip vermesse werden. Mitgebrachte Messproben können ebenfalls bis auf Nanoebene charakterisiert werden. Zur Einführung in die Rasterkraftmikroskopie steht eine simulierte Messumgebung am PC zur Verfügung.
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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 und wie diese Schalter im Alltag genutzt werden können und bereits werden.Bei mehrtägigen Besuchen im klick!:labor oder einer fokussierten Themenauswahl auf chemische Schalter kann die eigene Synthese einer „Schalterverbindung“ im Vordergrund stehen.
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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.

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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.

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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.

Der NDR besucht die Kieler Forschungswerkstatt

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Im Rahmen der Aktion „Wir bei Euch – Wünsch Dir Deinen NDR“ besuchte das NDR Fernsehen kürzlich das klick!:labor. Wissensmagazin Plietsch-Moderator Tim Berendonk verbrachte einen Tag in der Kieler Forschungswerkstatt. Dafür schlüpfte er in die Rolle von Schülerinnen und Schülern, die sonst das klick! besuchen, und experimentierte mit Alltagsschaltern, Goldnanopartikeln, Seifenblasen sowie einem Rasterkraftmikroskop. „Wir machen DICH plietsch!“ – so wurde ich in der Kieler Forschungswerkstatt im klick!:labor begrüßt! Damit durfte ich die Rollen wechseln und einen tollen Tag mit Insa, Klaus und Stefan verbringen! Echt klasse!“ sagt Tim Berendonk nach einem spannenden Tag voller Experimente.

Der Filmbeitrag und ein ausführlicher Bericht sind abrufbar unter: www.ndr.de/wuensch_dir_deinen_ndr/Tim-Berendonk-in-der-Kieler-Forschungswerkstatt,wunschberendonk104.html.

Gemeinsame Lehrerfortbildung von nawi:werft und klick!:labor am 28.4.2016

  Zeitmessung

Viele Themen des naturwissenschaftlichen Unterrichts sind direkt mit aktuellen Fragen des Alltags oder großen gesellschaftlichen Zukunftsfragen verknüpft und führen von dort in hochaktuelle Forschungsfragen, z.B. zu Funktionsmaterialien, Nanotechnologie und Datenverarbeitung. Für Lehrkräfte ist es eine große Herausforderung, sich diese Themen für die Sekundarstufen so zu erschließen, dass sie sie ihren Schülerinnen und Schülern kompetent und spannend vermitteln können. Unter dem Titel "Neue experimentelle Ansätze aus dem Themengebiet Datenverarbeitung, Funktionsmaterialien und Nanotechnologie für den naturwissenschaftlichen Unterricht" wird am 28. April 2016 von 15 Uhr bis 18 Uhr eine praxisnahe Lehrerfortbildung in den Räumlichkeiten der Kieler Forschungswerkstatt angeboten.

Die Fortbildung findet im Rahmen des Projekts Transfer Wissenschaft Schule (TWS) statt. Interessierte melden sich bitte über das entsprechende Buchungssystem an: TWS-Buchungssystem

Die Fortbildung bereitet optimal einen Besuch in den Schülerlaborprogrammen nawi:werft und klick! vor. Wir freuen uns auf Ihr Kommen!

Folgender Programmablauf ist geplant (Änderungen vorbehalten):

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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.