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.

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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.

junior:klick! für die 8.-10. Klassenstufe

Das Programm junior:klick! des klick!:labors beschäftigt sich mit nanotechnologischen Inhalten und stellt somit eine optimale Ergänzung für den Unterricht dar. Zudem ist das konzipierte Programm an den gültigen Leitfaden zu den Fachanforderungen angelehnt und ermöglicht Lernenden einen breiten und alltagsbezogenen Einblick in die Welt der Naturwissenschaften.

Junior:klick! ist für Schülerinnen und Schüler der Klassenstufen 8-10 (NaWi / WPU / Chemie / Physik) ausgelegt und richtet sich an Gemeinschaftsschulen und Gymnasien. Das neue Programm ist aus sieben Experimentierstationen und einer Abschlussstation aufgebaut.

  • Herstellung von Silbernanopartikeln
  • Untersuchung einer Sonnencreme
  • Freisetzung von Nanopartikeln
  • Einfluss von Nanopartikeln – Chancen und Risiken
  • Volumen-Oberflächen-Verhältnis
  • Rasterkraftmikroskop (AFM)
  • Kontaktwinkelmessung
  • Abschlussstation: Quiz und Podiumsdiskussion

Die Schülerinnen und Schüler arbeiten in Vierer-Gruppen und durchlaufen alle sieben Stationen, wobei die einzelnen Gruppen an jeweils unterschiedlichen Stationen beginnen. Um die erlernten Inhalte möglichst gut sichern und zusammenfassen zu können, wird anschließend ein Quiz „All around nano“ sowie eine Podiumsdiskussion zum Thema „Nanopartikel im Alltag – Fluch oder Segen“ durchgeführt.

Zudem wird eine schulische Vor- und Nachbereitung angeboten, die in Form einer ausgearbeiteten Doppelstunde (jeweils vor und nach dem Besuch) konzipiert ist und Ihnen bereitgestellt werden kann. Diese 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.

Im Folgenden werden exemplarisch zwei Experimentierstationen vorgestellt, um einen kurzen Einblick in das Laborgeschehen und das Programm zu verschaffen.

Einfluss von Nanopartikeln – Chancen und Risiken

Nanopartikel finden immer mehr und mehr Einzug in unseren Alltag, sie werden in Sonnencremes, Peeling Cremes, Wundpflastern, Wandfarben, Lacken und vielen anderen Produkten eingesetzt. Diese bringen herausragende Eigenschaften mit, indem sie unter anderem antibakteriell wirken, Schutzschichten bilden, Wasser von organischen Stoffen reinigen.

Allerdings führen diese dennoch Risiken mit sich, da sie mit der Zeit aus den Nanoprodukten heraus ins Abwasser, Gewässer, Luft und Boden gelangen, wo sie von Menschen über die Haut, Mund und Nase aufgenommen werden können. Da bislang die Wirkung von Nanopartikeln auf tierische Organismen noch nicht weit erforscht ist, gelten diese als unbedenklich. Bei dieser Station sollen, durch Experimente unterstützt, die unterschiedlichen Vor- und Nachteile des Einsatzes von Nanopartikeln im Alltag ausgearbeitet werden. Hierbei wird offensichtlich, dass jeglicher Einsatz von nano sowohl unschätzbare Potenziale als auch nicht zu vernachlässigbare Risiken mit sich bringt. Die Dosis macht das Gift.

Volumen-Oberflächen-Verhältnis

Nanoskalige Objekte sind überall zu finden – in der Natur sowie in der von Menschen gemachten Technologie – denn diese führen eine Besonderheit mit sich. Aufgrund ihrer Größe weisen sie stark ausgeprägte Eigenschaften auf, die sie unter anderem reaktiver, schneller und lichtanfälliger macht. Macht man sich diese Eigenschaft zunutze, so können viele alltägliche Reaktionen beschleunigt werden, wie etwa das Lösen von Zucker im Tee oder vom Salz in der Suppe. Aber auch die Natur baut darauf, so können Frösche an einem Fenster hochlaufen, während eine Maus wegrutschen würde. All diese Alltagsgegebenheiten haben im Falle nanoskaliger Objekte den Grund einer größeren Oberfläche, an der entsprechend zeitgleich mehr Reaktionen ablaufen und mehr Wechselwirkungen ausgebildet werden können.

In dieser Station soll den Lernenden deutlich gemacht werden, dass durch die Generierung nanoskaliger Objekte eine Oberflächenvergrößerung erzielt wird. Zudem soll dem Phänomen, dass einige Tiere eine glatte Wand hochlaufen können, nachgegangen werden. Dies soll unter anderem am Beispiel eines Geckos veranschaulicht und entsprechende Gesetzmäßigkeiten aufgestellt werden.

Nach Wunsch können Sie vor Ihrem Besuch im junior-klick!:labor noch weitere detaillierte Informationen zu dem Programm erfahren. Melden Sie sich gerne bei uns!

weisermann@ipn.uni-kiel.de

Wir freuen uns auf Ihren Besuch!

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.