Nanochemie Modul Gesamtversion PowerPoint ... - Swiss Nano Cube

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für 

Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen 

Nanochemie Modul 

Präsentationen für Lehrpersonen 

Dezember 2010 

Stephan Knébel, Marianne Dietiker, Christoph Meili 

Modulsponsor: 

Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung 

der Metrohm Stiftung Herisau realisiert.

Kontakt: 

Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 

Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen 

Tel. +41 (0) 71 274 72 66 

Mail: info@innovationsgesellschaft.ch 

www.swissnanocube.ch 

Version Dezember 2010 


Dieses Modul wurde von der Innovationsgesellschaft St. Gallen im Rahmen des Projektes 

Swiss Nano-Cube realisiert. Autoren: Stephan Knébel, Marianne Dietiker, Christoph Meili. 

Bild Titelseite: Swiss Nano-Cube 

Stephan Knébel 

M.Sc. Biol. ETH 

Assistenz der Projektleitung 

Telefon: +41 (0)71 274 74 18 

E-Mail: stephan.knebel@innovationsgesellschaft.ch 

Aufgabenbereich: Wissenschaftliche Aufarbeitung, Gestaltung, Layout 

Marianne Dietiker 

Dipl. Werkstoffing. ETH, Primar- und Realschullehrerin 

Projektleitung Swiss Nano-Cube 

Telefon: +41 (0)71 274 72 66 

E-Mail: marianne.dietiker@innovationsgesellschaft.ch 

Aufgabenbereich: Didaktik, methodische Entwicklung 

Dr. Christoph Meili 

Dr. oec HSG / Dipl. Natw. ETH, ehem. Chemie- und Biologielehrer 

CEO Innovationsgesellschaft 

Telefon: +41 (0)71 274 74 18 

E-Mail: christoph.meili@unisg.ch 

Aufgabenbereich: Leitung Gesamtprojekt Swiss Nano-Cube 

© Swiss Nano-Cube/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch Kontakt

Inhaltsübersicht 

1. Pyrophores Eisen: PowerPoint-Präsentation 

Veränderte Verbrennungseigenschaften von nanoskaligem Eisen. 

Veränderte Reaktivität von Nanopartikeln durch Oberflächeneffekt. 

2. Ferrofluid: PowerPoint-Präsentation 

Veränderung der magnetischen Eigenschaften von nanoskaligen 

Ferromagneten. 

Superparamagnetische Nanopartikel. 

3. Flüssigkristalle: PowerPoint-Präsentation 

4. Goldrubinglas: PowerPoint-Präsentation 

Optische Eigenschaften von nanoskaligem Gold. 

5. Nanogold: PowerPoint-Präsentation 

Anwendung von Goldkolloiden beim Einfärben von Glasmaterialien. 

Veränderung der optischen Eigenschaften bei nanoskaligem Gold. 


Anwendung von Ferrofluiden zum Beispiel in der Tumorbekämpfung. 

Farbveränderungen von Materialien induziert durch die Veränderung der 

kristallinen Struktur in der Nanodimension. 

Flüssigkristalle als Kombination von Flüssigkeitseigenschaften mit 

kristalliner, nanodimensionaler Ordnung. 

Anwendung von Flüssigkristallen in Temperatursensoren oder LCD’s. 

Löslichkeit von Nanopartikeln aufgrund ihrer funktionalen Oberfläche. 

Anwendung von Goldkolloiden zum Beispiel in Schwangerschaftstests. 

© Swiss Nano-Cube/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch Übersicht

Bilder vorangehende Seite: Swiss Nano-Cube 


© Swiss Nano-Cube/Dezember 2010 www.swissnanocube.ch Nanochemie



Pyrophores Eisen 

PowerPoint-Präsentation 

Dezember 2010 





Kontakt: 



Tel. +41 (0) 71 274 72 66 











Pyrophores Eisen 

Spontane Oxidation von Eisen-Nanopartikeln 


Dieses Modul wurde mit freundlicher Unterstützung der 

Metrohm Stiftung Herisau realisiert. 

Datum: 

Dezember 2010 

Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft 


Tel. +41 (0) 71 274 72 66, info@swissnanocube.ch 


Spontane Verbrennung von Eisen-Nanopartikeln 

Quelle: Swiss Nano-Cube 

Pyrophore Eisen-Nanopartikel 

Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Pyrophores Eisen“ zu finden. 

© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St.Gallen 

2 

1

Inhalt 

Einführung 

Experimentelle Durchführung 

Materialien, Chemikalien, Vorgehen 

Sicherheitshinweise 

Theoretische Grundlagen 

Oberflächeneffekt 

Repetition: Oxidation/Verbrennung 

Herstellung Pyrophores Eisen 

Lernziele/Kontrollfragen 


Einführung 

Auflösen von Zucker in Wasser 

Wie kann man das Auflösen eines 

Zuckerwürfels im Tee beschleunigen? 



3 

4 

2

Einführung 

Auflösen von Zucker in Wasser: Pulver löst sich 

schneller als grosse Kristalle. 

Nach 1 min Nach 3 min 

Vergleich: Kandis-Zucker mit Kristall-Zucker 



Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen 

Herstellung von Ammoniumeisenoxalat: 

Di-Ammoniumoxalat 

Ammoniumeisen(II)-Sulfat 

Destilliertes Wasser 



5 

6 

3


Video: Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen 

Video Pyrophores Eisen 





Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe 


7 

8 

4



Spezifische Oberfläche = Oberfläche / Kubikmeter 

Kantenläng =1 cm 

Volumen = 1 cm 3 

Fläche = 1 cm 2 


Kantenlänge =0.5 cm 

Gesamtvolumen = 1 cm 3 

Gesamtfläche = 6 cm 2 


Kleiner Exkurs in die Biologie: 

Warum sind alle einzelligen Lebewesen so winzig? 

Einzeller, Quelle: Wikipedia 


9 

03.12.2 

010 

10 

5


Kleiner Exkurs in die Biologie: 

Einzellige Organismen nehmen ihre Nahrung ausschliesslich 

über ihre äussere Hülle (Zellmembran) auf. 

Je grösser das Volumen, desto geringer das Verhältnis von 

Oberfläche zu Volumen: 


1 cm 3 = >1 cm 2 Verhältnis: 1/1 



Einzellige Organismen sind begrenzt in ihrer Grösse. 

Die einzige Schnittstelle zur Umgebung ist immer nur die 

Oberfläche! 



Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität 

Je kleiner ein Partikel, desto höher der relative Anteil der 

Atome/Moleküle, die sich direkt an der Oberfläche befinden. 

Zudem: Die Atome an der Oberfläche sind einer geringeren 

Bindungskraft aus dem Inneren des Partikels ausgesetzt. 

Nur die Atome/Moleküle an der Oberfläche können mit der Umgebung 

interagieren. 

Folglich: Stärkere Wechselwirkungen der Atome des Partikels mit der 

Umgebung des Partikels. 

© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St.Gallen 12 

11 

6


Oberflächeneffekt bei Eisen-Nanopartikeln 

Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität 

Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit der Umgebung. 

Zum Beispiel: Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit Sauerstoff aus 

der Umgebung. 

Verbrennung bereits „spontan“ bei Raumtemperatur: Pyrophores Eisen. 

Pyrophor = leicht entzündlich 

Bei makroskopischem Eisen: Oxidation/Verbrennung auch bei 

Temperaturen von mehr als 600 °C nur sehr langsam. 




Was ist der Unterschied zwischen einer 

Oxidation und einer Verbrennung? 


14 

7



Oxidation 

Ursprünglich: Elektronenübertragung auf Sauerstoff 

Heute: Gängiger Begriff für die Abgabe von Elektronen an das 

Oxidationsmittel (Elektronenakzeptor = Oxidationsmittel) 

Verbrennung: Merkmale 

Oxidation mit Sauerstoff als Oxidationsmittel 

Exotherme Redoxreaktion 

Abgabe von Energie (Wärme, Licht) 



Herstellung Pyrophores Eisen 

Herstellung Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat 

2 (NH 4) 2C 2O 4 + (NH 4) 2Fe II (SO 4) 2 

(NH 4) 2Fe II (C 2O 4) 2 + 2 (NH 4) 2SO 4 

Thermolytische Zersetzung: Herstellung der Eisen-Nanopartikel 

(NH4) 2FeII (C2O4) 2 

+ ΔT 

Fe + CO + 3 CO2 + 2 NH3 + H2O Spontane Verbrennung der Eisen-Nanopartikel bei Raumtemperatur 

4 Fe + 3 O 2 

RT 

2 Fe III 2O 3 


15 

8


Oberflächeneffekt beschreiben können. 

Wissen, was man unter der spezifischen Oberfläche 

versteht. 

Erklären können, warum die Reaktivität von Stoffen 

zunehmen kann, wenn sie als Nanopartikel vorliegen. 

Wissen, was „pyrophor“ bedeutet. 


17 

9



Ferrofluide 


Dezember 2010 





Kontakt: 



Tel. +41 (0) 71 274 72 66 











Ferrofluide 

Superparamagnetische Nanopartikel 




Datum: 

Dezember 2010 





Magnetische Flüssigkeiten mit erstaunlichen Eigenschaften 


Ferrofluid aus Magnetit-Nanopartikeln 

Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Ferrofluid“ zu finden. 

© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 

2 

1

Inhalt 

Einführung 





Grundlagen Magnetismus 

Oberflächenfunktionalisierung 

Anwendungen 



Einführung 

Video: Krebs bekämpfen mit Ferrofluiden 

www.magforce.de 

Video Magforce 


3 

4 

2


Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids 

Video Ferrofluid 





Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe! 


5 

6 

3


Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld 




Nordpol 

Grundlagen Magnetismus: Quellen des Magnetfeldes 

Südpol 

Elektronen in der Atomhülle: Bewegte Punktladungen 

Repetition: Aufbau der Elektronenhülle von Atomen. 

Atome können Elementarmagnete sein. 


Feldlinie 

Elektronen bewegen sich um den Atomkern herum und erzeugen ein 

„schwaches“ Magnetfeld. 

Elektronen, die in entgegengesetzte Richtungen drehen, heben ihre 

Magnetfelder gegenseitig auf. 

Wenn über alle Elektronen im Atom die Drehrichtung (=Spin) nicht 

ausgeglichen ist, ist das Atom ein Elementarmagnet. 

Elektromagnete 

Stromdurchflossene Spulen 

Künstliche Erzeugung von bewegten Ladungen 

7 

8 

4


Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung 

Magnetisieren heisst, alle Elementarmagnete gleich ausrichten 

Bestimmte Materialien können, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt 

sind, selber magnetisch werden. Sie werden magnetisiert. 

Magnetisieren heisst, dass die einzelnen Elementarmagnete bezüglich 

ihrem Nord- und Südpol alle gleich ausgerichtet werden. 


Einzelne Elementarmagnete 

Magnetisierung 

nicht magnetisch stark magnetisch 



Nicht alle Materialien können magnetisiert werden. 

Nur jene Materialien, welche aus Elementarmagneten bestehen, 

können magnetisiert werden. 

Ob ein Material aus Elementarmagneten besteht oder nicht, 

hängt von dem Aufbau der Elektronenhülle des Atoms ab. 

Ferromagnete, Paramagnete, Diamagnete. 

Materialien, die stark und dauerhaft magnetisiert werden können, 

nennt man Ferromagnete (z.B. Eisen, Zink, Kobalt). 

Materialien, die nur schwach und nicht dauerhaft magnetisiert werden 

können, nennt man Paramagnete (z.B. Sauerstoff). 

Materialien, die gar nicht magnetisiert werden können, nennt man 

Diamagnete (z.B. Wasser). 


9 

10 

5



Superparamagnete 

Materialien, die stark und aber nicht dauerhaft magnetisiert werden 

können, nennt man Superparamagnete. 

Nanopartikel aus ferromagnetischen Materialien sind 

superparamagnetisch. 

In Nanopartikeln sind nicht genügend Atome (=Elementarmagnete) 

vorhanden, um die Magnetisierung aufrechtzuerhalten. 

Durch die thermische Bewegung der einzelnen Atome wird die 

Ausrichtung wieder aufgehoben, sobald kein äusseres Magnetfeld 

mehr vorhanden ist. 

Ferrofluide bestehen aus superparamagnetischen Nanopartikeln. 



Igelstrukturen im Ferrofluid 


Rosensweig Instabilität 


11 

Starker Magnet 

Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächenspannung 

der Flüssigkeit. 

Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser 

Kräfte. 

12 

6


Flüssige Magnete 

Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, 

um ein Ferrofluid zu erhalten? 

© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen 13 


Ferrofluide sind nicht das selbe wie geschmolzene Ferromagnete! 

Bei hohen Temperaturen wird durch die Thermische Energie der 

Atome die Magnetisierung aufgehoben. 

Durch die Verflüssigung ferromagnetischer Materialien verlieren 

diese ihre ferromagnetischen Eigenschaften und werden 

paramagnetisch. 

Paramagnete können nur schwach und nicht permanent 

magnetisiert werden. 

Im Gegensatz dazu können Ferrofluide stark und nicht 

permanent magnetisiert werden. 


14 

7


Flüssige Magnete 

Warum verklumpen die einzelnen magnetischen 

Nanopartikel nicht miteinander? 



Oberflächenfunktionalisierung verhindert das Verklumpen! 

Durch das Erzeugen einer positiv geladenen Oberfläche der 

einzelnen Nanopartikel kann erreicht werden, dass diese sich 

gegenseitig abstossen und nicht verklumpen. 


16 

8






Anwendungen 

Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie 

Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting) 

Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen 


18 

9


Den Unterschied zwischen Ferromagneten, 

Paramagneten, Diamagneten und Superparamagneten 

verstehen. 

Verstehen, warum Nanopartikel andere magnetische 

Eigenschaften besitzen als grössere Partikel. 

Erklären können, warum man Ferrofluide nicht einfach 

durch Schmelzen von Eisen herstellen kann. 

Verstehen, was die Oberflächenfunktionalisierung der 

magnetischen Nanopartikel bewirkt und welchen Nutzen 

sie hat. 


19 

10



Flüssigkristalle 


Dezember 2010 





Kontakt: 



Tel. +41 (0) 71 274 72 66 











Flüssigkristalle 

Ein Thermometer aus Flüssigkristallen 




Datum: 

Dezember 2010 





Thermotrope Flüssigkristalle ändern ihre Farbe in 

Abhängigkeit der Temperatur 


Flüssigkristall im Wasserbad 

Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Flüssigkristalle“ zu finden. 


2 

1

Inhalt 

Einführung 





Sichtbares Licht 

Thermotrope Flüssigkristalle 



Einführung 

Verwendung von Flüssigkristallen in LCD Bildschirmen 

Flüssigkristalle können auf Veränderungen ihrer 

Umgebung mit einer Farbveränderung reagieren. 

Elektrische Spannung 

Magnetfelder 

Temperatur 

LCD Bildschirm: „Liquid Crystal Display“ 


3 

4 

2


Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Flüssigkristall-Thermometers 

Video Flüssigkristalle 




Flüssigkristallthermometer bei Raumtemperatur 



5 

6 

3






Repetition: Wellen und sichtbares Licht 

Zu welcher Art von Wellen gehören Lichtwellen? 


7 

4


Elektromagnetische Wellen 

0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km 


sichtbares Licht 




Wie werden Lichtwellen charakterisiert? 


9 

5




Wellenlänge λ 

Amplitude A 

Wellenlänge sichtbares Licht: 400 nm bis 700 nm 



Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen 

Thermotrope Flüssigkristalle sind Überganszustände zwischen 

der festen (kristallinen) und der flüssigen Phase. 

Je „flüssiger“ eine Substanz, desto weniger Ordnung weisen die 

Moleküle auf. 

Je nach Temperatur sind die Moleküle im Überganszustand 

unterschiedlich stark geordnet. 

Kristall Flüssigkristall 


Flüssigkeit 

Hohe Ordnung Abnehmende Ordnung Keine Ordnung 

Molekülordnungs-Grad 

Temperaturzunahme 

11 

12 

6



Flüssigkristalle können nur entstehen, wenn die Moleküle 

bestimmte Symmetrieeigenschaften haben: Mesogene 

Eigenschaften. 

Flüssigkristalle bestehen aus mehreren Molekülschichten. 

Die Längsachsen der Moleküle einer Schicht zeigen alle in die 

gleiche Richtung. 

Die Längsachsen der übereinander gelegenen Moleküle sind 

leicht gegeneinander verschoben. Es entsteht eine 

wendeltreppenförmige Anordnung, eine sogenannte Helix. 




Helix/Pitch (Ganghöhe) 

Längsachse eines Moleküls 

Molekülebene im Flüssigkristall 



13 

14 

7



Die Ganghöhe ist abhängig von der Temperatur und liegt im 

Bereich von 400 bis 700 nm. 

Wenn die Temperatur zunimmt, driften die Moleküle auseinander 

und die Ganghöhe wird grösser. 




400-700 nm 

Die Wellenlänge von sichtbarem Licht liegt zwischen 400 

und 700 nm und damit im Bereich der Ganghöhe der Helix 

von Flüssigkristallen! 


15 

16 

8


Flüssigkristalle und sichtbares Licht 

Flüssigkristalle können mit Lichtwellen wechselwirken. 

Jene Lichtwellen, deren Wellenlängen der Ganghöhe der Helix 

entsprechen, werden reflektiert. 

Flüssigkristalle verändern das Spektrum des sichtbaren 

Lichtes. 

Je nach Temperatur ist die Ganhöhe verschieden und andere 

Wellenlängen des Spektrums werden reflektiert. 

Die Farbe der Flüssigkristalle ist somit abhängig von der 

Temperatur. 



Flüssigkristalle und sichtbares Licht 



17 

18 

9


Anwendungen 

LCD = Liquid Crystal Display = Flüssigkristallbildschirm 

Farben werden durch Flüssigkristalle erzeugt. 

Die Ordnung der Moleküle der Flüssigkristalle wird in LCD- 

Bildschirmen durch Veränderung der elektrischen Spannung 

beeinflusst. 

Je nach Ordnungsgrad besitzen die Flüssigkristalle eine 

andere Farbe. 



Den Unterschied zwischen einem Flüssigkristall und einem 

festen Kristall verstehen. 

Verstehen, was ein thermotroper Flüssigkristall ist. 

Verstehen, was eine Flüssigkristall-Helix ist und wie die 

Eigenschaften der Helix (Ganghöhe) durch die Temperatur 

beeinflusst werden. 

Verstehen, warum Flüssigkristalle bei Temperaturveränderungen 

ihre Farbe ändern können. 


19 

20 

10



Goldrubinglas 


Dezember 2010 





Kontakt: 



Tel. +41 (0) 71 274 72 66 











Goldrubinglas 

Glas färben mit Nanogold 




Datum: 

Dezember 2010 





Nanogold-Partikel erzeugen schillernde Farben in Glas. 


Goldrubinglas-Perlen aus der Mikrowelle 

Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Goldrubinglas“ zu finden. 


2 

1

Inhalt 

Einführung 





Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln 

Mikrowellen 

Grafit-Suszeptor-Element 


Einführung 

Goldrubinglas im Mittelalter 


Mittelalterliche Kirchenfenster in der 

Kathedrale von Metz (Frankreich). 

Die kräftigen Rot- und Blautöne der 

Goldrubinglaser werden durch Gold- 

Kolloide im Glas hervorgerufen. 

Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch 

fein verteiltes Goldpulver beigefügt. 

3 

4 

2

Einführung 






Vorgehen bei der Herstellung von Goldrubinglas 

Glasausgangsgemisch vorbereiten: 

Quarz 

Borsäure 

Calciumcarbonat, Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat 

Ein „Körnchen“ Goldchlorid Aquat zugeben. 

Im Mörser zerkleinern und in einen Porzellantiegel geben. 

Tiegel im Grafit-Suszeptor-Technik Element (GST 

Element) platzieren. 

Glasgemisch mit GST Element in der Mikrowelle erhitzen. 

5-10 min im Mikrowellenofen bei mehr als 1000 °C 


5 

6 

3


Herstellung des GST Elements 

Quellen: Swiss Nano-Cube 

GST Element 

Glasherstellung im Mikrowellenofen 


T > 1000 °C 





7 

8 

4


Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat 

Oxidation: 

[O 2C +II -C +II OH-C 4H 4O 4] 3- [OC +II -C 4H 4O 4] 2- + H + + C +IV O 2 + 2 e - 

Reduktion: 

HAu +III Cl 3 + 2 e - Au +I Cl + 2 Cl - (3x) 

Disproportionierung 

3 AuCl 3 C 5H 4O 5 2- 2 Au 0 + AuCl3 

Gesamt: 

2 AuCl 3 + 3 C 6H 5 O 7 3- 3 C 5H 4O 5 2- + 3 H + + CO2 + 6 Cl - + 2 Au 0 



Elektromagnetische Wellen 





9 

10 

5


Oberflächen-Plasmonen-Resonanz 

Bei Edelmetallen wie Gold beträgt die Eindringtiefe 

elektromagnetischer Wellen ca. 1/4 bis 1/10 der 

Wellenlänge. 

Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 nm 

werden von sichtbarem Licht (400–700 nm) vollständig 

durchdrungen. 

Anregung -> Elektrisches Wechselfeld -> Höheres Energieniveau 

Beim „Rückschwingen“ wird Energie in Form von Streulicht frei 

Absorption/Transmission der einfallenden Lichtwellen je 

nach Grösse der Partikel. 

Partikel mit 20–30 nm Durchmesser absorbieren 

vorwiegend kurzwelliges blaues Licht und transmittieren 

rotes Licht. Sie erscheinen daher rot. 





© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. 12 Gallen 

11 

6


Zusatzfrage 

Was kann in einem Mikrowellenofen 

erhitzt werden? 



Flüssiges Wasser und hauchdünne Metall- oder Grafitschichten 

können durch Mikrowellen angeregt werden. 

Mikrowellen und flüssiges Wasser 

Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge. 

Anregung von Dipolmolekülen wie Wasser -> Moleküle 

werden in Bewegung versetzt. 

Nur im flüssigen Zustand: Guter Ausgleich zwischen 

Beweglichkeit der Moleküle und Dichte. 

Durch dichte Anordnung entsteht bei der Bewegung 

Reibungswärme. 


13 

14 

7


Mikrowellen und Grafit 

Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge. 

Mikrowellen dringen nur einige Mikrometer tief in Grafit ein. 

Anregung von Elektronen an der Oberfläche des Grafit. Die 

Elektronen beginnen zu schwingen. 

Bei sehr dünnen Grafitschichten können dabei sehr hohe 

Temperaturen entstehen, so dass die Schicht verdampft 

wird. 

Im GST Element liegt der Porzellantiegel so dicht auf der 

dünnen Grafitschicht, dass diese zwar sehr heiss wird, 

jedoch nicht verdampft. 



Grafit-Suszeptor-Element: Mehr als 1000 °C in der Mikrowelle 



15 03.12.2 

010 

16 03.12.2 

010 

8



Nano-Gold 

Optik & Phasentransfer 


Dezember 2010 





Kontakt: 



Tel. +41 (0) 71 274 72 66 











Nanogold 

Optische Eigenschaften von Gold in der Nanodimension 




Datum: 

Dezember 2010 





Nanogold-Partikel verändern ihre Farbe in 

Abhängigkeit ihrer Grösse 


Goldkolloide unterschiedlicher Grösse in wässriger Lösung 

Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Nanogold“ zu finden. 


2 

1

Inhalt 

Einführung 


Herstellung von Nanogold-Partikeln (kolloidales Gold) 

Phasentranspher von Nanogold-Partikeln 



Kolloide 

Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat als Reduktionsmittel 

Repetition: Elektromagnetische Wellen und sichtbares Licht 



Anwendungen 


Einführung 



Mittelalterliche Kirchenfenster in der 

Kathedrale von Metz (Frankreich). 

Die kràftigen Rot- und Blautöne der 

Goldrubinglaser werden durch Gold- 

Kolloide im Glas hervorgerufen. 



3 

4 

2

Einführung 






Video: Vorgehen bei der Herstellung von Nanogoldpartikeln: 

Video Nanogold 



5 

6 

3


Vorgehen beim Phasentranspher: 

Chemikalien: 

Goldkolloide in wässriger Lösung 

Natriumchlorid 

Dodecan (hydrophobe Phase) 

Kaliumoleat (Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel) 

Die Nanopartikel in der wässrigen Phase mit Dodecan 

überschichten. 

Kaliumoleat dazugeben. 

Einige Minuten mit einem Magnetrührer heftig rühren. 

Übergang der Nanopartikel von der wässrigen in die 

hydrophobe Phase (Dodecan) kann beobachtet werden. 




wässrige Phase 


hydrophobe Phase 

7 

8 

4






Kolloide: 

Was ist der Unterschied zwischen einer 

Lösung und einer Dispersion? 


9 

10 

5


In einer Lösung sind alle Atome vollständig gelöst und von 

Molekülen des Lösungsmittels umgeben. 

In einer Dispersion sind „Kleinstpartikel“ (Nanopartikel) 

eines bestimmten Materials im Dispersionsmittel fein 

verteilt. Die Partikel bestehen aus mehr als nur einem 

Atom . 



Kolloide: 

Goldkolloide sind 2 bis 100 nm grosse Nanopartikel aus 

elementarem Gold. 

Goldkolloide sind im Lösungsmittel fein verteilt und bilden 

eine Dispersion. 

Wichtig: Eine Dispersion darf nicht mit einer Lösung verwechselt 

werden, denn in einer Lösung sind die einzelnen Atome vollständig im 

Lösungsmittel gelöst. 

Eine Dispersion aus Nanogold-Partikeln wird Goldsol 

genannt. 


11 

12 

6


Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat: 

Oxidation: 

[O 2C +II -C +II OH-C 4H 4O 4] 3- [OC +II -C 4H 4O 4] 2- + H + + C +IV O 2 + 2 e - 

Reduktion: 

HAu +III Cl 3 + 2 e - Au +I Cl + 2 Cl - (3x) 

Disproportionierung: 

3 AuCl 3 C 5H 4O 5 2- 2 Au 0 + AuCl3 

Gesamt: 

2 AuCl 3 + 3 C 6H 5 O 7 3- 3 C 5H 4O 5 2- + 3 H + + CO2 + 6 Cl - + 2 Au 0 



Repetition: Elektromagnetische Wellen und Sichtbares Licht 





13 

14 

7


Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln: 

Bei Edelmetallen wie Gold beträgt die Eindringtiefe 

elektromagnetischer Wellen ca. 1/4 bis 1/10 der 

Wellenlänge. 

Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 nm 

werden von sichtbarem Licht (400–700 nm) vollständig 

durchdrungen. 

Anregung -> Elektrisches Wechselfeld -> Höheres Energieniveau 

Beim „Rückschwingen“ wird Energie in Form von Streulicht frei 

Absorption/Transmission der einfallenden Lichtwellen je 

nach Grösse der Partikel. 

Partikel mit 20 – 30 nm Durchmesser absorbieren 

vorwiegend kurzwelliges blaues Licht und transmittieren 

rotes Licht. Sie erscheinen daher rot. 






© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. 16 Gallen 

15 

8


Oberflächenfunktionalisierung: 

Je nach der Beschaffenheit der Partikel-Oberfläche lassen 

sich die Nanopartikel in unterschiedlichen Medien 

dispergieren. 

Die Moleküle, mit welchen die Partikel an der Oberfläche 

bestückt sind, bilden eine Nanosphäre um die Partikel. 

Durch eine Veränderung der funktionalen Oberfläche 

lassen sich die Nanopartikel in verschiedenen Phasen 

dispergieren: Phasentranspher. 

Polare, wässrige Phase: Citrat-Moleküle 

Hydrophobe Phase (Dodecan): Kaliumoleat-Moleküle 

Die Nanosphäre der Partikel hat auch Auswirkungen auf 

die Farbe. 




O 

O 

(CH 2) 7 


(CH 2) 7 

CH 3 

Kaliumoleat 

(hydrophob) 


O 

O- 

O- 

OH 

O 

O- 

O 

Citrat 

(hydrophob) 

17 

18 

9


Anwendungen: Schwangerschaftstest 



19 

10

Nanochemie Modul Gesamtversion PowerPoint ... - Swiss Nano Cube

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