10-1 m - Technoseum

INHALt
2 Vorwort
3 EINFÜHrUNG IN DIE NANotECHNoLoGIE
4 INForMAtIoNEN ZUr AUSStELLUNG
7 GrUNDLAGEN DEr NANotECHNoLoGIE
7 GröSSENorDNUNG
13 obErFLäCHENEFFEkt
16 wErkZEUGE DEr NANotECHNoLoGIE
16 - NANopArtIkEL SEHEN
20 - NANopArtIkEL MANIpULIErEN
23 - NANopArtIkEL HErStELLEN
27 CHANCEN UND rISIkEN
27 - NANU – wAS GEHt MICH NANo AN?
32 UNtErrICHtSMoDULE
32 GrUNDSCHULEN / kL. 5-7
33 - VoM GECko ZUM wIEDErLöSbArEN kLEbEr
37 - LotUSEFFEkt
40 bIoLoGIE
40 - EINFLUSS VoN NANopArtIkELN AUF ZELLULärE FUNktIoNEN
44 - bIoLoGISCHE NANoMotorEN
47 - NANoSILbEr ANStAtt ANtIbIotIkA
50 CHEMIE
50 - HyDropHIL oDEr HyDropHob
54 - SUSpENSIoN oDEr ECHtE LöSUNG
58 - MAGNEtISCHE FLÜSSIGkEItEN – FErroFLUIDE
60 - VAN-DEr-wAALS-kräFtE
62 pHySIk
62 - VoM MIkroSkop ZUM rAStErSoNDENMIkroSkop
65 - trANSIStorEN: kLEIN, kLEINEr, AM kLEINStEN
68 NAtUrwISSENSCHAFtEN UND tECHNIk
68 - bAU EINEr GrätZELSoLArZELLE
72 - SoNNENCrEME
74 EtHIk/pHILoSopHIE
74 - „wEGEN rISIkEN UND NEbENwIrkUNGEN FrAGEN SIE IHrEN ...?”
78 MUSEUMSpäDAGoGISCHES bEGLEItproGrAMM
79 LItErAtUrANGAbEN
80 ANHANG / LöSUNGEN
86 bILDNACHwEIS
87 rICHArD FEyNMAN: „tHErE‘S pLENty oF rooM At tHE bottoM”
88 IMprESSUM

.......... Vorwort
2
Vom 18. März bis zum 3. Oktober 2010 präsentiert
Ihnen das TECHNOSEUM eine einzigartige
Ausstellung: „Nano! – Nutzen und Visionen einer
neuen Technologie“ ermöglicht eine spannende
Reise in unsichtbare und deshalb unvorstellbare
Welten – die Nanowelten. Auch zu dieser Sonderausstellung
im TECHNOSEUM hat unsere
Museumspädagogik wieder ein spezielles Schulheft
entwickelt.
Ziel ist es, den unterrichtenden Lehrkräften Möglichkeiten
aufzuzeigen, wie die Nanotechnologie
mit ihren aktuellen und spannenden Forschungsbereichen
an den vorhandenen Lehrplan angebunden
werden kann. In allen vorgestellten Unterrichtsmodulen
finden sich neben Arbeitsblättern
zum Thema, einfachen Experimenten und den
Anknüpfungspunkten an die Ausstellung auch
Hintergrundinformationen und weiterführende
Literaturhinweise.
Unter Punkt „Grundlagen der Nanotechnologie“
haben wir die für die Nanotechnologie grundlegenden
Effekte und Arbeitsweisen zusammengefasst.
Bei jeder Behandlung des Themas im
Unterricht kann in altersgemäßer Weise auf
diese Grundlagen eingegangen werden. Deshalb
finden sich auch hier bei allen Unterpunkten Arbeitsblätter
und/oder Experimente.
Unter dem Punkt „Unterrichtsmodule“ finden
sich Hintergrundinformationen und Bearbeitungsideen
für den naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht
in der Grundschule bzw. den Klassen
5 bis 7 und für die Fächer Biologie, Chemie, Physik,
Technik bzw. Naturwissenschaft und Technik,
Ethik, Deutsch. Die beschriebenen Themen und
Experimente eignen sich unserer Ansicht nach besonders
gut, um aktuelle Forschungsergebnisse
der Nanotechnologie an die klassischen Unterrichtsfächer
anzubinden.
Im Bereich der Nanotechnologie verschwinden
aber die Grenzen zwischen den verschiedenen
Disziplinen. Von daher lassen sich die beschriebenen
Unterrichtsmodule nicht eindeutig einem
bestimmten Fachgebiet zuordnen. So ist die Grätzelzelle
z.B. ein Thema, das sowohl im Physik- als
auch im Chemie- oder NwT-Unterricht besprochen
werden kann. Auch eine eindeutige Zuordnung
zu verschiedenen Klassenstufen ist nur
bedingt möglich. Dies gilt besonders für die Module
„Vom Gecko zum wieder lösbaren Kleber“
und „Lotuseffekt“. Beide Themen eignen sich
unserer Ansicht nach sehr gut, um auch schon
Grundschüler mit der Nanotechnologie vertraut
zu machen, können aber durchaus auch in höheren
Klassen, z.B. in die Themen „Bionik“ oder
„Van-der-Waals-Kräfte“, eingesetzt werden. Umgekehrt
können beim Thema Magnetismus z.B.
Ferrofluide durchaus auch mit Fünftklässlern im
naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht hergestellt
werden.
Es lohnt sich deshalb auch, die beschriebenen
Unterrichtsmodule der anderen Unterrichtsfächer
und Klassenstufen anzuschauen. Ich wünsche
Ihnen nun eine anregende Lektüre und hoffe,
dass Sie einen großen Appetit auf unsere Nano-
Ausstellung entwickeln und ihren Schülerinnen
und Schülern die Möglichkeit bieten, in unserer
Ausstellung ein faszinierendes Forschungsfeld mit
seinen Chancen und Risiken kennenzulernen.
Hartwig Lüdtke
Direktor
TECHNOSEUM Mannheim

.......... EINFÜHrUNG IN DIE NANotECHNoLoGIE ..........
3

.......... INForMAtIoNEN ZUr AUSStELLUNG ...................
4

INForMAtIoNEN ZUr AUSStELLUNG
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INForMAtIoNEN ZUr AUSStELLUNG

.......... GrUNDLAGEN DEr NANotECHNoLoGIE ..........
.......... GröSSENorDNUNG
bILDUNGSpLANbEZUG
Einfache Gegenstände selbst herstellen und Werk-
zeuge sachgerecht benutzen; mit geeigneten
nichtstandardisierten und standardisierten Einheiten
in allen relevanten Größenbereichen experimentell
und problembezogen messen; verschiedene
Darstellungsformen von Zahlen kennen,
situationsgerecht auswählen und ineinander umwandeln.
IN DEr AUSStELLUNG
Mit dem Fahrstuhl geht es in die Nanowelt – hinunter
in Stockwerk 10 - 9 . Die Fahrt beginnt in der
Makrowelt und führt in die Nanowelt.
Auf der Nanometerskala angekommen, öffnet
sich die Welt des Kleinen. Anhand von Linealen
wird die Verkleinerung hinunter in den Nanokosmos
erklärt und verschiedene Analogien zum
Größenvergleich aufgezeigt.
INHALtE
Nanotechnologie beschäftigt sich mit Partikeln im
Nanometerbereich. Diese sind für das menschliche
Auge nicht sichtbar, denn die Nanometerwelt
beschreibt den Bereich von 1–100 Nanometern.
Meter, Zentimeter und auch Millimeter sind zu
große Maßeinheiten, um Nanotechnologie zu
messen. 1 Nanometer ist der milliardste Teil eines
Meters oder ausgeschrieben 0,000.000.001 Meter
oder auch 10 - 9 Meter und entspricht etwa der
Größe von 10 Atomen.
Um zu verdeutlichen wie klein das ist, kann man
sich folgendes Beispiel vor Augen führen: 1 Nanopartikel
verhält sich zu einem Fußball wie der
Fußball zu unserer Erde. Man kann sich auch vorstellen,
zwischen die 1 und 2 auf einem Zentimeterlineal
10 Millionen Punkte zu platzieren, dann
ist jeder Punkt genau 1 nm groß.
7

EArbEItUNGSIDEEN
Um in die Nanometerwelt abzutauchen, müsste
man sich so klein schrumpfen, dass selbst ein
kleines Sandkorn so groß wie ganz Deutschland
wäre.
Einführende Experimentieraufgaben:
1. Denke an das kleinste Ding, was du noch sehen
kannst! Male es auf!
2. Denke an den kleinsten Gegenstand, den du
herstellen kannst! Zeichne oder bastel ihn!
Stell dir nun vor etwas noch sehr viel kleiner zu
machen. Dann befindest du dich auf der Ebene
eines Nanometers.
3. Nimm einen Papierstreifen (ca. 28 cm lang
und 2 cm breit). Schneide ihn nun in der Mitte
durch und leg eine Hälfte zur Seite. Die andere
Hälfte teilst du wieder in der Mitte. Schneide
nun so oft es geht je eine Hälfte in der Mitte
durch während du die andere weg legst.
Wie oft konntest du das Papier schneiden,
bevor der Streifen zu klein wurde?
Warum musstest du mit Schneiden aufhören?
Kannst du dir vorstellen wie du das Papier
noch kleiner schneiden könntest? Notiere!
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_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
4. Mit dem Nanometerlineal kannst du Gegen-
stände messen. Aber nicht in Millimetern oder
Zentimetern, sondern in Nanometern.
Folge den Anweisungen auf dem Papierbogen,
um dein Nanometerlineal anzufertigen und
suche dir dann Gegenstände im Klassenzimmer
oder auf dem Schulhof, die du
messen kannst.
Wie groß sind zum Beispiel dein Finger, ein
Stift oder eine Geldmünze in Nanometern?

Aufgabe Größenzuordnung I
Schneide die Bilder aus und sortiere sie nach
ihrer wirklichen Größe vom größten zum kleinsten
Objekt.
Aufgabe Größenzuordnung II
Vervollständige die Tabelle, indem du die fehlenden
Zahlen ergänzt und geeignete Beispiele
findest!
Größe in Metern Umrechnung Potenz Beispiele
10 m 1000 cm 10 m
m cm 10 0 m Tafellineal
0,1 m 10 cm 10 -1 m
m 1 cm 10 -2 m Spielwürfel, Fingerglied
0,001 m mm 10 -3 m
0,0001 m 100 μm 10 ____
0,00001 m μm 10 -5 m
0,000001 m 1 μm 10 ____
m
m
Dicke eines menschlichen
Haares, Sandkorn
kleines Staubkorn
m 100 nm 10 -7 m Erbinformationen im Zellkern
0,00000001 m nm 10 -8 m DNS-Strang, Viren
m 1 nm 10 ____
0,0000000001 m nm 10 -10 m
m
Molekül aus ca. 10 Atomen
GröSSENorDNUNG
9

10
GröSSENorDNUNG
10 mal 10-Spiel
Durchführung
Schneide die Objektkarten und die Zehnerpotenzkarten
aus und lege sie auf den Tisch.
Ordne die 10er-Karten in einer vertikalen Reihe
mit der größten Potenz oben und der kleinsten
unten. Lege nun die entsprechende Objektkarte
zu der Zehnerpotenz-Karte, die am ehesten der
realen Größe entspricht. Einige Objekte liegen
möglicherweise auch zwischen zwei Potenzen.
Zehnerpotenzkarten
10 -10 m
(0,1 Nanometer)
10 -7 m
(100 Nanometer)
10 -4 m
(100 Mikrometer)
10 -1 m
(100 Millimeter)
10 -9 m
(1 Nanometer)
10 -6 m
(1 Mikrometer)
10 -3 m
(1 Millimeter)
10 0 m
(1 Meter)
Aufgaben
1. Welche Objekte waren für dich am schwierigsten
einzusortieren und warum?
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_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
10 -8 m
(10 Nanometer)
10 -5 m
(10 Mikrometer)
10 -2 m
(10 Millimeter)
10 1 m
(10 Meter)

2. Warum nutzen wir Zehnerpotenzen für die
Zuordnungen dieser Objekte?
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_________________________________________
_________________________________________
Objektkarten
Durchmesser eines
Euros
Größe einer menschlichen
Zelle
Dicke einer Nadelspitze Durchschnittliche Größe
eines Kleinkindes
Durchmesser eines
menschlichen Haares
Durchmesser eines
DNA-Strangs
Breite eines Wassermoleküls
Wellenlänge von sichtbarem
Licht
Größe einer Ameise Durchmesser einer
Carbon-Nanoröhre
Breite eines Briefumschlags
Durchmesser eines
roten Blutkörperchens
Breite eines Fingerrings
Durchschnittliche Länge
einer Hand
Durchmesser einer CD Größe eines Flohs
Größe eines Atoms Größe eines Menschen
Größe eines Zahns Durchmesser eines
Fußballs
GröSSENorDNUNG
11

12
GröSSENorDNUNG
Rechenaufgaben
1) 1 nm ist ein Milliardstel Meter.
Nenne einen Alltagsgegenstand, dessen
Durchmesser ein Milliardstel vom Erddurch-
messer (= ca.12.750 km) beträgt.
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_________________________________________
2) 1 mm sind 1.000.000 nm.
Wie groß ist:
a) die Länge einer Büroklammer
b) die Breite eines Blattes Papier
c) deine eigene Größe
in Nanometern?
3) Der menschliche Fingernagel wächst 1 Nano-
meter in 1 Sekunde. Wie weit wächst er in:
a) 1 Minute
b) 1 Stunde
c) 1 Tag
d) 1 Jahr?
Wie groß ist ein durchschnittlicher menschlicher
Fingernagel in Nanometern?
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_________________________________________
4) Ein normaler Mensch kann durchschnittlich
32 Kilometer an einem Tag zurücklegen.
Wenn dieser Mensch auf einer Größe von
1 Nanometer geschrumpft werden würde,
bräuchte er 24 Jahre um die Länge eines
20-Euro-Scheines abzulaufen.
a) Wenn derselbe Mensch 90 Kilometer pro Tag
rennen könnte, wie lang würde es dauern, um
die Länge eines 20-Euro-Scheins abzulaufen?
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_________________________________________
b) Wenn derselbe Mensch nun 800 Kilometer
pro Tag fahren könnte, wie lang bräuchte er, um
die Länge des Scheins abzufahren?
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.......... obErFLäCHENEFFEkt
bILDUNGSpLANbEZUG
Reinstoff und Stoffgemisch, Stoffe und ihre Eigenschaften
IN DEr AUSStELLUNG
An einem mit Sand bzw. Nanopartikeln gefüllten
Zylinder wird in der Ausstellung gezeigt, wie sich
das mit abnehmender Partikelgröße zunehmende
Oberflächen-/Volumenverhältnis der Nanopartikel
auswirkt. Die Volumina in beiden Zylindern sind
gleich groß, die Oberflächen der Partikel unterscheiden
sich jedoch sehr stark. Die Sandkörner
haben ungefähr ½ m² Oberfläche, die Oberfläche
der Nanopartikel dagegen beträgt ca. 7.000 m²,
das entspricht in etwa einem Fußballfeld.
Am Beispiel des Eisens (vgl. Experiment 5) wird
die zunehmende Reaktivität von Nano-Partikeln
zu bestimmten Zeiten in der Ausstellung vorgeführt.
INHALtE
Kleinste Teilchen haben eine auffällige Eigenschaft,
die sich aus der Geometrie ergibt: Je kleiner
man sie macht, desto größer wird ihre Oberfläche
im Vergleich zu ihrem Volumen. Ein Würfel
mit der Kantenlänge von 10 Zentimetern hat 6
Flächen von jeweils 100 Quadratzentimetern
Größe, also eine Gesamtoberfläche von 600 Quadratzentimetern.
Teilt man diesen Würfel in acht
kleine Würfel, von denen jeder die halbe Kantenlänge,
also 5 Zentimeter, hat, erhält man eine
Gesamtoberfläche von 8 x 6 x 5 x 5 = 1.200 Quadratzentimetern,
also schon die doppelte Oberfläche.
Teilt man die Stücke immer weiter, wird
die gesamte Oberfläche aller Teilchen gigantische
Größen annehmen. So wäre bei einem Nanometer
Seitenlänge die gesamte Oberfläche schon
1.000 Fußballfelder groß.
Große Oberflächen bieten mehr Möglichkeiten,
mit anderen Teilchen zu reagieren. Nanopartikel
sind von daher extrem reaktiv. Am Beispiel des Eisens
lässt sich sehr schön zeigen, wie sich die Reaktivität
mit zunehmender Oberfläche vergrößert.
Hält man kompaktes Eisen in die Bunsenbrennerflamme,
beginnt dieses nach einiger Zeit zu glühen.
Lässt man feine Eisenspäne in die Flamme fallen,
verbrennen diese unter Funkenbildung. Feinverteilte
Eisen-Nanopartikel besitzen einen noch höheren
Energieinhalt und können sich z.B. durch
Reibung an der Luft selbst entzünden.
Für diese gesteigerte Reaktivität der Nanoteilchen
finden sich viele chemische, biologische und biomedizinische
Anwendungsmöglichkeiten, z.B. als
Katalysator bei der Kohleverflüssigung oder bei
der Reinigung kontaminierter Grundwässer.
Funkengarbe durch Selbstentzündung von
Nanopartikeln
Die großen Oberflächen führen zudem zu besseren
Bindungen der Nanopartikel untereinander.
Schichten aus nanometergroßen Teilchen können
deshalb extrem hart und kratzfest sein. Auch daraus
geben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten,
z.B. kratzfeste Lacke.
13

Seitenlänge
Umfang
14
obErFLäCHENEFFEkt
Flächeninhalt
Umfang/ Fläche
bEArbEItUNGSIDEEN
Aufgabe 1: Umfang/Flächeninhalt
Materialien
Kariertes Papier
Durchführung
Zeichnet 4 Quadrate mit den Seitenlängen 1 Kästchen,
2 Kästchen, 3 Kästchen und 4 Kästchen auf
das Papier.
Zählt nun die Anzahl der Kästchen jedes Quadrates
(Flächeninhalt) und die außen liegenden Kästchenseiten
jedes Quadrates. Dabei zählt jedes
ummalte Kästchen Fläche + 1, jede außen liegende
Seite eines Kästchens Umfang + 1. Wie verändert
sich das Verhältnis von Umfang zu Fläche?
Quadrat 1 Quadrat 2 Quadrat 3 Quadrat 4
Aufgabe 2: Oberfläche/Volumen
Materialien
36 Würfel
Aufbau
Durchführung
Setzt einen Würfel auf den Tisch. Aus den restlichen
Würfeln baut ihr zwei größere Würfel zusammen:
einen mit einer Seitenlänge von zwei
Würfeln und einen mit Seitenlänge drei Würfel.
Der mittlere Würfel ist doppelt so groß wie der
erste, der dritte dreimal so groß.
Zählt nun Volumen und Oberfläche der zusammengesetzten
Würfel, und tragt diese in die Tabelle
ein. Dabei zählt jeder verbaute Würfel Volumen
+1 und jede sichtbare Oberfläche (auch
unten!) +1. Vergleicht Volumen und Oberfläche.
Wie verändert sich das Verhältnis von Oberfläche
zu Volumen.
Aufgabe 3: Berechnung
Seitenlänge
Volumen
Oberfläche
Oberfläche /
Volumen
Würfel 1 Würfel 2 Würfel 3
Ein Würfel mit einer Kantenlänge von 10 cm hat
eine Oberfläche von 6 x 10 x 10 = 600 cm².
Wie groß wird die Oberfläche, wenn man den
Würfel in lauter kleine Würfel von
∙ 5 cm Kantenlänge
∙ 1 cm Kantenlänge
∙ 1 mm Kantenlänge
∙ 1 nm Kantenlänge
teilt.
Aufgabe 4: Zunahme der Reaktivität
Im abgebildeten Quadrat stellen die sechzehn
kleinen Quadrate Teilchen, die kleinen grauen
Striche reaktive Stellen eines Teilchens dar.
An wie vielen Stellen können die Teilchen reagieren,
wenn sie in Form eines großen Quadrats, in
Form von 4 Quadraten bzw. einzeln vorliegen.

Experiment 1: Herstellung von Eisenoxalat
Materialien
Ammoniumoxalat, demineralisiertes Wasser,
Eisen(II)-ammoniumsulfat, 2 Bechergläser, Einmalspritze,
Heizplatte, Filtriereinrichtung
Durchführung
• Herstellung einer gesättigten Ammoniumoxalatlösung
(10 Gew.%)
2,5 g Ammoniumoxalat werden in einem 50 ml
Becherglas unter kräftigem Rühren und leichtem
Erwärmen auf 50°C in 25 ml demineralisiertem
Wasser gelöst. Den sich nicht lösenden Überschuss
an Ammoniumoxalat lässt man absetzen,
bevor 20 ml der Ammoniumoxalatlösung mit
einer Einmalspritze entnommen werden.
• Herstellung des Eisenoxalats
2 g Eisen(II)-ammoniumsulfat werden in einem
250 ml Becherglas unter kräftigem Rühren in 100
ml demineralisiertem Wasser vollständig gelöst.
Danach werden – weiterhin unter kräftigem Rühren
– 20 ml der in Schritt 1 hergestellten Ammoniumoxalatlösung
mit der Einmalspritze in einem
Schuss hinzugegeben. Anschließend wird auf
50°C erwärmt. Sobald aus der nun orange-gelben
Lösung ein hellgelber Niederschlag ausfällt,
schaltet man die Heizplatte aus, lässt jedoch noch
4 min. weiter rühren.
Der Niederschlag wird durch zwei Filtriervorrichtungen
abfiltriert. Die Filterpapiere werden vorsichtig
mithilfe einer Pinzette auseinandergefaltet,
auf die zum Trocknen vorgesehenen Uhrgläser
gelegt und bei Raumtemperatur getrocknet. Der
hellgelbe Feststoff ist frühestens am nächsten Tag
gut trocken und wird mithilfe eines Spatels zur
Aufbewahrung in ein 25 ml Schnappdeckelglas
oder zur sofortigen Weiterverwendung in ein Reagenzglas
überführt.
Aufgabe
• Wie lautet die Reaktionsgleichung für die
Herstellung des Eisenoxalats?
• Warum muss bei diesem Versuch kräftig
gerührt werden?
Experiment 2: Vergleich der Reaktivitäten
Materialien
Eisennagel, Eisenspäne, Kerzenflamme oder Kartuschenbrenner
Durchführung
Halte zuerst einen Eisennagel mit einer Zange in
die Flamme des Brenners. Streue anschließend mit
einem Spatel kleine Eisenspäne in die Flamme.
obErFLäCHENEFFEkt
Aufgabe
• Vergleiche die Ergebnisse aus den zwei obigen
Versuchen mit dem Demonstrationsversuch.
• Wieso sind Nanopartikel so viel reaktiver als
größere Teilchen?
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_________________________________________
Experiment 3: Demonstrationsversuch –
Reaktivität von Eisen-Nanopartikeln
Materialien
Eisen-Nanopartikel aus Experiment 1, Reagenzglas,
Kartuschenbrenner, Watte, Pinzette, feuerfeste
Unterlage
Durchführung
• Das mit Eisenoxalat gefüllte große Reagenzglas
wird mit einem Wattebausch verschlossen und
über einer blau leuchtenden Bunsenbrennerflamme
erhitzt. Sobald sich das Eisenoxalat schwarz
färbt und zu glühen beginnt, entfernt man den
Wattebausch mit einer Pinzette und schleudert
das heiße, schwarze Glühprodukt aus etwa 50
cm Höhe auf eine feuerfeste Unterlage. Das entstandene
Eisenoxid kann mithilfe eines Magneten
eingesammelt werden.
Anmerkung: Das schwarze Produkt muss beim
Herausschleudern auf jeden Fall heiß sein.
Hinweis: Das Produkt darf nicht gegen brennende
Gegenstände oder gegen Personen geschleudert
werden.
Aufgabe
• Die Reaktion läuft in 2 Schritten ab. Im Rea-
genzglas wird das Eisenoxalat zu fein verteil-
tem Eisen reduziert. Wie lautet die Reaktions-
gleichung?
• Im Schritt 2 beim Herausschleudern reagieren
die Eisenpartikel mit Luft zu Hämatit und
Magnetit. Stelle beide Reaktionsgleichungen
auf.
• Handelt es sich bei der ablaufenden Reaktion
um eine exotherme oder um eine endotherme
Reaktion?
Weiterführende Aufgaben
• In welchen Bereichen verwendet man Eisen-
Nanopartikel?
15

.......... wErkZEUGE DEr NANotECHNoLoGIE
.......... NANopArtIkEL SEHEN
16
bILDUNGSpLANbEZUG
Ausbildung von Modellvorstellungen; in der
Teamarbeit Kooperations- und Kommunikationsformen
für zielgerichtetes Arbeiten erwerben;
Mikrokosmos und Makrokosmos mit Hilfsmitteln
erschließen; Computer als Werkzeug für Messwerterfassung
und -auswertung nutzen; kritische
Aufgeschlossenheit für neue Technologien; Bau
von einfachen Modellen / Bau eines optischen Instruments;
Messungen planen, durchführen und
die Ergebnisse grafisch darstellen; Informationsbeschaffung
durch elektronische Medien; Interesse
wecken für die Erforschung naturwissenschaftlicher
Phänomene.
IN DEr AUSStELLUNG
Nachdem mit dem Fahrstuhl in die Nanowelt herabgetaucht
wurde, befindet man sich im „Grundlagenbereich“.
Dort werden nicht nur Nachbauten
vom Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop
gezeigt, sondern auch, wie ein Rasterkraftmikroskop
detailliert funktioniert. Um dies zu verdeutlichen,
tastet in der Ausstellung ein Cantilever in
Makrogröße ein Kärtchen ab, dessen Oberfläche
sich auf einem Bildschirm abbildet.
INHALtE
Im Nanokosmos sind wir blind. Nanoteilchen
kann man nicht mit den Augen sehen. Welche
Möglichkeiten gibt es also, um so kleine Strukturen
„sichtbar“ zu machen?
Wissenschaftler bedienen sich ausgeklügelter
Technologien bzw. Mikroskope, um den Nanokosmos
zu erforschen und darzustellen. Zu diesen,
als Rastersondenmikroskopen, bezeichneten
Geräten zählen das 1981 von dem Deutschen
Gerd Binnig und dem Schweizer Heinrich Rohrer
entwickelte Rastertunnelmikroskop und das darauf
aufbauende Rasterkraftmikroskop.
Rastertunnelmikroskop
Ähnlich wie der Blinde den Blindenstock einsetzt,
tastet die Rastersondenspitze die Oberfläche zeilenförmig
ab und „fühlt“ dabei die Atome.
Beim Rastertunnelmikroskop wird die Spitze dicht
über einer metallischen Probe geführt. Dabei entsteht
zwischen Oberfläche und Rastertunnelspitze
ein „Sog“ (Tunnelstrom), da zwischen Spitze
und Objekt Elektronen ausgetauscht werden. Die
Elektronen durchtunneln das Vakuum zwischen
Spitze und Metalloberfläche. Die Halterung wird
dabei so geführt, dass die Stromstärke immer
konstant gehalten wird, so dass sich die Position
der Halterung als Abbild darstellen lässt. Das
Computerbild zeigt folglich dort Buckel, wo die
Spitze über einem Atom steht und weist Täler
auf, wenn die Spitze über dem Raum zwischen
den Atomen schwebt.
Rasterkraftmikroskop
Wie die Nadel auf einem Plattenspieler fährt die
Spitze an einem beweglichen Arm (Cantilever)
über die Probenoberfläche und nimmt Höhenunterschiede
wahr. Am Cantilever ist ein Spiegel angebracht,
auf den ein Laserstrahl trifft, der durch
die Bewegung am Spiegel abgelenkt wird. Die
Ablenkung wird mit einer Photodiode gemessen.
Durch Positionsveränderungen des Laserstrahls
auf der Photodiode errechnet der Computer ein
Höhenbild der Probenoberfläche. Der Vorteil
des Rasterkraftmikroskops gegenüber dem Rastertunnelmikroskop
liegt darin, dass auch nicht
elektrisch leitende Materialien untersucht werden
können.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Nanopartikel manipulieren

EArbEItUNGSIDEEN
Experiment „Blind im Nanokosmsos“
Material
Eierpalette, Kunst-Eier oder Tischtennisbälle
Durchführung
Schüler 1 werden die Augen verbunden, Schüler
2 legt mit den Eiern/Bällen ein Muster in die Eierpalette.
Nun ertastet Schüler 1 mit den Händen
die Struktur im Eierkarton.
Aufgabe
Zeichne das Muster auf, das du ertastet hast.
Experiment „Black Box“
Material
Schuhkarton mit abnehmbarem Deckel, Stifte,
Schaschlikspieße aus Holz, verschiedene Objekte,
Kleber, Klebeband, Lineal, Schreibpapier, Computer
mit Excel-Programm
Durchführung
1. Klebe Objekte verschiedener Form (Zeitungs-
knäuel, Stifte, Tischtennisbälle, Holz usw.) auf
den Boden des Schuhkartons, um damit eine
Reliefstruktur zu erzeugen.
2. Bohre im Abstand von jeweils 2 cm Löcher in
den Deckel des Kartons, durch welche später
die „Tastfühler“ gesteckt werden. Schließe da-
nach die Black Box.
Wenn du fertig bist, tausche deine Black Box
mit deinem Nachbarn.
3. Um die Black Box zu erkundschaften, musst
du die Holzspieße durch die Öffnungen im
Deckel führen und die Tiefe messen.
Dokumentiere dies in einer Excel-Datei, indem
du die gemessene Tiefe von der Gesamthöhe
des Kartons subtrahierst (zur Erleichterung
solltest du den Holzspieß mit einer Messskala
versehen).
Aufgaben
a) Erstelle mit den gemessenen Daten aus der
Excel-Datei (Einfügen > Diagramm) ein dreidi-
mensionales Oberflächen-Diagramm.
b) Wie genau ist dieses Diagramm im Vergleich
zum Original (öffne dazu die Black Box)? Was
könntest du tun, um ein besseres Abbild der
Bodenoberfläche zu erhalten?
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c) Mit welchen Schwierigkeiten hattest du bei
diesem Versuch zu kämpfen, um das Unsicht-
bare sichtbar zu machen?
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Schuhkarton als selbstgebaute Black Box
NANopArtIkEL SEHEN
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18
NANopArtIkEL SEHEN
Bauanleitung Rasterkraftmikroskop mit
LEGO
Material
LEGO-Steine, Laserpointer, Spiegel, A4-Blatt,
Klebestreifen
Durchführung
Das Foto zeigt den Aufbau eines Rasterkraftmikroskops
aus Lego-Steinen. An dem modellhaften
Mikroskop ist oben ein Laserpointer befestigt, am
Arm (Cantilever) eine Lego-Spitze und ein Spiegel.
An einer, dem Modell gegenüberliegenden,
Wand wird ein A4-Blatt befestigt. Der Laserstrahl
wird am Spiegel gebrochen und an die Wand geworfen.
Wird nun mit der Spitze eine Probenoberfläche
„abgetastet“, zeichnet sich die Struktur
durch den Laserstrahl auf dem Blatt an der Wand
ab.
Selbstgebautes Lego-Rasterkraftmikroskop
Aufgaben
a) Trage die Bewegung des Laserpointers auf
dem Blatt ab. Entspricht diese Struktur der
realen Probenoberfläche?
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b) Informiere dich im Internet über das Raster-
kraftmikroskop.
Vervollständige die fehlenden Begriffe in der
Abbildung. Ordne den Bauteilen deines Modell-
Mikroskops diejenigen eines realen Rasterkraftmikroskops
zu? Erkläre anhand der Skizze die
Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops.
Rasterkraftmikroskop
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Einführungsexperiment Rastertunnelmikroskop
Material
mind. 11 kleine Magnete, Stift, Pappe, Klebestreifen
Durchführung
Schüler 1: Klebe 10 Magnete in einem Muster
auf die Rückseite einer Pappe. Drehe danach die
Pappe um, damit Schüler 2 das Magnet-Muster
nicht sieht.
Schüler 2: Befestige einen Magnet am Stift.
Führe den Stift mit dem Magneten über die umgedrehte
Pappe und „erfühle“ das Muster.

Aufgaben
a) Zeichne das gespürte Muster auf.
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Vergleiche es mit dem Original, indem du die
Pappe umdrehst.
b) Beschreibe die Bewegungen, die du gemacht
hast.
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Selbstgebautes Rastertunnelmikroskop
Bauanleitung Rastertunnelmikroskop
Material
Kraftmesser, 4 Tischtennisbälle, Magnete, Apparatur,
Pappe
Durchführung
Konstruiere eine Apparatur wie auf der Abbildung
zu sehen. Halbiere 4 Tischtennisbälle und
klebe jeweils einen Magneten in ihre Innenseiten.
Klebe die 8 halben Bälle auf eine Pappe. Klebe einen
weiteren Magneten an den Kraftmesser und
hänge ihn in die Apparatur. Führe ihn langsam
über die halbierten Golfbälle.
Wichtig: Magnete in den Bällen und Magnet am
Kraftmesser müssen mit der gleichen Polung zueinander
stehen und sich somit abstoßen.
Aufgaben
Informiere dich im Internet über das Rastertunnelmikroskop.
Vervollständige die fehlenden Begriffe
in der Abbildung. Erkläre anhand der Skizze die
Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops.
Welche Bauteile entsprechen sich beim realen Mikroskop
und beim Modellmikroskop?
Rastertunnelmikroskop
NANopArtIkEL SEHEN
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.......... NANopArtIkEL MANIpULIErEN
20
bILDUNGSpLANbEZUG
Erscheinungen in Natur und Technik aus der Sicht
der Physik beobachten und angemessen beschreiben;
Erklärungen in Bildern, Modellen und Experimenten
veranschaulichen; Versuche planen und
durchführen; Interesse für die Erforschung naturwissenschaftlicher
Phänomene
IN DEr AUSStELLUNG
Zum Thema Manipulieren und Probleme, die dabei
auftreten, bietet die Ausstellung eine Vielzahl
von Versuchsstationen im Grundlagenbereich. Ein
zentrales Exponat hierbei ist die optische Pinzette,
bei der mit Hilfe eines Lasers, Kleinstobjekte
„gegriffen“ und bewegt werden. An Experimentiertischen,
welche nicht nur für Kinder gedacht
sind, wird sehr plastisch dargestellt, was mit dem
„Fette-Finger-Problem“ und dem „Klebrige-Finger-Problem“
gemeint ist. So dienen Boxhandschuhe
dazu Spielsteine in einer bestimmten Zeit
zu stapeln und Kettenhandschuhe dazu magnetische
Formen zu legen.
IBM-Logo mit Xenon-Atomen
INHALtE
Da man Nanopartikel nicht sehen kann, kann
man sie auch nicht mit den Händen anfassen.
Mit welchen Werkzeugen arbeitet man also in
diesem Größenbereich?
Wichtig ist, dass das benutzte Hilfsmittel der Teilchengröße
angepasst ist. Je kleiner also die zu untersuchende
Probe, umso kleiner muss auch das
Untersuchungs- bzw. Manipulationswerkzeug
sein.
In der Nanotechnologie geht es darum Atome anzuordnen.
Das Rastertunnelmikroskop kann hierbei
als Werkzeug eingesetzt werden, um Atome
kontrolliert zu positionieren. Dabei wird die Spitze
etwas näher an die Oberfläche geführt, wodurch
sich die Wechselwirkung zwischen Spitze und
Oberflächenatom vergrößert und somit das Atom
an der Spitze des Rastertunnelmikroskops über
die Oberfläche bewegt werden kann.
Da jedoch auf Nanoebene andere Gesetzmäßigkeiten
herrschen, als in der Makrowelt, treten
beim Manipulieren von Nanopartikeln Probleme
auf. So ist das Größenverhältnis zwischen Werkzeug
und Objekt problematisch, da das Manipulationswerkzeug
wesentlich größer ist als das zu
manipulierende Objekt. Im Vergleich wäre dies
genauso, als wenn man mit dem Mont Blanc die
Oberfläche einer Pampelmuse abtasten würde.
In der Nanotechnologie heißt dieses Problem das
„Fette-Finger“-Problem (fat-finger-problem). Außerdem
lassen sich die Atome nicht so einfach
wieder abstreichen, wenn sie einmal von der
Rastertunnelspitze angezogen wurden, da zwischen
Atomspitze und Oberflächenatom Adhäsionskräfte
auftreten – „Klebrige-Finger“-Problem
(sticky-finger-problem). Hinzu kommt die Brownsche
Molekularbewegung, nach der sich Atome
und Moleküle in ständiger Bewegung (Vibration)
befinden, die nur durch unterschiedliche Temperaturen
reguliert werden kann.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Nanopartikel sehen

EArbEItUNGSIDEEN
Experiment „fette Finger“
Material
Legosteine, Skihandschuhe, Speisesalz, Pinzette,
Zahnstocher
Durchführung
a) Füge die Legosteine mit den Händen zu einem
Turm zusammen.
Nun baue denselben Turm aus Legosteinen zu
sammen während du Skihandschuhe trägst.
b) Streue Salzkörner auf eine ebene Fläche und
ordne sie nacheinander mit der Hand/einer
Pinzette/einem Zahnstocher in eine Reihe.
Aufgaben
zu a) Beschreibe die Probleme, die du hattest.
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zu b) Wie lange hast du gebraucht, um die Salz
körner mit der Hand/der Pinzette/dem Zahnstocher
in eine Reihe zu legen? Nach welchen Kriterien
wählst du im Alltag deine Werkzeuge aus?
Nenne Beispiele.
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NANopArtIkEL MANIpULIErEN
Experiment „klebrige Finger“
Material
mind. 11 kleine Magnete, Stift, Klebeband
Durchführung
Befestige mit Klebeband einen Magneten am unteren
Ende des Stiftes. Lege die restlichen Magnete
auf eine ebene Fläche.
Aufgaben
a) Lege mit dem Stift aus den Magneten ein
Muster, indem du den Magneten am Stift nutzt.
Welche Probleme treten auf?
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b) Wie kannst du diesen Problemen entgehen?
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22
NANopArtIkEL MANIpULIErEN
Experiment Brownsche Molekularbewegung
Material
Mikroskop (mind. 400fache Vergrößerung) , Objektträger,
Pipette, Milch, Wasser, PC mit Internet
Durchführung
Tropfe auf einen Objektträger einen kleinen Tropfen
mit Wasser verdünnter Milch und verteile ihn
gut. Lege das Deckgläschen lose auf und betrachte
die sichtbaren, sehr kleinen Fetttröpfchen bei
mindestens 400facher Vergrößerung.
Aufgaben
a) Fasse eines der Teilchen ins Auge und
beobachte den Verlauf.
Was hast du beobachtet? Welche Erklärung
hast du dafür?
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b) Überlege warum die Brownsche Molekularbe-
wegung ein Problem in der Nanotechnologie ist.
Könnte man in der Realität Molekulare Maschinen
bauen? Wenn ja, wie?
Nutze die Simulation http://www.cornelsen.
de/physikextra/htdocs/Teilchen1.html und
teste verschiedene Temperaturen.
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.......... NANopArtIkEL HErStELLEN
bILDUNGSpLANbEZUG
Überblick über die durch Miniaturisierung und
Integration der Bauteile ermöglichten neuen Dimensionen
technischer Entwicklungen; Erklärungen
in Bildern, Modellen und Experimenten veranschaulichen;
Fähigkeit, Experimente zu planen,
durchzuführen und auszuwerten; Interesse wecken
für die Erforschung naturwissenschaftlicher
Phänomene.
IN DEr AUSStELLUNG
Im Grundlagenbereich der Ausstellung befinden
sich neben Werkzeugen zum Erkunden und Manipulieren
der Nanowelt auch Werkzeuge zum
Herstellen von Nanoteilchen. Vor allem die Selbstorganisation
nimmt hierbei einen großen Stellenwert
ein. So lässt sich erkunden, wie sich ein Eiskristall
durch Knopfdruck unmittelbar bildet und
sich Kunststoffkügelchen durch Schütteln regelmäßig
anordnen.
INHALtE
Da man Nanopartikel nur mit bestimmten Werkzeugen
„sehen“ und manipulieren kann, kann
man so kleine Teilchen auch nur mit besonderen
Verfahren herstellen.
Es führen zwei Wege in die Nanowelt:
1. Herstellung durch top-down-Verfahren
(„von oben nach unten“)
Hierbei wird ein größeres Objekt mit geeignetem
Werkzeug in immer kleinere Teile zerlegt, bis die
gewünschte Größenordnung erreicht ist. Die fortschreitende
Miniaturisierung erfolgt z.B. durch
Zermahlen in Kugelmühlen oder durch Wegätzen,
bis eine bestimmte Struktur erreicht ist (siehe
Photolithographie).
2. Herstellung durch bottom-up-Verfahren
(„von unten nach oben“)
Durch gezielte Handhabung von Atomen und
Molekülen wird die gewünschte Struktur mit geeignetem
Werkzeug zusammengebaut. Entscheidend
für diese Art der Herstellung ist es, Bedingungen
zu suchen, unter denen die gewünschte
Struktur praktisch von allein entsteht (Selbstorganisation
oder Self-Assembly).
Photolithographie
Ein top-down-Ansatz ist die Photolithographie
(griech. „lithos“ = Stein; „graphein“ = schreiben),
die genutzt wird, um Leiterbahnen auf Mikrochips
herzustellen. Diese entstehen durch wegätzen
von bestimmten Schichten, so dass zum Schluss
ein nur nanometergroßes Muster aus Siliziumoxid
auf einem Siliziumkristall entsteht. Ziel ist es hierbei,
die Leiterbahnen immer dichter zu platzieren,
damit die Chips immer kleiner und somit schneller
werden. Eine Schlüsselrolle bei diesen Vorgängen
spielt die maximal mögliche Verkleinerung, die
derzeit bei 30-40 nm Leitungsdicke liegt. So ist
es möglich Hunderttausende bis Millionen Schaltkreise
auf einem Chip unterzubringen.
Selbstorganisation
Da es sehr lange dauert Nanopartikel zusammenzumontieren,
bedienen sich Wissenschaftler der
Natur. Es ist ganz natürlich, dass sich ein System
von selbst anordnet. Man denke nur an eine tierische
Zelle, die sich selbst organisiert und formt
und einen ganzen Organismus bildet. Um diese
Selbstorganisation in der Natur zu gewährleisten,
benötigt es nur Energie. So ordnen sich beispielsweise
Silane auf einem Metall parallel in Reih und
Glied an, da dies für die Moleküle energetisch
vorteilhafter ist. Nanotechniker können somit
Millionen feiner Strukturen herstellen, ohne selbst
Hand anlegen zu müssen.
bEArbEItUNGSIDEEN
top-down („von oben nach unten“)
Einführungsdemonstrationen
1. Zerteilen eines Legoblocks, der aus mehreren
Legosteinen besteht, bis eine gewünschte
kleinere Struktur entstanden ist.
2. Anhand einer durchsichtigen Pfeffer- oder
Salzmühle demonstrieren, dass aus großen,
gröberen Strukturen durch Zermahlen
kleinere und feinere Partikel entstehen.
3. Aus einem Stück Holz eine Skulptur schnitzen.
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24
NANopArtIkEL HErStELLEN
Aufgabe Photolithographie
Im Folgenden wird erklärt, wie die Photolithographie
funktioniert. Ordne die Texte den richtigen
Bildern zu.
• auf eine Platte aus Silizium wird ein lichtemp-
findlicher Lack (Photoresist) aufgetragen
• durch eine Maske mit Muster werden die
Stellen mit UV-Licht belichtet, die später
„stehen“ bleiben sollen
• überall dort, wo durch die Öffnungen UV-Licht
fällt, erhärtet sich der Lack
• nicht erhärteter Lack wird mit einem Lösungs-
mittel weggespült, an diesen Stellen kommt
Siliziumoxid zum Vorschein – genau im Muster
der Maske
• freie Stellen werden weggeätzt bis wieder das
ursprüngliche Silizium vorliegt
• danach wird überall der restliche Lack
entfernt, so dass ein Muster aus Siliziumoxid
auf einer Siliziumplatte vorliegt – die Vorstufe
für einen Mikrochip
Weitere Schichten anderer Metalle und neue Belichtungsschritte
mit Masken und Photoresist führen
zur Herstellung eines Pentium-Chips.

Demonstration Photolithographie
Material
verschieden farbige Wachsplatten/Wachsfolien,
Pappe, kleines Messer
Durchführung
Zwei Schichten verschiedenfarbiger Wachsplatten/Wachsfolien
werden auf eine Pappe aufgetragen
(Pappe = Siliziumschicht, erste Wachsschicht
= Siliziumoxidschicht, zweite Wachsschicht =
Lackschicht). Danach wird eine Maske mit einem
frei gewählten Muster über die oberste Wachsschicht
gelegt und das Muster mit dem Messer
übertragen.
Die nicht das Muster betreffende Wachsschicht
wird mit einem Messer entfernt. Diese Vorgänge
können wiederholt werden bis mehrere Leiterbahnen
verschiedener Farbe auf dem Pappe-Mikrochip
entstehen.
Bsp. für eine Leiterbahn-Maske:
bottom-up („von unten nach oben“)
Einführungsdemonstration
Aus Legosteinen wird eine gewünschte Struktur
zusammengebaut (z.B. Haus).
Experimente zur Selbstorganisation
1. Selbstorganisation mit Legosteinen
Material
quadratische Legosteine (ca. 15), Topf mit Wasser
Durchführung
Lege die Legosteine mit den Noppen nach unten
in einen Topf mit Wasser. Achte darauf, dass kein
Wasser in die Legosteine kommt. Schwenke nun
den Topf leicht, damit die Legosteine in Bewegung
geraten.
NANopArtIkEL HErStELLEN
Aufgaben
a) Zeichne das Aussehen nach dem Schwenken.
Nach dem Schwenken
b) Was passiert und warum?
Stelle Vermutungen an.
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NANopArtIkEL HErStELLEN
2. Selbstorganisation mit Seifenblasen
Material
Seifenlösung, Schüssel, Zahnstocher, Kaffeerührer
o.ä. zum Blasenmachen
Durchführung
Rühre die Seifenlösung in der Schüssel mit dem
Kaffeerührer kräftig bis Blasen (Seifenschaum)
entstehen. Nimm danach einen Zahnstocher und
lass eine Blase zerplatzen. Dies kannst du mehrmals
versuchen.
Aufgaben
a) Zeichne ein vorher und ein nachher Bild.
Vorher
Nachher
b) Beschreibe, was du gesehen hast und was
passiert ist.
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c) Wie hilft Selbstorganisation bei der Nano-
technologie? Welche möglichen Auswirkun-
gen könnte Selbstorganisation auf die Herstel-
lung von nanoskaligen Objekten haben?
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d) Fallen dir weitere Beispiele für Selbstorganisa-
tion ein?
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Aufgabe „top down“/“bottom up“
Was ist „top down“ (von oben nach unten), was
ist „bottom-up“ (von unten nach oben)? Kreuze
das richtige Herstellungsprinzip an!
Pferd
Holzfigur
Baum
Computer
Möhre
Sand
Eiskristall
Pfeffer aus
Pfeffermühle
Stalaktit
Stalagmit
top down bottom up

.......... CHANCEN UND rISIkEN
.......... NANU - wAS GEHt MICH NANo AN?
AUSStELLUNG
Zum Auftakt regt eine Auswahl an Science Fiction
Literatur die Fantasie an und lenkt den Blick auf
utopische Welten. Im Kontrast dazu stehen die
Informationen zum heutigen Stand der Grundlagen,
Forschung und Anwendung der Nanotechnologien.
Die Erforschung, Bearbeitung und
Produktion von Strukturen und Materialien in Dimensionen,
die unseren Sinnen nicht zugänglich
sind, wirft zugleich Fragen nach denkbaren Chancen
und Risiken auf.
INHALtE
Mit Hilfe der Nanotechnologien ist es möglich,
Strukturen, Techniken und Systeme zu entwickeln,
die völlig neue Eigenschaften und Funktionen
aufweisen.
Die Erwartung der Gesellschaft, dieses Potenzial
als Chance zu nutzen, ist riesig. Einerseits versprechen
sich Industrie, Medizin, Wissenschaft und
Verbraucher viel vom Einsatz der Nanomaterialien:
bessere Produkteigenschaften, neue Therapieformen,
gezielten Medikamententransport,
selbstreinigende, gehärtete Oberflächen, verbesserte
Schmiermittel, neue Lichtquellen, höhere
Speicherdichten von Chips, neue elektronische
Bauteile, Metalle mit höherem Widerstand und
Designermoleküle, um nur einige der biologischen,
mechanischen, optischen, elektronischen,
elektrischen oder chemischen Beispiele zu nennen.
Allein in Deutschland arbeiten heute über
800 Unternehmen im Bereich Nanotechnik.
Andererseits stellt sich die Frage, ob von Nanoprodukten
unbekannte Risiken für Mensch und
Umwelt ausgehen könnten. Welche Gefährdungen
sind das, wie werden Lebensbedingungen
verändert, reicht die staatliche Kontrolle aus, gibt
es Datenschutzrisiken, was bedeutet das für die
Märkte …?
bEArbEItUNGSIDEEN
1. „Nanu – was geht mich Nano an?“
Die Aufgabe vorbereitend zum Ausstellungsbesuch
zu bearbeiten hat den Vorteil, dass die SchülerInnen
einen eigenen Bezug zum Thema herstellen.
Die Ausstellungsinhalte werden so anders
wahrgenommen.
Nachbereitend kann es dienlich sein, auf diese
Weise konkret gelernte Fakten zu bündeln, offene
Fragen zu erkennen und die kontroverse Diskussion
zu üben.
1.1 Nanomaterialien – friedliche Zwerge?
Nanomaterialien – friedliche Zwerge? Sind Nanomaterialien
gefährlich?
(Ausschnitt aus dem Beitrag von Harald Krug und Ivo Marusczyk
im Ausstellungskatalog zur Sonderausstellung Nano! –
Nutzen und Visionen einer neuen Technologie)
„Die Lehre vom Handwerk der Zwerge“ – das ist
die wörtliche Übersetzung des Worts Nanotechnologie.
Und das passt. Denn die Frage „Wie
gefährlich ist Nano?“ ist genauso schwer zu beantworten,
wie die Frage „Wie gefährlich sind
Zwerge?“ Zwerge kommen nach unserem heutigen
Kenntnisstand nur in der Welt der Märchen
und Fabeln vor. Wir wissen viel zu wenig über
ihre Eigenschaften, um feststellen zu können,
ob sie gefährlich sind. Die Sage berichtet von
Heinzelmännchen, die uns das Leben vereinfachen
– andererseits spuken aber auch Kobolde,
Klabautermänner und ähnliche Wesen durch die
Mythenwelt.
Ganz ähnlich verhält es sich auch mit den Nanopartikeln.
Sie kommen zwar in unserer realen Welt
vor, aber sie scheinen aus ganz anderen Sphären
zu uns gestoßen zu sein, in der die physikalischen
Gesetze auf den Kopf gestellt wurden – jedenfalls
widersprechen ihre Eigenschaften mitunter jeglicher
Alltagserfahrung. Wenn die Nanotechnologie
auch nur einen Teil der in sie gesetzten Hoffnungen
erfüllen kann, wird sie die Menschheit
in vielen Gebieten einen gewaltigen Schritt nach
vorne bringen. Die „Nanos“ haben also wirklich
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NANU - wAS GEHt MICH NANo AN?
das Zeug zum universell einsetzbaren Heinzelmännchen.
Doch wenn wir an ihr segensreiches
Wirken als Heinzelmännchen glauben, dürfen wir
nicht die Augen davor verschließen, dass es auch
Kobolde geben könnte. Und wir müssen uns der
Diskussion stellen: Wollen wir deswegen ganz auf
die Heinzelmännchen verzichten? Oder sind wir
bereit, gewisse Nachteile (Kobolde) in Kauf zu
nehmen, weil die Wissenschaftler uns keine hundertprozentige
Sicherheit versprechen können?
Angeregt durch die Geschichte entscheiden sich
die SchülerInnen für einen der beiden Begriffe:
„Chancen der Nanotechnologien“ oder „Risiken
der Nanotechnologien“. Den gewählten Begriff
schreibt jeder für sich auf ein Blatt Papier.
In stiller Einzelarbeit werden dazu passende,
Weiterführende Begriffe und/oder Assoziationen
gesammelt und dazu gefügt. Es entsteht ein persönliches
„Ideennetzwerk“ auf Papier (Gedanken
zulassen, eventuell Ketten bilden, Zeitvorgabe: 10
min).
Im nächsten Schritt greifen die SchülerInnen aus
ihrem Ideennetzwerk ein bis drei Begriffe heraus
und schreiben ausgehend von diesem einen kurzen
Text (ohne Vorgabe in Form und Länge; Zeitvorgabe:
10 min!).
Die SchülerInnen können nun ihren Text vortragen,
der fiktiv oder auch an Fakten ausgerichtet
sein kann. Wenn sie diesen nicht mitteilen möchten,
können unabhängig davon Gedanken zu
Hoffnungen / Befürchtungen / Skepsis in einer
Austauschrunde geäußert werden (assoziativer /
emotionaler Zugang zum Thema).
1.2 Alternativ: „Meine Meinung – deine
Meinung?“
Zitatesammlung
Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) hat
die Wahrnehmung der Nanotechnologie in der
Bevölkerung untersucht.
Hier einige pointierte Aussagen aus den Gruppendiskussionen
mit je 10 Teilnehmern im September
2007 in Dresden und Bonn:
„Nanotechnologie bietet die Chance zu einem Neuanfang.“
„Nanotechnologie könnte Deutschland als Forschungsstandort
wieder nach vorne bringen.“
„Mithilfe der Nanotechnologie kann sich Deutschland am eigenen
Schopf aus dem Sumpf ziehen.“
„Das ist so klein, dass es einem Angst machen könnte.“
„Man hat ja einen Respekt davor, wie groß die Dimensionen
sind, in denen wir uns mit unserer Welt im Kosmos bewegen.
Und jetzt ist man erstaunt, wie klein die Dimensionen sein
können, in denen wir leben.“
„Man kommt sich selber ganz klein vor angesichts der ungeheuren
Möglichkeiten der Nanotechnologie.“
„Das ist, als begebe man sich von einem Element ins andere.
Etwa wie wenn man im Meer taucht und einem klar wird, dass
es ganz andere Wirklichkeiten gibt als den Alltag, wie man ihn
für gewöhnlich kennt.“
„Das Thema Nanotechnologie wirkt auf mich so, als würde
man in einen Film oder einen Traum eintauchen, in dem die
Welten des Allerkleinsten immer riesiger werden und uns ganz
neue kosmische Dimensionen offenbaren.“
„Mir fallen dazu die spannenden Momente in Science-Fiction-
Filmen ein, wo der Held eine Art Membran durchstoßen muss,
um in Kontakt mit einer anderen Dimension zu kommen.“
„Hoppla, das ist ja auch in Lebensmitteln enthalten. Hab ich
da was nicht mitbekommen?“
„Können Nanoteilchen in die Zellen eindringen?“
„Nanoteilchen sind nicht unbedingt schädlich, nur weil sie
klein sind. Ich wette, dass in Lebensmitteln auch bisher Nanoteilchen
enthalten waren, ohne dass dies irgendjemand
wusste.“
„Ich sag’ immer, Vorsicht ist die Mutter der Porzellankiste.“
„Im Gegensatz zur Gentechnik wird bei der Nanotechnologie
nicht in den Bauplan des Lebens eingegriffen.“
„Vielleicht führt die Nanotechnologie dazu, dass Menschen
wirklich das All erobern und künftig den Mars besiedeln können.“
„Wenn Oberflächen dank Nanotechnologie so behandelt werden
können, dass wir nie wieder putzen müssen, dann brauchen
wir weniger Energie und Chemie für solche Vorgänge.“
„Man stelle sich vor, dass das Weltwissen bald in einen Schlüsselanhänger
passt.“
„Stellen Sie sich vor, dass es einmal Speicherchips auf neurobiologischer
Basis geben wird, die einem die Mühe des Lernens
ersparen.
Da wird ein Chip implantiert und schon hat man das Abitur
in der Tasche.“
„Da werden wir total überwacht.“
„Nanotechnologie wird zu einem System, das sich selbst organisiert
und durch Menschenhand nicht mehr gesteuert werden
kann.“
„Ich bin der Meinung, man sollte wieder stärker an den Fortschritt
glauben.“
„An der Nanotechnologie sehe ich vor allem die positiven Seiten.
Hier geht es mir anders als bei Themen wie der Vogelgrippe
oder der Gentechnik.
Ich glaube einfach, dass Nanotechnologie für die Entwicklung
der Menschheit positiv ist.“

„Von Nanoprodukten habe ich gehört, dass sie tolle Erleichterungen
bringen.“
„Bei der Beschäftigung mit so einem Thema wird es schon fast
philosophisch.“
„Diese Technologie ist fein und sanft, kein Bulldozer.“
„Wie der Name schon sagt, das sind Zwerge, darf man nicht
unterschätzen.“
„Kommt man denn wirklich weiter, wenn man bei jeder Entwicklung
immer gleich an böse Folgen denkt?“
„Vielleicht kommt man damit an die Quelle der Materie. Da
kann es einem schon ungeheuerlich werden.“
„Nanotechnologie kann man einsetzen zu guten wie zu bösen
Zwecken. Das muss man sehen.“
„Behandlung von Krankheiten.“
„Schaffung neuer Ressourcen und Energien.“
Die Schüler ziehen aus einer umhergereichten
Box jeweils einen Zettel. Dieser enthält die Aussage
befragter Teilnehmer an einer Diskussion zur
Nanotechnologie. Jeder „präsentiert“ seine Aussage
den Mitschülern. Warum kann ich diesen
Standpunkt (nicht) teilen?
2. Wie ist die Sachlage?
Die SchülerInnen bearbeiten arbeitsteilig folgende
Fragekomplexe und informieren sich gegenseitig
über ihre Arbeitsergebnisse (Gruppen- oder
Hausarbeit).
2.1 In welchen Produkten sind Nanomate-
rialien enthalten und welche Chancen
eröffnen sich dadurch?
Nano-Produkte aus der Werbung
NANU - wAS GEHt MICH NANo AN?
Kosmetika sind bereits im Handel, deren Produkte
Bestandteile haben, die mittels nanotechnologischer
Verfahren hergestellt wurden: In Hautpflegeprodukten
sorgen z.T. Nanokapseln für Schutz
und Transport aktiver Inhaltsstoffe sowie verbesserte
pflegende Wirkung. Manche Hersteller werben
für Sonnencremes, die besser gegen UV-Licht
(bis Lichtschutzfaktor 50) schützen sollen. Andere
verzichten dagegen bewusst auf das Deklarieren
der Nanomaterialien.
An Gebäudefassaden, Sanitäranlagen, Maschinenteilen
und Autos kommen neue Oberflächenbeschichtungen
zum Einsatz, die diese kratzfest,
wasserabweisend, selbstreinigend und resistenter
gegen Verschleiß oder hitzebeständig machen.
Die Lebensmittelindustrie interessiert sich für
neue Zusatzstoffe in Lebensmitteln, ist aber mit
Informationen darüber zurückhaltend. Als Nahrungsergänzungsmittel
sollen sie die Gesundheit
fördern oder den Geschmack verstärken. Sie liegen
als Nanokristalle von Mineralien (z.B. Calcium
und Magnesium) oder als Nanokapseln vor, die
Vitamine oder andere nach Ansicht der Hersteller
gesundheitsfördernde Substanzen, enthalten. Die
geringe Größe und – bei den Kapseln – die chemische
Oberflächenbeschaffenheit sollen dafür
sorgen, dass die Substanzen durch das Gewebe
des Magen-Darm-Traktes schneller und besser in
die Blutbahn gelangen, um am gewünschten Ort
ihre Wirkung zu entfalten. Auch in Produktverpackungen
sind teilweise schon Nanoteilchen eingearbeitet,
um die Ware länger frisch zu halten oder
– schon bald Realität? – zu signalisieren, wenn die
Kühlkette unterbrochen und die Haltbarkeit überschritten
wurde.
Der textile Sektor ist ebenfalls ein wachsender
Markt für Nanoprodukte: Fasern werden mit
Nanopartikeln beschichtet oder mit Hilfe organischer
Moleküle so verändert, dass sie schmutzabweisend
sind und Flecken gar nicht erst entstehen.
Zum Zweck der Desinfektion können Fasern
mit Silbernanoteilchen versehen werden, um die
Bildung von Schweißgeruch durch Bakterien zu
verhindern. In diesem Fall haben Untersuchungen
allerdings gezeigt, dass das „Nanosilber“ nicht
dauerhaft gesichert und eingelagert bleibt (s. 2.2
gebunden / nicht gebunden).
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30
NANU - wAS GEHt MICH NANo AN?
Grundsätzlich sind Hersteller verpflichtet, die Sicherheit
ihrer Produkte zu garantieren. Da es
allerdings keine Kennzeichnungspflicht für Nanoprodukte
gibt, ist man auf Angaben oder die
Werbebotschaften der Hersteller angewiesen. Ob
Nanopartikel bzw. andere Nanomaterialien tatsächlich
enthalten sind und wie diese wirken, ist
dadurch allerdings noch nicht gesichert erwiesen.
2.2 Gehen von Nanoprodukten gesundheit-
liche Risiken aus?
Nano-Warnhinweis-Symbole
Weil die Nanoprodukte im einzelnen sehr unterschiedlich
sind, kann darauf keine Pauschalantwort
gegeben werden. Es kommt sehr darauf an,
inwiefern und in welcher Dosierung Mensch, Tier
und Umwelt mit Nanokomponenten in Kontakt
kommen, d.h. sie schlucken, einatmen oder über
die Haut aufnehmen. Es ist nicht auszuschließen,
dass insbesondere freie Nanopartikel, Nanoröhrchen
oder Nanofasern durch ihre geringe Größe,
ihre Form, ihre hohe Mobilität und höhere Reaktivität
gesundheitliche Risiken hervorrufen könnten.
Drei verschiedene Risikoklassen wurden gebildet
(Technology Review), je nachdem, ob Nanokomponenten
„isoliert“, „bioaktiv“ oder „disruptiv“
vorliegen. Während die erste Klasse als unproblematisch
eingeschätzt wird, gibt es für die zweite
und dritte derzeit noch keine Regulierung.
Ungeklärt ist bei allen Nanomaterialien, was bei
ihrer Entsorgung passiert. Ob Nanoteilchen in
die Umwelt gelangen und was sie dort bewirken
könnten, ist bislang so gut wie nicht untersucht
worden:
I. Isolierte Nanotechnik (gebunden)
Der größte Teil der gegenwärtigen Nanotechnologien
besteht aus Strukturen, in denen die Nanokomponente
fest eingebettet und damit von der
Umwelt isoliert ist. Dazu gehören Werkzeuge zur
Untersuchung von Oberflächen und Molekülen –
etwa das Rastertunnelmikroskop oder das Kraftmikroskop.
Ebenso selbst reinigende Werkstoffe
oder Antihaft-Beschichtungen. Zwar verdanken
sie ihre Eigenschaften Nanopartikeln, diese sind
aber in einer organischen Matrix verankert.
II. Bioaktive Nanotechnik (ungebunden)
Toxikologische Studien haben gezeigt, dass künstlich
hergestellte Nanopartikel, die nicht (mehr)
in einer Matrix stecken, bioaktiv sein können.
„Dieselben Eigenschaften, die Nanopartikel so
attraktiv für Anwendungen in Nanomedizin und
anderen industriellen Prozessen machen, könnten
sich als schädlich herausstellen, wenn Nanopartikel
mit Zellen wechselwirken“. So fanden Toxikologen
heraus, dass die Kohlenstoffmoleküle der
„Buckyballs“ und „Nanotubes“ sowohl in Kulturen
Zellen töten als auch in Tieren Entzündungen
hervorrufen können. Stoffe, die im Mikroformat
keine Schäden bewirken, könnten – so war ihre
Befürchtung – im Nanoformat toxisch wirken.
Viele Untersuchungen allerdings sind diesbezüglich
schwer einzuschätzen bzw. ganz unbrauchbar,
weil Forscher die eingesetzten Materialien
z.B. nicht ausreichend charakterisiert haben oder
wichtige Angaben zur Zusammensetzung der verwendeten
Nanomaterialien fehlen. Das methodische
Vorgehen ist nicht standardisiert und dadurch
resultierende Fehler können wiederum zu
falsch publizierten Ergebnissen führen, die später
zu korrigieren sind.

„Das Wissen, das wir bislang haben, ist für Unternehmen
noch nicht ausreichend, um eine Risikobewertung
vorzunehmen“, urteilt Rob Aitken
vom britischen Institut für Berufsmedizin. Eine
internationale Datenbank, in der mögliche Schädigungen
und Risiken durch Nanomaterialien aufgelistet
sind, gibt es noch nicht, wohl aber erste
Ansätze wie die Datensammlungsprojekte „Impart“
und „Nanotox“ der EU-Kommission.
Auch Konzepte aus der Nanomedizin, bei denen
eine – positive – Bioaktivität beabsichtigt ist, sind
nicht unproblematisch. Nanopartikel, die hier
etwa als Medikamententransporter dienen sollen,
könnten im Zellinneren die Signalwege der
Zelle durcheinander bringen – und etwa Entzündungen
nach sich ziehen. Die Nanomedizin birgt
noch ein weiteres Risiko. Eines ihrer Ziele ist,
Kranke mit einer individuellen Therapie behandeln
zu können. Genetische oder andere molekulare
Eigenarten einzelner Menschen sollen mit auf
diese zugeschnittenen Wirkstoffe angesprochen
werden. Wie immer hält Technik auch Kehrseiten
der Medaillen bereit: Experten halten es für möglich,
dass solche Therapien am Ende zu Waffen
umfunktioniert werden. Eine hocheffiziente, gering
dosierte „Nanoarznei“ könnte für genetisch
ähnliche Bevölkerungsgruppen maßgeschneidert
und damit zur „ethnischen Waffe“ werden.
III. Disruptive Nanotechnik
Dazu gehören alle Versuche künstliche Mikroorganismen
herzustellen. Bislang noch nicht realisiert
werden können Nanoroboter („Assembler“),
die sich vervielfältigen und, im schlimmstmöglichen
Fall, Lebewesen zersetzen könnten. Aber
auch künstliche Viren und Bakterien, wie sie auf
dem neuen Gebiet der synthetischen Biologie entwickelt
werden, müssen darunter gefasst werden.
2.3 Gibt es bereits Bewertungen des
gesundheitlichen Risikos für Nanomateria-
lien, die in Verbraucherprodukten eingesetzt
werden?
Für einige Nanopartikel, die im Kosmetik-Bereich
eingesetzt werden, wurden bereits Untersuchungen
durchgeführt. Das Verhalten von Nanopartikeln
aus Titandioxid und Zinkoxid auf der Haut
ist gut untersucht. In mehreren Experimenten
wurde bestätigt, dass diese Nanopartikel nicht
in gesunde Hautzellen des Menschen eindringen,
sondern auf der Hautoberfläche verbleiben.
In tiefere Hautschichten gelangen sie zwar über
NANU - wAS GEHt MICH NANo AN?
die Haarfollikel (Wurzelscheide). Dort verbleiben
sie einige Zeit, wandern aber nicht weiter. Das
Haarwachstum befördert sie später wieder an die
Hautoberfläche.
Viele Fragen sind bei der Bewertung des gesundheitlichen
Risikos jedoch noch offen: Weitgehend
unbekannt sind die denkbaren besonderen toxischen
Eigenschaften, die auf der Nanoskaligkeit
beruhen. Es liegen nur wenige Daten über die
Auswirkungen von Nanopartikeln auf den Menschen
vor. Die Wissenschaft arbeitet deshalb an
geeigneten Teststrategien zur Ermittlung möglicher
gesundheitlicher Risiken, um offene methodische
Fragen zu beantworten.
Die größten Risiken sehen Wissenschaftler in
der Einatmung von Nanopartikeln. Ob es Risiken
durch die Aufnahme von Nanopartikeln über den
Magen-Darm-Trakt gibt, ist bislang nicht bekannt.
31

.......... UNtErrICHtSMoDULE .......... ..........
.......... GrUNDSCHULEN/kL. 5-7
32
Warum das Thema Nanotechnologie
in dieser Altersstufe?
Mit der Behandlung der Nanotechnologie bekommen
die Grundschulkinder einen ersten Einblick
in eine aktuelle, fachübergreifende Technologie,
die bereits einige neue Produkte auf den Markt
gebracht hat (z.B. Anwendungen des Lotuseffekts,
Sonnencreme) und in Zukunft auch weitere
neue Produkte auf den Markt bringen wird. Sie
erfahren, dass es sich dabei nicht um Science-
Fiction handelt, auch wenn einige Visionen der
Nanotechnologie (z.B. Nanoroboter) durchaus an
Science-Fiction erinnern. Gerade diese an Science-
Fiction erinnernden Visionen der Nanotechnologie
eignen sich gut, um mit den Kindern über
die Grenzen, Möglichkeiten und Gefahren neuer
Technologien zu diskutieren.
IN DER AUSSTEL

.......... VoM GECko ZUM wIEDErLöSbArEN kLEbEr
bILDUNGSbEZUG
Phänomene der belebten und unbelebten Natur
beschreiben und begrifflich erfassen; einfache
Experimente planen, durchführen, diskutieren,
auswerten und optimieren; Erfahrungen miteinander
vergleichen und ordnen, Regelmäßigkeiten
aufspüren und in anderen Kontexten wieder erkennen;
technische und mediale Hilfsmittel zur
selbstständigen Informationsbeschaffung über
Naturphänomene verwenden; technische Funktions-
und Handlungszusammenhänge verstehen
und erklären; Naturphänomene als Auslöser von
technischen Entwicklungen vorstellen.
IN DEr AUSStELLUNG
Auch ein Besuch der Ausstellung ist unserer Ansicht
nach mit Grundschulkindern nach entsprechender
Vorbereitung durchaus sinnvoll. Im Ausstellungsbereich
Naturphänomene kann neben
anderen für die Nanoforschung wichtigen Exponaten
auch das Haftvermögen der Geckos am
lebenden Objekt studiert werden. Der Weltraumfahrstuhl
führt anschaulich in die Welt des Kleinsten
ein und im Hauptbereich der Ausstellung
finden sich viele Exponate, die auch jüngeren Kindern
aus dem Alltag ein Begriff sind. Der Prototyp
einer Geckohaftfolie wird selbstverständlich auch
vorgeführt.
INHALtE
Die Struktur der Geckofüße
Geckos haben die faszinierende Fähigkeit kopfüber
an der Decke laufen zu können ohne hinunter
zu fallen.
Der Grund für diese Fähigkeit liegt in der Ausbildung
der Geckofüße. Mit dem Auge erkennt man
unter den Füßen eine flauschige Lamellenstruktur.
Eine Vergrößerung mit dem Mikroskop zeigt den
Aufbau der Lamellen aus dichten, feinen Haaren
(Seta). Diese sind etwa 100 μm lang und ca. 6 μm
breit. Vergrößert man das Haar noch weiter, erreicht
man die Größenordnungen der Nanotechnologie.
Mit einem Rasterelektronenmikroskop
erkennt man, dass sich jedes Haar an der Spitze
in feine Blättchen (Spatulae) aufspaltet. Jedes
Spatula ist 200 nm breit, 10 – 15 nm dick und
besteht, wie unsere Haare auch aus Keratin. Um
eine Dicke von 10 – 15 nm zu erreichen, reicht es
aus, wenn man 5 – 6 Keratinmoleküle nebeneinander
legt. Keratin gibt unseren Haaren und
Nägeln die Festigkeit, ist in dieser feinen Verästelung
aber sehr anschmiegsam und kann sich an
alle Feinheiten des Untergrunds anpassen.
Die Haftung der Geckofüße
Die Haftung basiert auf dem Kontakt zweier Flächen.
Diese Kontaktfläche vergrößert sich, je kleiner
die Teilchen werden (vgl. Abschnitt Oberflächeneffekt).
Geckos erreichen auf hydrophilen (wasserliebenden)
und hydrophoben (wassermeidenden) Oberflächen
die gleiche Haftkraft. Dies geht nur, da
für die Haftung zwischenmolekulare Kräfte, die
Van-der-Waals-Kräfte, verantwortlich sind (vgl.
Abschnitt Van-der-Waals-Kräfte). Van-der-Waals-
Kräfte sind sehr schwach, summieren sich aber
über den großen Kontaktumfang der Spatulae
auf.
33

34
VoM GECko ZUM wIEDErLöSbArEN kLEbEr
Vergleicht man verschiedene Tiere, die sich auf
Oberflächen fortbewegen, erkennt man einen
deutlichen Zusammenhang zwischen der Größe
der Tiere und der Verzweigung bzw. Dicke der
Spatulae: je größer ein Tier ist, desto feiner verzweigen
sich die Kontaktflächen. Beim Gecko
sind die Spatulae so fein, dass die Van-der-Waals-
Kräfte ausreichen, um den Gecko zu tragen. Käfer
und Fliegen produzieren Klebeflüssigkeiten,
um an den Oberflächen zu haften. Spinnen haften
wie der Gecko trocken, jedoch sind ihre Haftflächen
nicht so fein aufgefächert.
Gämsen oder Bergziegen haben keine Spatulae-
Haftflächen. Um das Gewicht der Ziege zu halten,
müssten die Verzweigung so fein sein, dass
sie kleiner als ein Keratinmolekül wären.
Bei zunehmender Luftfeuchtigkeit kann die Haftkraft
um das doppelte Anwachsen, da bei einem
dünnen Wasserfilm zwischen Spatulae und Wand
Kapillareffekte auftreten, die die Haftkraft verstärken.
Technische Anwendungen des Effekts
Bereits hergestellt wurde eine Folie, die auf Glas
mit der halben Haftkraft des Geckos haftet. Die
Herstellung dieser Folie erfolgt wie beim Kuchenbacken
mit einer Negativform. Der Kunststoff
wird in die Form hineingegossen und kann nach
dem Erstarren als genoppte Folie abgezogen werden.
So einfach sich das anhört, die Schwierigkeit
besteht jedoch darin, diese Negativform herzustellen.
Ungelöst ist das Problem, dass die Van-der-Waals-
Kräfte auch zwischen den Spatulae wirken und
die künstlich hergestellten Spatulae noch zusammenkleben.
Wie der Gecko es schafft, dass die
Spatulae nicht untereinander zusammenkleben,
wird derzeit noch erforscht.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Größenordnung
∙ Oberflächeneffekt
∙ Van-der-Waals-Kräfte

EArbEItUNGSIDEEN
Geckos können kopfüber an der Decke hängend
oder an Glaswänden senkrecht nach oben laufen.
Kannst Du dir vorstellen, wie der Gecko das
macht?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Was spricht für bzw. gegen die Verwendung von
• Klebstoff
_________________________________________
_________________________________________
• Saugnäpfen
_________________________________________
_________________________________________
• Klettband
_________________________________________
_________________________________________
Schaue Dir dazu beide Seiten des Klettbands mit
der Lupe an. Zeichne beide Strukturen auf.
Findest Du zum Klettband auch Vorbilder in der
Natur?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
VoM GECko ZUM wIEDErLöSbArEN kLEbEr
Schaue Dir die Abbildungen des Geckofußes an.
Beschreibe oder male die Struktur auf.
Vergleiche die Strukturen bei einem kleinem Käfer,
einer dicken Fliege, einer noch dickeren Spinne
und einem Gecko. Was fällt dir auf?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________________________________________
Hast Du eine Idee, wieso eine Bergziege keine
Haftfüße hat?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
35

36
VoM GECko ZUM wIEDErLöSbArEN kLEbEr
Auf einer nassen Wand kann der Gecko übrigens
noch besser haften. Führe dazu folgenden Versuch
durch:
• Stelle einen durchsichtigen Trinkhalm in ein
Gläschen mit Wasser.
Ist der Wasserspiegel im Trinkhalm auf dersel-
ben Höhe, wie im Rest des Glases? Zeichne
ihn ein.
• Schneide den Trinkhalm der Länge nach auf,
rolle ihn ganz eng zusammen und stelle ihn
wieder in das Glas. Wie verhält sich der
Wasserspiegel jetzt?
• Halte den Trinkhalm an die Wand des Glases.
Was passiert mit dem Wasserspiegel?
• Stell Dir vor, du hast ein ganz, ganz dünnes
Röhrchen. Wie hoch, meinst Du, steigt das
Wasser jetzt? Zeichne den Wasserspiegel in
das dritte Röhrchen ein.
Diesen Effekt nennt man Kapillareffekt und er
sorgt dafür, dass der Gecko auf der nassen Wand
noch besser haften kann.
Kennst Du noch andere Beispiele für diesen
Effekt?
Hast Du Ideen, wo man einen wieder lösbaren
Kleber, der so funktioniert wie die Geckofüße, im
Alltag einsetzen kann?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Weitere Aufgaben im Abschnitt „Van-der-Waals-
Kräfte“

.......... LotUSEFFEkt
bILDUNGSpLANbEZUG
Über Naturphänomene staunen; Erscheinungen
der belebten und unbelebten Natur gezielt wahrnehmen;
Fragen zu Naturphänomenen stellen;
einfache Experimente mit und ohne Anleitung
durchführen, beobachten und dokumentieren.
IN DEr AUSStELLUNG
Im Eingangsbereich der Ausstellung, dem Laboratorium,
können Pflanzen mit Lotusoberfläche
nicht nur bestaunt, sondern der Lotuseffekt durch
Benetzen der Blätter auch direkt erlebt werden.
Weitere zentrale Objekte zum Thema Lotuseffekt
befinden sich im „Anwendungsbereich Oberflächen“.
Bei dem Exponat „springender Tropfen“
und einem Geschicklichkeitsspiel, bei dem ein
Wassertropfen durch ein Labyrinth geführt werden
muss, kann man mit den Augen und den
Händen den künstlich hergestellten Lotuseffekt
erkunden.
Blattoberfläche der Lotuspflanze
INHALtE
Die Lotuspflanze gilt in vielen asiatischen Regionen
als Symbol der Reinheit, da ihre Blätter sowohl
wasser- als auch schmutzabweisend sind.
Detaillierte Untersuchungen und mikroskopische
Aufnahmen geben Aufschluss darüber, dass die
besondere Oberflächenstruktur der Lotusblätter
dafür verantwortlich ist. Diese ist nämlich nicht
– wie vermutet – sehr glatt, sondern weist eine
Vielzahl mikrometer- und nanometerkleiner Noppen
auf. Darüber hinaus befinden sich auf den
noppenartigen Gebilden Wachsauflagerungen,
wodurch das Wasser nur wenig Haftung auf der
Oberfläche findet und abperlt. Dabei mitgerissene
Schmutzpartikel und Parasiten werden einfach
weggespült.
Das Phänomen der Selbstreinigung ist jedoch nicht
nur der Lotuspflanze vorbehalten, sondern auch
einheimische Pflanzen, wie Tulpe, Kapuzinerkresse
und Kohl, bedienen sich dieses evolutionären
Effektes. Auch Wissenschaftler machten sich diesen
bereits, beispielsweise bei der Entwicklung von
selbstreinigender Fassadenfarbe, zunutze.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Hydrophil – Hydrophob
37

38
LotUSEFFEkt
bEArbEItUNGSIDEEN
Experiment Lotuseffekt
Materialien
frische Blätter von Pflanzen mit Lotuseffekt (Lotus,
Kohl, Kapuzinerkresse, Tulpen) und ohne Lotuseffekt
(Löwenzahn, Salatblatt), Pipette, Wasser,
wasserlöslicher Kleber, Honig, Mehl, Wattestäbchen,
Spülmittel
Durchführung/Aufgaben
a) Tropfe mit der Pipette Wasser auf die verschiedenen
Blätter. Was passiert bei den Blättern
mit Lotusoberfläche und was bei denen ohne?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
b) Beschmutze die Blätter mit Mehl und lasse
erneut Wasser über die Blattoberflächen
laufen. Was beobachtest du?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
c) Tropfe Honig oder wasserlöslichem Kleber auf
die Blattoberflächen. Was passiert?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
d) Lasse eine Lösung aus Wasser und Spülmittel
über das Lotusblatt laufen. Was passiert nun
auf der Oberfläche, wenn du Wasser darüber
laufen lässt?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
e) Reibe mit einem Wattestäbchen über die
Lotusoberfläche und tropfe erneut Wasser
darüber.
Was stellst du fest? Notiere deine Beobach-
tungen!
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Lotusblatt

Bauanleitung Lotusoberfläche
Materialien
flexible Platte (ca. 150 x 60 cm),
leere Joghurtbecher/Plastikeinwegbecher, Tennisbälle/Tischtennisbälle
(je nach Größe der Becher),
Klettband, Stoffreste
Nachbau
Die Plastikbecher werden umgedreht auf eine
flexible Platte geklebt. Die Bälle werden mit dem
Klettband umwickelt und die Stofffetzen lose auf
die umgedrehten Becher gelegt.
Aufgaben
a) Was passiert, wenn du den Ball über die
Becher mit den Stofffetzen rollst?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
b) Recherchiere, wie die Lotus-Oberfläche unter
dem Mikroskop aussieht und zeichne sie auf.
c) Warum hat die Lotuspflanze wohl eine solche
Oberflächenstruktur? Stelle Vermutungen an!
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
d) Untersuche Alltagsgegenstände bei dir zu
Hause auf ihre wasserabweisende Wirkung
(Textilien, Teflonpfanne etc.). Überlege, wo der
Lotus-Effekt bereits Anwendung findet.
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Nachbau Lotusoberfläche
LotUSEFFEkt
39

.......... bIoLoGIE
.......... EINFLUSS VoN NANopArtIkELN AUF
ZELLULärE FUNktIoNEN
40
bILDUNGSpLANbEZUG
Kenntnis des Baus der Zelle/Zellorganellen und
grundlegender Wechselwirkungen mit der Umwelt;
Begriff der Phagozytose; Bezeichnung und
Funktion wichtiger Organe und Organteile; Infektionen
und ihre Abwehr.
IN DEr AUSStELLUNG
Im Bereich Biotechnologie und Medizin der Ausstellung
werden verschiedene Anwendungen
der Nanotechnologie zum Thema „Gesundheit“
präsentiert. Im großen Nano-Supermarkt, der
sich am Ende der Ausstellung befindet, können
Lebensmittel, Kosmetika und Alltagsgegenstände
auf ihre nanotechnologischen Inhaltsstoffe hin
gescannt werden.
Zellen mit Eisenoxid-Nanopartikeln
INHALtE
Die Zellen höherer Organismen sind „Fabriken“
mit Nanomaschinen, die autonom und mit einer
bemerkenswerten Effizienz arbeiten. So liegt der
Durchmesser der menschlichen Zelle zwischen
5-50 μm, die der Zellorganellen sogar im Nanometerbereich.
Biologische Prozesse werden somit
von nanoskaligen Strukturbausteinen gesteuert.
In den Zellen wird Energie erzeugt, es werden
Stoffe hergestellt und transportiert, es laufen
elektrochemische Prozesse ab und durch die Zellteilung
wächst der Organismus und erneuert seine
Bestandteile. Dieses raffiniert und fein abgestimmte
System ist für viele Wissenschaftler das
Vorbild für künftige Entwicklungen in der Nanotechnologie.
Mit der Nanotechnologie kommen allerdings auch
Fragen nach unbeabsichtigten Auswirkungen von
Nanopartikeln auf den menschlichen Organismus
auf. Können Nanopartikel in den menschlichen
Körper bzw. in Zellen eindringen? Können sie die
natürlichen Schranken (Hautbarriere, Blut-Hirn-
Schranke) durchdringen? Wie wirken sie im Organismus?
Einige dieser Fragen entziehen sich auch
bis heute noch dem Kenntnisstand der Wissenschaft
und sollen erst in den kommenden Jahren
näher untersucht werden. Fest steht jedoch, dass
Nanopartikel in Rattenexperimenten die natürlichen
Barrieren des Körpers überwunden haben
und je nach Partikelgröße auch nur unzureichend
von Makrophagen entfernt worden sind. Hierbei
muss allerdings zwischen isolierten (freien) und
gebundenen Nanopartikeln unterschieden werden.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Biologische Nanomotoren
∙ Chancen und Risiken

EArbEItUNGSIDEEN
1. Zeichne eine tierische Zelle und beschrifte sie
mit den unten vorgegebenen Begriffen. Ordne
danach die verschiedenen Größen den einzelnen
Zellorganellen zu, indem du in deinem Biologiebuch
und im Internet recherchierst.
Skizze tierische Zelle
Zellorganellen Größe
Zellmembran
Zellplasma
Raues endoplasmatisches Retikulum
Glattes endoplasmatisches Retikulum
Zellkern
Kernporen
Nucleolus
Ribosomen
Mitochondrien
Lysosom
Golgi-Apparat
Peroxisom
Centriol
Mikrotubuli
EINFLUSS VoN NANopArtIkELN AUF ZELLULärE FUNktIoNEN
Größen:
6-8 nm, 15-25 nm,
25 nm, 100 nm, 150 nm,
200-400 nm, 200-500 nm,
500 nm, 1-2 μm, 2-3 μm,
2-8 μm, 6-8 μm, 5-10 μm
41

42
EINFLUSS VoN NANopArtIkELN AUF ZELLULärE FUNktIoNEN
2. Lies dir die nebenstehenden Textpassagen aus
den „nano trust dossiers“ des Institutes für Technikfolgenabschätzung
der Österreichischen Akademie
der Wissenschaften durch und beantworte
folgende Fragen:
a) Welche Eintrittspforten fallen dir ein, über
die Nanopartikel auf natürlichem Weg in den
menschlichen Körper gelangen können. Welche
Eintrittspforte ist deiner Meinung nach die Größte?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
b) Wie können Nanopartikel in die menschliche
Zelle eingeschleust werden und wer verhindert
ein evtl. Eindringen von Kleinstpartikeln? Gehe
dabei auf die Bedeutung der Phagozytose ein, indem
du dein Biologiebuch konsultierst.
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
c) Diskutiere mit deinen Mitschülern, warum es
so schwierig ist, genaue Aussagen über die Wirkung
von Nanopartikeln im menschlichen Körper
zu treffen. Notiere die Ergebnisse.
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
So wurde z.B. gezeigt, dass direkt in die Lunge
verabreichtes Titandioxid (bzw. Nickel- und Vanadiumdioxidpartikel)
mit einer Größe von 20 nm
bei Ratten und Mäusen mehr Entzündungsreaktionen
verursacht als 250 nm große Partikel. Diese
und andere Befunde zeigen, dass die Oberfläche
wichtiger für die Toxizität ist als die Masse.
(Simkó et al.: Wie kommen Nanopartikel in den menschlichen
Körper und was verursachen sie dort? Nano trust dossiers Nr.
003, Mai 2008)
Von erheblichem Interesse ist die Frage nach einer
möglichen krebserzeugenden Wirkung durch eingeatmete
Nanopartikel. Es wurde gezeigt, dass
die Verabreichung hoher Dosen granulärer und
biobeständiger Nanostäube an Ratten, mit einer
erhöhten Tumorhäufigkeit verbunden war.
(Simkó et al.: Wie kommen Nanopartikel in den menschlichen
Körper und was verursachen sie dort? Nano trust dossiers Nr.
003, Mai 2008)
Es wurde an Ratten gezeigt, dass die Injektion von
TiO 2-Nanopartikeln direkt in die Blutbahn nicht zu
einer Anreicherung der Partikel im Gehirn geführt
hat. Eine neuere Studie zeigt jedoch, dass relativ
hohe Konzentrationen an TiO 2-Nanopartikeln,
die trächtigen Mäusen injiziert wurden, im Gehirn
der Nachkommen nachweisbar waren.
(Simkó et al.: Können Nanopartikel in das Gehirn gelangen?
Nano trust dossiers Nr. 014, September 2009)
Es wurde gezeigt, dass einzelne kohlenstoffhaltige
Nanopartikel nach Inhalation über den in der
Nase befindlichen Riechnerv entlang ins Gehirn
transportiert werden. Es ist jedoch unklar, inwieweit
dieses Resultat auf den Menschen übertragbar
ist, da sich die anatomischen Verhältnisse des
Gehirns der Ratten von denen des Menschen völlig
unterscheiden.
(Simkó et al.: Können Nanopartikel in das Gehirn gelangen?
Nano trust dossiers Nr. 014, September 2009)

Es wurde gezeigt, dass hohe Konzentrationen
von Silber-, Eisen- oder Titandioxid-Nanopartikeln
(>100 nm) von Makrophagen phagozytiert wurden
und somit nicht in die Organe übertreten.
Eine andere Studie zeigt, dass eine geringe Konzentration
von 15 nm großen, eingeatmeten Silbernanopartikeln
in Ratten bereits nach 30 Minuten
ins Blut, Gehirn und andere Organe wie Herz
und Nieren übertreten, während die Lunge relativ
frei von Partikeln war.
(Simkó et al.: Einfluss von Nanopartikeln auf zelluläre Funktionen.
Nano trust dossiers Nr. 007, November 2008)
3. Öffne die Online Datenbank http://www.
nanotechproject.org/inventories/consumer/
und suche Nano-Produkte in Deutschland.
a) Welche Nanoprodukte gibt es derzeit auf dem
deutschen Markt und wie könnten die Nanopartikel
der einzelnen Produkte in den menschlichen
Körper gelangen?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
EINFLUSS VoN NANopArtIkELN AUF ZELLULärE FUNktIoNEN
b) Viele Produkte, die derzeit mit Nanopartikeln
versehen sind (Sonnenschutzmittel, Deos,
Crèmes), stehen nicht auf der deutschen Liste.
Warum? Stelle Vermutungen an.
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_________________________________________
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_________________________________________
43

.......... bIoLoGISCHE NANoMotorEN
44
bILDUNGSpLANbEZUG
Rolle der ATP-Synthase; Aufbau eines Protonen-
Konzentrationsgefälles; Zellatmung; Biotechnologie;
Bewertung neuer Technologien; Aussagen
zu biologischen Fragestellungen aus unterschiedlichen
Perspektiven und auf der Grundlage von
Fachkenntnissen sachgerecht bewerten.
IN DEr AUSStELLUNG
Zukunftsvisionen werden in der Ausstellung im
Labor der Natur präsentiert. Hier werden anhand
von Büchern und Plakaten Ideen präsentiert, die
heutzutage noch als Science-Fiction gelten, aber
Wissenschaftler in ihrem Tun beflügeln und anreizen.
Um erste Ansätze bei der Umsetzung von Visionen
in die Realität zu zeigen, wird im Bereich Biotechnologie
auf die ATP-Synthase als Bionanomotor
eingegangen und anhand eines detaillierten Modells
Aussehen und Funktionsweise beschrieben.
INHALtE
Über die Nahrung wird dem menschlichen Körper
Energie zugeführt, welche er in eine chemisch
gebundene Form überführt. Dieser, als Adenosintriphosphat
(ATP) bezeichnete Grundstoff, ist der
Energielieferant für alle Lebensprozesse.
ATP ist im Körper universell einsetzbar. Um Energie
freizusetzen wird vom ATP eine Phosphatgruppe
abgespalten und es entsteht das niederenergetische
Adenosindiphosphat (ADP). Dieser Vorgang
läuft in beide Richtungen ab (ATP + H 2O �ADP +
P + H + ). Um ATP zu bilden, braucht es Mitochondrien
– die Kraftwerke der Zelle.
Der innere Mitochondrienmembran ist für nahezu
alle Ionen und polaren Moleküle undurchlässig.
Ein spezielles Enzym, die ATP-Synthase bildet eine
Art Kanal, durch den Protonen fließen können.
Durch den passiven Protonenfluß angetrieben,
bildet es aus ADP und einer Phosphatgruppe das
energiereiche ATP. Das Enzym ATP-Synthase in
den Mitochondrien ist jedoch nicht nur ein simpler
Kanal, sondern ein winziger, von der Natur entwickelter
und sich bewegender Nanomotor. Es gibt
im Mikrokosmos zwei Strukturen mit drehenden
Teilen, die schon genannten Miniaturturbinen in
den Mitochondrien und den Geißelapparat (Flagellenmotor)
in vielen Bakterien und Einzellern.
Wissenschaftler untersuchen den nur 10 Nanometer
kleinen ATP-Motor, um herauszufinden,
wie die Maschinen der Natur arbeiten, bevor sie
sich daran machen, diese zu manipulieren oder
sogar nachzubilden. Für die Zukunft ist jedoch
geplant, winzige Antriebe für den gerichteten
Transport von z.B. gefüllten Vesikeln, molekularen
Bauteilen oder Wirkstoffen herzustellen.
Wissenschaftlern in Amerika ist es beispielsweise
gelungen, die „Nanoturbine“ ATP-Synthase mit
einem Nickelpropeller zu versehen und diesen
durch Zugabe der biochemischen Energie ATP in
Rotation zu versetzen.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Einfluss von Nanopartikeln auf zelluläre
Funktionen
bEArbEItUNGSIDEEN
1. „Nanozukunft“
Auszug aus dem Werbefilm eines Forschungslabors,
in welchem das neuentwickelte bildgebende
Verfahren für die Medizin durch Nano-Kameras
demonstriert wird:
Ich bin Julia Forman von Xymos Technologies und
wir demonstrieren Ihnen jetzt ein von uns entwickeltes
revolutionäres Verfahren zur Bilddarstellung
für medizinische Zwecke. Unsere Versuchsperson
Peter Morris liegt hinter mir auf dem Tisch.
In wenigen Augenblicken werden wir einen Blick
in sein Herz und seine Blutgefäße werfen, und
zwar mit einer Leichtigkeit und Präzision, wie sie
bis dato undenkbar gewesen sind. […]
Im Gegensatz zum Herzkatheter ist unser Verfahren
hundertprozentig sicher. Und anders als
beim Herzkatheter können wir uns alles im Körper
anschauen, jede Art von Gefäß, wie groß
oder klein auch immer. Wir werden in die Aorta
dieses Mannes hier blicken, die größte Arterie
seines Körpers. Aber wir werden auch in seine
Lungenbläschen und in die winzigen Kapillargefäße
seiner Fingerspitzen schauen. Das alles wird
möglich, weil die Kamera, die wir in seine Gefäße
einführen, kleiner ist als ein rotes Blutkörperchen.
Sogar erheblich kleiner.

Die Mikrofabrikationstechnologie von Xymos
kann diese Miniaturkameras nun herstellen, und
das in großen Mengen – preiswert und schnell.
Tausende von ihnen würden erst die Größe eines
Punktes ergeben, den eine Bleistiftspitze erzeugt.
Binnen einer Stunde können wir ein Kilo von diesen
Kameras produzieren.
Ich kann mir vorstellen, dass Sie alle skeptisch
sind. Wir alle wissen, dass Nanotechnologie Versprechungen
gemacht hat, die sie nicht einlösen
konnte. Wie Ihnen bekannt ist, bestand das Problem
darin, dass die Wissenschaftler zwar Geräte
in Molekulargröße entwerfen, sie aber nicht herstellen
konnten. Xymos hat dieses Problem nun
gelöst. […]
Unsere Kamera ist ein zweimilliardstel Millimeter
lang. Wie Sie sehen, hat sie die Form eines Tintenfisches.
[…] Die Bildaufnahme erfolgt in der
Spitze. Mikroröhrchen im Schwanz sorgen für die
Stabilisierung, wie der Schwanz eines Papierdrachens.
Aber die können auch aktiv ausschlagen
und Fortbewegung ermöglichen. […] In der Spitze
selbst können Sie […] eine recht komplexe Serie
von verdrehten Molekülen erkennen. Das ist
unsere patentierte ATP-Kaskade. Denken Sie sie
sich als ein primitives Gehirn, das das Verhalten
der Kamera steuert […].
(aus Crichton, Michael: Beute [Prey]. München, 2004. S. 38-
40)
a) Lies dir den Text mit dem fiktiven Szenario
durch.
b) Welche gesundheitlichen Probleme könnten
mit solchen Nano-Kameras und Nanorobotern
bewältigt werden?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
c) Diskutiere Nachteile, die diese sogenannten
Nanobots mit sich bringen könnten?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
d) Überlege, welche Probleme in der Realität auftreten,
so dass Nanoroboter derzeit noch nicht
hergestellt werden können.
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Nanoroboter
bIoLoGISCHE NANoMotorEN
45

46
bIoLoGISCHE NANoMotorEN
2. Funktionsweise des ATP-Synthase-Motors
Die Synthase ist ein Doppelmotor bestehend aus
einer Turbine im membrangebundenen Teil und
einem daran gekoppelten Schrittmotor. Damit der
Doppelmotor läuft, muss das Milieu auf der einen
Seite der Membran etwas saurer sein – also mehr
Protonen (H + ) enthalten – als das Milieu auf der
anderen Seite. Das „Schaufelblatt“ in der Membran
[…] enthält einen durch die Membran führenden
Kanal, der spezifisch nur Protonen transportiert.
Sobald ein Proton diesen Kanal von einer
Seite zur anderen durchläuft, geht ein Ruck durch
die „Wurzeln“ – den Rotor –, und dieser dreht
sich um ein Zehntel des Kreisumfangs.
Zehn Protonen treiben den Rotor eine ganze Umdrehung
im Kreis herum. […] Bei jedem Drittelkreis,
den die Turbine zurücklegt, dreht sie auch
den zentralen Stamm in der „Baumkrone“ um ein
Drittel mit. Dabei klappt im „Laub“ jedesmal eine
Höhlung auf, die jeweils ein ADP- und ein Phosphat-Molekül
einsaugt und als fertig montiertes
ATP-Molekül ausspeit. Nach drei solchen Drittel-
Schritten ist der Motor in der „Baumkrone“ wieder
in Ausgangsposition.
(aus Ewe, Thorwald: Wirbelndes Wunderwerk. in: bild der
wissenschaft plus. http://www.landesstiftung-bw.de/publikationen/files/bdw_ls_supplement_gesamt3.pdf)
Internetseite: http://www.iubmb-nicholson.org/
swf/ATPSynthase.swf
Benutze die obigen Informationen und dein
Schulbuch, um folgende Aufgaben zu lösen:
a) Wie groß ist die ATP-Synthase und wieso
spricht man von einem Nanomotor?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
b) Skizziere schematisch eine ATP-Synthase.
Zeichne die Rotationsrichtung vom F0- und F1-Teil
sowie den Protonenfluss ein.
c) Erkläre, warum der F0-Teil der ATP-Synthase
als Antriebsmotor für den ATP-bildenden F1-Teil
gesehen werden kann und welchen „Treibstoff“
der Motor braucht, um sich zu bewegen?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
d) Was passiert, wenn ATP-Synthasen rückwärts
laufen und welche Bedeutung hat das?
_________________________________________
_________________________________________
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.......... NANoSILbEr ANStAtt ANtIbIotIkA
bILDUNGSpLANbEZUG
Infektionen und ihre Abwehr; Bakterien; Stabilität
eines Ökosystems aus dem Zusammenwirken vieler
Faktoren; Folgen bei Eingriffen in das Ökosystem;
Schädigungen und Regenerationsfähigkeit
von Lebensräumen; Anreicherung und Wirkung
eines Schadstoffes.
IN DEr AUSStELLUNG
Der Epilog der Ausstellung beschäftigt sich eingehend
mit Chancen und Risiken der Nanotechnologie
und welche Folgen Nanopartikel in der Umwelt
für Mensch und Ökosystem haben können.
Mit Silber beschichtete Produkte und ihre antimikrobielle
Wirkung werden im Anwendungsbereich
Biotechnologie und Medizin detailliert erklärt und
anhand von medizinischen Originalexponaten
dargestellt.
INHALtE
Schon seit 3.000 Jahren ist bekannt, dass Silber
vor Infektionen schützt. So aßen frühere Herrschaften
von Silbergeschirr und Bauern legten
Silbermünzen in ihre Milchkannen.
Heutzutage bedient man sich nicht nur des makroskaligen,
sondern auch des nanoskaligen Silbers.
Medizinische Gebrauchsgegenstände, wie
Pflaster, Katheter oder Implantate werden mit
Nanosilber beschichtet, so dass Bakterien und Pilze
kaum eine Chance zum überleben haben. Die
50-100 nm großen Silberteilchen geben kontinuierlich
positive Ionen ab, welche Schwefel, Sauerstoff
und Stickstoff binden und die Strukturen
und Funktionen von Zellen beeinflussen. Binden
sich Silberionen z.B. an die Proteine der Zellwände
von Bakterien, so lösen sich diese auf und die
Bakterie stirbt.
Umweltschutzorganisationen sehen jedoch auch
ein Risiko in der Verwendung von Silber in täglichen
Gebrauchsgegenständen wie Kühlschränken,
Pflaster und Textilien. Als Abfallprodukt
können große Mengen an Silber in die Abwässer
und somit auch in den Klärschlamm gelangen. Da
Silberionen sämtliche Arten von Bakterien angreifen
– auch die nützlichen, die für die Zersetzung
in Kläranlagen gebraucht werden oder Bakterien,
die sich in Flüssen und Seen befinden – sind mögliche
Umweltauswirkungen bei einem massenhaften
Eintrag von Silber bzw. Silberionen in die
Umwelt nicht auszuschließen.
bEArbEItUNGSIDEEN
1. Langzeitexperiment: Mikroben in der Milch
Materialien
2 durchsichtige Einwegbecher, Milch, alter Silberschmuck/Silbermünze
Durchführung
Wasche die Becher gut aus und fülle sie zu gleichen
Teilen mit Milch. Lege nun in einen der Becher
das Silber. Lasse beide Becher bei Zimmertemperatur
einige Tage stehen.
Aufgaben
Beobachte die Oberfläche der Milch eine Woche
lang. Notiere deine Beobachtungen jeden Tag zur
selben Zeit. Was passiert mit der Milch in dem Becher
mit dem Silber und was in dem Becher ohne?
Stelle Vermutungen über deine Beobachtung an.
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48
NANoSILbEr ANStAtt ANtIbIotIkA
2. Aufgabe
Überlege, mit deinem Wissen aus dem Grundlagenteil,
warum nanoskaliges Silber im Gegensatz
zu makroskaligem Silber den antibakteriellen
Effekt verstärkt.
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3. Aufgabe
Silberbeschichtungen in Textilien, Möbeln, Wandfarben,
Küchengeräten und Armaturen könnten
auf lange Sicht zur Sensibilisierung von breiten
Teilen der Bevölkerung führen.
Warum?
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4. Auswirkungen von Nanosilber auf das
Ökosystem
Lies dir folgenden Text durch und beantworte die
Fragen:
Silberbelastungen mit Werten von bis zu 300
mg/l wurden in Flüssen um die Mitte des vorigen
Jahrhunderts registriert. Dieses Silber stammte
vor allem aus Abwässern von Bergbauminen
oder von photographischen Betrieben, die Silber
als Photochemikalien verwendeten. Als Folge
von strengeren Umweltgesetzen […] und wegen
des Rückgangs der analogen Photographie sind
die Belastungen der Gewässer mit Silber in den
Industriestaaten stark zurückgegangen. Untersuchungen
der aquatischen Lebensräume während
dieser Jahre haben gezeigt, dass viele Lebewesen
erst wieder in den Gewässern überleben konnten,
als die Silberbelastung zurückging.
(Fries et al.: Nanosilber. Nano trust dossiers Nr. 010, April
2009)
a) Wie wirkten sich Bergbauabwässer und Photolaborabwässer
auf die Gewässer aus und warum
wurden strengere Gesetze gemacht? Warum
ging die Gewässerbelastung Ende des 20. Jh. wieder
zurück?
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b) Seit 2005 ist eine Waschmaschine auf dem
Markt, bei der durch Abgabe von Silberionen
Bakterien vernichtet werden sollen. Nach Einwendungen
von schwedischen Umweltorganisationen
wurde dieses Gerät dann in Schweden vom
Markt genommen.
Überlege, welche Folgen es haben könnte, wenn
heutzutage unkontrolliert Silber und Silberverbindungen
in die Umwelt gelangen würden.
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5. Quiz „Fakt oder Fiktion“
Bildet Gruppen von jeweils zwei Schülern und
zieht eine der ausgeschnittenen Quiz-Karten. Diskutiert
dann über Fakt oder Fiktion bzw. Sinn und
Unsinn der Aussage.
1.
Es gibt biologische Nanomaschinen,
die aktuell in
deinem Körper vorkommen.
4.
Mit elektronischen Nano-Nasen
kann man Sprengstoffe
riechen oder Lebensmittel
auf ihre Haltbarkeit testen.
7.
Es wird an einem Fahrstuhl
aus Nanokohlenstoffröhren
getüftelt, der von der Erde
bis zum Mond reicht.
10.
Mit Nanopartikeln beschichtete
Taschentücher
sind besonders reißfest und
saugfähig.
13.
Eine Schwangerschaft lässt
sich mit dem Element Gold
feststellen.
2.
Nanoskalige Eisenpartikel
können in den menschlichen
Körper injiziert werden, um
Krebs zu bekämpfen.
5.
Derzeit entwickelt man
einen nur wenige Quadratmikrometergroßen
Chip, mit
dessen Hilfe Krankheiten
erkannt werden können.
8.
Mit Hilfe der Nanotechnologie
lassen sich künstliche
Organe wie bei Terminator
herstellen.
11.
Dental-Nanoroboter untersuchen
und reinigen die
Oberfläche menschlicher
Zähne.
14.
Intelligente Textilien können
den Blutdruck und die
Herzfrequenz messen und
dem Körper Medikamente
zuführen.
NANoSILbEr ANStAtt ANtIbIotIkA
3.
Es gibt Bratpfannen, die mit
Salz- und Pfeffernanopartikeln
beschichtet sind, so
dass das Essen beim Braten
automatisch gewürzt wird.
6.
Mit Hilfe von Rastersonden
kann man die menschliche
DNA entschlüsseln und
somit Fehler in der DNA
erkennen.
9.
Es gibt Socken, die man
nie wieder wechseln muss,
da sie nicht anfangen zu
stinken.
12.
Das kleinste Auto der Welt
ist nur 2 nm lang.
15.
Neuartige Nano-Anzüge
können US-Soldaten
unsichtbar machen.
49

.......... CHEMIE
.......... HyDropHIL oDEr HyDropHob
50
bILDUNGSpLANbEZUG
Reinstoff und Stoffgemisch, Stoffe und ihre Eigenschaften;
Hydrophilie, -phobie; nichtmischbare
Flüssigkeiten.
IN DEr AUSStELLUNG
In der Ausstellung können Rastersondenmikroskopaufnahmen
verschiedener Oberflächen angeschaut
werden. Diese werden in ein Programm
eingespielt und können interaktiv „bewandert“
werden. Ein Labyrinth mit superhydrophober
Oberfläche lädt zum Spielen mit einem Wassertropfen
ein. Außerdem sind Beispiele verschiedener
technischer Produkte mit superhydrophoben
Oberflächen z.B. Nano-Krawatte oder Antigraffiti
Farbe zu besichtigen und auf ihr Tauglichkeit zu
testen.
INHALtE
In der Chemie gilt der Grundsatz „Gleiches löst
sich in Gleichem“. Polare oder elektrisch geladene
Stoffe lösen sich leicht in Wasser und werden
als hydrophil bezeichnet. Das Gegenteil von hydrophil
ist hydrophob und bezeichnet Stoffe, die
sich schlecht oder gar nicht in Wasser lösen.
Auch bei Oberflächen spricht man von hydrophilen
bzw. hydrophoben Oberflächen und versteht
darunter die Benetzbarkeit der Oberfläche mit
Wasser. Ist die Oberfläche vollständig benetzbar,
verläuft das Wasser zu einem monomolekularen
Film, zwischen Oberfläche und Wasser bildet sich
ein Kontaktwinkel von 0° aus. Bei einem Kontaktwinkel
von 180° berührt der Wassertropfen
die Oberfläche nur noch in einem Punkt, d.h.
die Oberfläche ist völlig unbenetzbar. Bei Kontaktwinkeln
< 90° spricht man von hydrophilen,
bei Kontaktwinkeln von > 90° von hydrophoben
Oberflächen. Superhydrophobe Oberflächen, bei
denen nur 2-3 % der Wassertropfenoberfläche
mit der Blattoberfläche in Kontakt stehen, zeichnen
sich durch sehr hohe Kontaktwinkel > 140°
aus.
Wie sich ein Wassertropfen auf der Oberfläche
verhält, hängt von der Rauigkeit der Oberfläche
ab. Ist eine glatte Oberfläche durch einen Wassertropfen
gut benetzbar, wird die Benetzbarkeit
durch aufrauen gesteigert. Wird eine glatte,
schlecht benetzbare Oberfläche aufgeraut, führt
dies zu einer superhydrophoben Oberfläche, auf
der der Wassertropfen nur noch an wenigen Stellen
Kontakt mit der Oberfläche hat und reibungslos
abrollt.
Krawatte mit schmutzabweisender, superhydrophober
Oberfläche
Erstaunlicherweise können von superhydrophoben
Oberflächen sowohl hydrophile als auch
hydrophobe Schmutzpartikel leicht entfernt werden.
Hydrophile Schmutzpartikel werden in den
Wassertropfen aufgenommen und rollen mit
ihm ab. Bei hydrophoben Schmutzpartikeln sind
die Adhäsionskräfte zwischen Oberfläche und
Schmutz aufgrund der geringen Kontaktfläche
deutlich geringer als die zwischen Wassertropfen
und Schmutzpartikel. Die Partikel haften an der
Wasseroberfläche und werden mit dem Wasser
fortgespült.
Superhydrophobe Oberflächen mit schmutzabweisenden
Effekt, sogenannte selbstreinigende
Oberflächen sind von der Lotuspflanze und vielen
anderen Pflanzen (vgl. Abschnitt „Lotuseffekt“)
bekannt und werden in vielen technischen Produkten
eingesetzt (Bsp.: Fassadenfarbe, schmutz-
abweisende Kleidung).

Nicht verwechselt werden darf der Selbstreinigungseffekt
superhydrophober Oberflächen, der
auf nanometergroßen Strukturen der Oberfläche
beruht, mit dem Easy to Clean Effekt. Dieser beruht
auf den Wasser und Fett abweisenden Eigenschaften
sehr glatter, chemischer Oberflächen.
Im Gegensatz zum Lotus-Effekt, der durch seine
Strukturierung selbstreinigende Eigenschaften
aufweist aber durch physikalische Einwirkungen
(reiben, abkratzen) zerstört werden kann, weist
die Easy-to-clean-Beschichtung keine Selbstreinigung
auf. Dafür lässt sich der Schmutz leicht abwaschen.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Lotuseffekt
bEArbEItUNGSIDEEN
Experiment 1
Materialien
Paprikapulver, Öl, Wasser, durchsichtiges Becherglas,
Teelöffel
Durchführung
Fülle das Becherglas zu 2 /3 mit Wasser. Rühre nun
1 TL Paprikapulver dazu. Beobachte, was mit dem
Paprikapulver passiert. Gib danach 1 TL Öl hinzu
und rühre gut um.
Aufgaben
a) Was passiert mit dem Paprikapulver vor und
nach Zugabe des Öls?
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b) Ordne die Eigenschaften den einzelnen
Bestandteilen des Experimentes zu:
Wasser liebend
Wasser meidend
Fett liebend
Fett meidend
HyDropHIL oDEr HyDropHob
Wasser Öl Paprikapulver
Experiment 2
Materialien
Kerze, 2 Objektträger/Glasplatten, Öl, Streichhölzer,
Papiertücher, Pipette, Behältnis für Wasser
Durchführung
Halte einen Objektträger so lange über die Kerzenflamme,
bis dieser rußgeschwärzt ist. Reibe
den anderen Objektträger mit Öl ein. Lasse anschließend
über beide Objektträger mit der Pipette
einen Wassertropfen rollen.
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52
HyDropHIL oDEr HyDropHob
Abrollender Tropfen auf rußgeschwärzter
Oberfläche
Aufgaben
a) Was hast du beobachtet? Beschreibe dies!
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b) Was passiert, wenn du die Objektträger mit
Spülmittel und Wasser säuberst und erneut einen
Wassertropfen darüber rollen lässt?
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Experiment 3: Kontaktwinkel
Materialien
2 Objektträger, Kerze, Streichhölzer, frische Blätter
Kapuzinerkresse/Kohl/Tulpe, Pipette, Wasser
Durchführung
Tropfe mit der Pipette nacheinander einen Wassertropfen
auf einen unbehandelten Objektträger,
einen Objektträger, den du vorher mit Wachs
überzogen hast und die frischen Pflanzenblätter.
Aufgaben
a) Vergleiche die Wassertropfen auf den drei verschiedenen
Oberflächen. Wie sehen sie aus?
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b) Ordne die Oberflächen aus dem Experiment
den jeweiligen Kontaktwinkeln in der Grafik zu.
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c) Überlege, welchen Kontaktwinkel eine Teflonpfanne,
unbehandelte Schafswolle und Nickel haben
könnten? Ordne sie den obigen Grafiken zu
und begründe deine Antwort!

Weitere Aufgaben
a) Ordne den Grafiken die Begriffe „glatte Oberfläche“,
„Easy-to-clean-Oberfläche“ und „Lotus-
Oberfläche“ zu. Schreibe zu jeder Grafik eine kurze
Erklärung zu dem dargestellten Effekt.
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HyDropHIL oDEr HyDropHob
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b) Überlege, was mit Hilfe von Materialien mit
Antihaftoberflächen eingespart werden könnte?
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.......... SUSpENSIoN oDEr ECHtE LöSUNG
54
bILDUNGSpLANbEZUG
Stoffe und ihre Eigenschaften, Reinstoff und
Stoffgemisch; Hydrophilie, -phobie; Suspension,
Lösung, Lichtstreuung.
IN DEr AUSStELLUNG
An Suspensionen mit jeweils gleichen prozentualen
Anteilen an SiO 2 aber unterschiedlicher Partikelgröße
wird gezeigt, wie sich die Partikelgröße
einer Suspension auf die Streuung des Lichts
auswirkt. Zu bestimmten Zeiten werden in der
Ausstellung Gold-Nanopartikel hergestellt bzw.
in eine zweite Phase überführt (vgl. Experiment
1 und 3). Außerdem wird über die Anwendungsmöglichkeiten
von nanoskaligem Gold informiert
und es werden mit Goldnanopartikeln gefärbte
Gläser ausgestellt.
INHALtE
Eine Suspension ist ein heterogenes Stoffgemisch
aus einer Flüssigkeit und einem Feststoff. Liegt
der Teilchendurchmesser des Feststoffes zwischen
1 nm und 1.000 nm spricht man von kolloidalen
Lösungen.
Teilchen dieser Größenordnung können nicht abfiltriert
werden und setzen sich auch nach längerer
Zeit nicht am Boden ab. Mit dem bloßen Auge
oder dem Lichtmikroskop ist kein Unterschied zu
einer homogenen, echten Lösung (Teilchendurchmesser
< 1 nm) zu sehen. Im Gegensatz zu einer
echten Lösung streuen die nanometergroßen Partikel
einer kolloidalen Lösung aber das Licht (vgl.
Abschnitt „Nanopartikel und ihre Wechselwirkung
mit Licht“).
Lichtstrahl beim Durchgang durch eine Lösung
mit nanoskaligem Gold
Gold-Nanopartikel
Gold-Nanopartikel sind nicht golden, sondern je
nach Partikelgröße und Form rot bis blauviolett.
Im Größenbereich von 20 – 30 nm erscheinen die
Goldpartikel rot, zwischen 100 und 150 nm sind
sie violett und noch größere Goldpartikel sind
blau. Erst wenn eine bestimmt Größe überschritten
wird, erscheinen die Goldpartikel goldfarben.
Allgemein gilt: je kleiner die Teilchen, umso energiereicher
ist das Licht, das sie absorbieren. Die
Komplementärfarbe wird jeweils reflektiert.
Wie klein oder groß Partikel werden, hängt mit
dem Vorgang der Keimbildung und des Keimwachstums
zusammen. Größere Partikel entstehen,
wenn langsam auf höhere Temperaturen
erhitzt und nur wenig gerührt wird. Wird die Lösung
kräftig durchmischt und schnell auf höhere
Temperaturen erhitzt, entstehen vorwiegend kleinere
Teilchen.
Schon in der Römerzeit verwendete man feinst
verteiltes Gold zum Färben von Glas. Gold-Rubinglas
ist eine kolloidale Lösung von Gold und
Zinndioxid in Glas.

Gold-Nanopartikel sind im Gegensatz zu anderen
Nano-Partikeln wenig reaktiv. Sie eignen sich deshalb
zum Einsatz in der Medizin (Bsp.: Schwangerschafts-Teststreifen).
Weiterhin werden sie als
Katalysatoren zur Luftreinigung eingesetzt.
Phasentransfer
Damit die Teilchen in dem für kolloidale Systeme
charakteristischen Schwebezustand verbleiben,
müssen sie durch angelagerte Ionen oder Lösungsmittel
stabilisiert werden. Nano-Partikel, die
in einer polaren Phase synthetisiert wurden, können
von daher nicht ohne weiteres in einer unpolaren
Phase verwendet werden (und umgekehrt).
Die Teilchen sind nicht mehr dispergierbar und
setzen sich ab. Um die Nano-Partikel in der jeweils
anderen Phase verwenden zu können, müssen sie
mit Hilfe von amphiphilen Molekülen (Moleküle
mit hydrophilen und -phoben Strukturmerkmalen)
in die andere Phase transferiert werden.
Die Farbänderung beim Übergang von der wässrigen
in die organische Phase lässt sich dadurch erklären,
dass sich die Alkylketten des Oleats unterschiedlicher
Partikel ineinander „verhaken“ und
so aus mehreren kleinen Partikeln ein größerer
Verbund entsteht
Der erfolgte Phasentransfer
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Museumspädagogisches Begleitprogramm
bEArbEItUNGSIDEEN
SUSpENSIoN oDEr ECHtE LöSUNG
Experiment 1: Herstellung von Gold-
Nanopartikeln
Materialien
Zitronensäurelösung (0,1 g/L), KAuCL 4, destilliertes
Wasser, Becherglas, Mikrowelle, Magnetrührer
Durchführung
4 mg KAuCL 4 (das ist 1 Körnchen, das Goldsalz
ist sehr teuer) werden zu 50 ml der Zitronensäurelösung
gegeben und unter starkem Rühren (600
min -1 ) gelöst. Die klare, gelbliche Lösung wird in
einer Haushaltsmikrowelle bei voller Leistung 35
Sekunden lang erhitzt. Danach wird die heiße
Suspension sofort wieder auf den Magnetrührer
gestellt und weiter gerührt (600 min -1 ). Während
dieses Rührvorgangs beobachtet man den Farbumschlag
der klaren Suspension. Ändert sich die
Farbe nicht mehr, ist der Versuch abgeschlossen.
Die erkaltete Suspension wird zur Aufbewahrung
in ein 50 ml Schnappdeckelglas gefüllt.
Aufgabe
• Welche Aufgabe hat die Zitronensäure bei
diesem Versuch?
• Wieso wird die Lösung rot und nicht golden?
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Experiment 2: Vergleich verschiedener
Lösungen
Materialien
Lösung mit Gold-Nanopartikeln aus Experiment 1,
Wasser, weitere gefärbte Lösungen, Laser-Pointer
Durchführung
Leuchte mit einem Laser-Pointer von der Seite
oder von unten durch die verschiedenen Lösungen.
55

56
SUSpENSIoN oDEr ECHtE LöSUNG
Aufgabe
Zeichne deine Ergebnisse auf.
Wie lassen sich Lösungen mit Nano-Partikeln von
echten Lösungen unterscheiden? Erkläre das
Ergebnis.
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Experiment 3: Phasentransfer
Materialien
Lösung mit Gold-Nanopartikeln aus Experiment
1, Dodecan, Kaliumoleat, Magnetrührer, NaCl
Durchführung
5 ml Goldsuspension werden zusammen mit einem
Magnetrührstab in ein Schnappdeckelglas
gegeben und mit 5 ml Dodecan überschichtet.
Anschließend werden 5 mg Kaliumoleat hinzugefügt
und für 10 Minuten bei 1400 min -1 gerührt.
Unter weiterem Rühren bei 400 min -1 fügt man
zur trüb gewordenen Emulsion soviel NaCl hinzu,
bis die Trübung verschwindet (2 – 3 gehäufte
Spatel). Nach nochmaligem Rühren für einige Minuten
(1000 min -1 ) kann der Transfer der Goldpartikel
von der polaren in die unpolare Phase
beobachtet werden.
Aufgabe
Erkläre mit Hilfe der Abbildungen, wie der
Phasentransfer erfolgt. Beschrifte die Pfeile.
Funktioniert der Phasentransfer auch ohne
Kaliumoleat bzw. Salz?

Experiment 4: Herstellung von SiO2-Suspensionen
unterschiedlicher Partikelgröße
(kann in der Schule berechnet und in der Ausstellung
angeschaut werden)
Materialien
Siliciumdioxid-Suspensionen mit einem Durchmesser
von 20-250 nm
z.B. Bayer Ludox®: 20 nm (15 Gew.-%), 40 nm
(10 Gew.-%) und Merck Monospher®: 80 nm
(10 Gew.-%), 100 nm (10 Gew.- %), 125 nm (10
Gew.-%), 150 nm (10 Gew.-%), 200 nm (5 Gew.-%),
250 nm (21,54 Gew.-%)
100 ml (oder 50 ml) Messkolben, Messpipetten.
Laserpointer
Vorbereitung
Wieviele ml jeder Siliciumdioxid-Suspension werden
jeweils benötigt, um 100 ml (oder 50 ml) einer
0,5 Gew.-%igen Lösung herzustellen? Um welche
Verdünnung handelt es sich?
Durchführung
Verdünne die Siliciumdioxid-Suspension entsprechend
deiner Rechnung.
Aufgabe
Untersuche die Suspensionen mit dem Laserpointer.
Was passiert, wenn die Partikel immer größer
werden?
Demineralisiertes Wasser und 0,5 Gew.-%-ige SiO2-Suspensionen
unterschiedlicher Partikelgrößen. Von links nach rechts: demin. H2O,
40 nm, 80 nm, 100 nm, 200 nm.
SUSpENSIoN oDEr ECHtE LöSUNG
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Weiterführende Aufgaben
• Wodurch unterscheiden sich Gold-Nanopar-
tikel von anderen Metall-Nanopartikeln?
• In welchen Bereichen werden Gold-Nanopar-
tikel verwendet?
• Was ist Goldrubinglas?
• Wieso ändert sich beim Phasentransfer die
Farbe der Goldpartikel?
• Weshalb ist der Phasentransfer ein wichtiger
Prozess in der Nanotechnologie?
57

.......... MAGNEtISCHE FLÜSSIGkEItEN - FErroFLUIDE
58
bILDUNGSpLANbEZUG
Reinstoff und Stoffgemisch, Stoffe und ihre Eigenschaften,
Hydrophilie, -phobie, Dichte, Nichtmischbare
Flüssigkeiten, Magnetismus
Ferrofluidigel
IN DEr AUSStELLUNG
In der Ausstellung können an einem Ferrofluid
die typischen Rosenzweigstacheln beobachtet
werden. Selbstverständlich werden auch die verschiedenen
Anwendungsmöglichkeiten der magnetischen
Flüssigkeiten gezeigt.
INHALtE
Ferrofluide sind kolloidale Suspensionen, die aus
ferro- oder ferrimagnetischen Nanopartikeln in einer
wässrigen oder öligen Phase bestehen. Ohne
äußeres Magnetfeld erscheinen sie wie ganz
normale Flüssigkeiten. Bringt man jedoch einen
Magneten in die Nähe, wird die Flüssigkeit von
dem Magneten angezogen. Dies funktioniert allerdings
nur, wenn die magnetischen Nanopartikel
in der flüssigen Phase stabilisiert werden (z.B.
durch Tenside), so dass sie auch unter Einwirkung
eines Magnetfeldes nicht verklumpen. Außerdem
müssen Dichte und Viskosität gewissen Kriterien
genügen. Zu verdünnte Suspensionen werden
von einem äußeren Magnetfeld nicht mehr angezogen.
Ferrofluid im Magnetfeld
Am häufigsten werden magnetische Flüssigkeiten
als Dichtungsmaterialien verwendet. Sie werden
durch Permanentmagneten an der abzudichtenden
Stelle gehalten und können großen Druck
aushalten. In Ferrofluidpumpen erreichen sie
aufgrund ihrer geringen Reibung und Verschleißempfindlichkeit
große Wirkungsgrade. Außerdem
werden sie als Dämpfungsmittel oder Kühlflüssigkeit
verwendet.
Als ganz neues Einsatzgebiet für Ferrofluide wird
derzeit der Einsatz in der Krebstherapie erforscht.
Die magnetischen Nanopartikel werden gezielt in
das Tumorgewebe eingebracht und dort durch
ein magnetisches Wechselfeld angeregt. Durch
die starke Teilchenbewegung erwärmt sich das
Ferrofluid und der Tumor wird von innen her
durch Überhitzung zerstört. Die Belastung des
gesunden Gewebes ist dabei nur sehr gering.
bEArbEItUNGSIDEEN
Experiment 1: Herstellung eines Ferrofluids
Materialien
Eisen(III)Chlorid, Eisen(II)Chlorid, Natronlauge
(1n), Diethylenglykol, demineralisiertes Wasser,
Schnappdeckelglas, Heizplatte mit Magnetrührer,
Messpipette, Becherglas

Durchführung
• Schritt 1: 0,5 g FeCL3 x 6 H2O werden in 3 ml
VE-Wasser gelöst. 0,2 g FeCL3 x 4 H2O werden in
2 ml VE-Wasser gelöst. Nach dem Auflösen werden
beide Lösungen zusammen gegeben und gut
vermischt. Die Eisensalzlösung wird unter starken
Rühren (1000 min -1 ) zügig zu 20 ml 1 n Natronlauge
gegeben. Die Suspension wird 15 Minuten
gerührt. Becherglas dabei mit einem Uhrglas abdecken.
• Schritt 2: Nach dem Rühren wird die Suspension
stehen gelassen und es wird gewartet, bis sich
der Feststoff abgesetzt hat. Der Überstand wird
abdekantiert und der schwarze Niederschlag wird
zweimal mit jeweils 20 ml VE-Wasser gewaschen.
Dazu die Suspension jeweils aufschlämmen, rühren,
absetzen lassen und die überstehende Lösung
abdekantieren. Nach der letzten Waschung sollte
der pH-Wert der überstehenden Lösung mindestens
10 betragen (notfalls noch einmal Waschen).
• Schritt 3: Zu dem gewaschenen, möglichst
trockenem, schwarzen Niederschlag (d.h. das
Waschwasser soweit wie möglich entfernen) werden
3 ml Diethylenglykol gegeben und die Lösung
5 Minuten bei starkem Rühren (1.000 min -1 )
auf der Heizplatte bei 100°C erwärmt.
• Schritt 4: Die schwarze Flüssigkeit wird zur Aufbewahrung
in ein Schnappdeckelglas überführt
(Glas zur Dichtebestimmung vorher wiegen).
Aufgaben
• Bewege einen Magneten an der Außenseite
des Schnappdeckelglases entlang. Beobachte was
passiert.
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• Welche Reaktion läuft in Schritt 1 ab?
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• Was ist die Aufgabe des Diethylenglykols?
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MAGNEtISCHE FLÜSSIGkEItEN - FErroFLUIDE
• Welche Dichte hat das hergestellte Ferrofluid
ungefähr? Wiege das Schnappdeckelglas mit
Inhalt, schätze das Volumen ab, in dem du ein
gleichartiges Schnappdeckelglas mit Wasser füllst.
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Experiment 2
• Gib zu einem Teil des Ferrofluids vorsichtig
Wasser hinzu. Bei welcher Dichte, wird die Suspension
nicht mehr vom Magnetfeld angezogen?
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Experiment 3
Erkläre die nebenstehende Abbildung. Wo befindet
sich der Magnetit? Wozu dienen die Schwänze?
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Weiterführende Aufgaben
• Wieso müssen die magnetischen Nanopartikel
in der Suspension stabilisiert werden?
• Wo verwendet man Ferrofluide? Was ist der
Vorteil von Ferrofluiden gegenüber herkömm-
lichen Anwendungen?
• Informiere dich über die neueste Anwendung
der Ferrofluide im Bereich der Medizin.
59

.......... VAN-DEr-wAALS-kräFtE
60
bILDUNGSpLANbEZUG
Chemische Bindungen, zwischenmolekulare
Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte, Kristalle, Metalle,
Atombau, Periodensystem.
IN DEr AUSStELLUNG
Ein Bereich der Ausstellung beschäftigt sich mit
Atomen und Molekülen und thematisiert in diesem
Bereich auch die Bindungskräfte zwischen
Atomen. Ausgestellt werden ein interaktives Periodensystem,
ein Metallgitter, Kristallgitter von
Kohle, Graphit und Diamant sowie ein Modell zur
Ionenbindung. Im Bereich Anwendungen werden
die neuesten Ergebnisse aus der Geckoforschung
vorgestellt und selbstverständlich lässt sich der
Hafteffekt des Geckos auch am lebenden Objekt
studieren.
INHALtE
Der auf der Wirkung von Van-der-Waals-Kräften
beruhende Zusammenhalt zwischen Molekülen
ist im Gegensatz zu dem Zusammenhalt in Ionenbindungen
oder kovalenten Bindungen deutlich
schwieriger zu verstehen. Aktuelle Forschungsergebnisse
aus der Nanotechnologie, z.B. zu den
Haftmechanismen der Geckos, bieten sich an die
Wirkungsweise und Stärke der Van-der-Waals-
Kräfte zu verdeutlichen. Allerdings sieht man
auch in diesem Fall nur die Wirkung der Kräfte
und nicht deren Ursache.
Van-der-Waals-Kräfte beruhen auf kurzzeitigen,
winzigen Ladungsverschiebungen in der Elektronenhülle
von Molekülen. Die Wechselwirkung
zwischen diesen dadurch entstehenden temporären
Dipolen ist sehr schwach und es ist auf den
ersten Blick erstaunlich, dass diese schwachen
Kräfte dafür sorgen, dass ein Gecko an einer glatten
Decke laufen kann. Allein mit der chemischen
Struktur (in beiden Fällen Keratin) lässt sich nicht
erklären, wieso der Gecko an der Wand haftet,
unsere Haare aber nicht. Wie im Abschnitt „Vom
Gecko zum wiederlösbaren Kleber“ beschrieben,
kommt die Haftung des Geckos dadurch zustande,
dass sich die einzelnen Hafthaare des Geckos
(Seta) an der Spitze in 200 nm breite und 10 – 15
nm dicke Blättchen (Spatulae) aufspalten. Entscheidend
für das Haften ist dabei nicht die Größe
einer Kontaktfläche, sondern die Gesamtzahl der
Kontaktflächen.
Elektronenmikroskopische Aufnahme der Setae
(oben) und Spatulae des Gecko (unten)
Mit einem Rasterkraftmikroskop gelang es die
Haftkraft einer einzelnen Spatula zu messen (ca.
zehn Nanonewton). Bei 6,5 Millionen Seta, die
sich in ca. eine Milliarde Spatulae auffasern, ergibt
sich daraus eine maximale Haftkraft des ca.
100 g schweren Geckos von zehn Newton.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Oberflächeneffekt
∙ Vom Gecko zum wiederlösbaren Kleber

EArbEItUNGSIDEEN
Aufgabe 1: Die Wirkungsweise von Van-der-
Waals-Kräften
Erkläre mit Hilfe der Abbildungen das Zustandekommen
der Van-der-Waals-Kräfte.
Aufgabe 2: Vom Käfer zum Gecko oder Bergziege?
Welche Aussage lässt sich aus diesen beiden Abbildungen
gewinnen?
Aufgabe 3: Spiderman
Ein Spatula hat die Haftkraft von 10 Nanonewton.
Wie schwer kann der Gecko maximal werden,
wenn sich an jedem Fuß 1,5 Millionen Seta
befinden, von denen sich jede in 200 Spatulae
aufspaltet?
Wie viele Geckos bräuchte Spiderman (Masse 100
kg), um sich mit dem Geckohafteffekt spurenlos
an Decken und Fenstern fortzubewegen?
Aufgabe 1
Aufgabe 2
VAN-DEr-wAALS-kräFtE
61

.......... pHySIk
.......... VoM MIkroSkop ZUM rAStErSoNDENMIkroSkop
62
bILDUNGSpLANbEZUG
Abbildungseigenschaften von Linsen, Sammellinsen,
optische Geräte
IN DEr AUSStELLUNG
Spezielle Mikroskope gehören zu den Grundlagenwerkzeugen
der Nanotechnologie. In der
Ausstellung können verschiedene in der Nanotechnologie
genutzte Spezialmikroskope (z.B.
Sondenmikroskope, Elektronenmikroskope, aber
auch Lichtmikroskope) besichtigt werden. Zu
bestimmten Zeiten wird die Arbeitsweise eines
Rasterelektronemikroskops vorgeführt. Wie ein
Rasterkraftmikroskop funktioniert, wird an einem
Modell erläutert.
INHALtE
Um Dinge vergrößert zu betrachten, kann man
sich einer Lupe bedienen. Für starke Vergrößerungen
sind jedoch Lupen mit sehr geringer Brennweite
nötig. Solch eine Lupe, die mit Stativ, Objekttisch
und teilweise Beleuchtungseinrichtung
versehen war, wurde früher als einfaches Mikro -
skop bezeichnet. Antoni van Leeuwenhoek (1632-
1723) aus Delft in Südholland gelang der Bau einfacher
Mikroskope mit einer Vergrößerung von
gut 250, das entspricht einer Linsenbrennweite
von etwa 1mm. Damit konnte er erstmals Bakterien
beobachten.
Bei einem modernen zusammengesetzten Mikroskop
wird, wie bei einem Fernrohr, mit einem Objektiv
(Sammellinse) ein reelles Zwischenbild eines
Gegenstandes erzeugt, das mit einem Okular
(Lupe) vergrößert betrachtet wird. Das Zwischenbild
entsteht dabei normalerweise direkt in der
Brennebene des Okulars. Dadurch fällt ein paralleles
Lichtbündel ins Auge und die Strahlen scheinen
von einem virtuellen Bild in unendlich weiter
Entfernung zu kommen. Das mikroskopische
Präparat kann entspannt beobachtet werden, da
beim Blick in die Ferne die Ziliarmuskeln im Auge
nicht angespannt sind. Schwierigkeiten bereitet
jedoch häufig die anfängliche Akkomodation des
Auges, da intuitiv versuch wird das Auge auf einen
nahen Punkt einzustellen.
Auch zusammengesetzte Mikroskope sind seit
dem 17. Jahrhundert bekannt. Robert Hooke
legte 1665 eine Korkscheibe unter sein zusammengesetztes
Mikroskop und sah bei 60facher
Vergrößerung eine Struktur, die er als Zelle bezeichnete.
Allerdings war die Bildqualität der damaligen
Mikroskope sehr begrenzt.
Die Vergrößerung V optischer Instrumente ist definiert
als:
V = Sehwinkel mit Instrument / Sehwinkel ohne
Instrument bei 250 mm Abstand
Der Abbildungsmaßstab M, z.B. einer Linse, ist
definiert als:
M = Bildgröße B / Gegenstandsgröße G = Bildweite
b / Gegenstandsweite g
Abweichungen von diesem Idealzustand treten
dadurch auf, dass Strahlen, die am Rand der Linse
mit großem Einfallswinkel auftreten, stärker gebrochen
werden – sphärische Aberation – bzw.
dass Licht unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich
stark gebrochen wird – chromatische
Aberation.
Von der Vergrößerung unterschieden werden
muss das Auflösungsvermögen eines Mikroskops,
d.h. der kleinste Abstand, bei dem zwei Punkte
noch getrennt wahrgenommen werden können.
Bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts ist jenseits
einfacher geometrisch-optischer Erkenntnisse
unbekannt, wie das mikroskopische Bild genau
entsteht. Mikroskope werden aufgrund von Erfahrungswerten
konstruiert. Ernst Abbe erkennt
in den 1870er Jahren, dass Beugungseffekte an
den Präparatstrukturen entscheidend für die Auflösung
eines Mikroskops sind. Das Auflösungsvermögen
d eines Lichtmikroskops ist deshalb
abhängig von der Wellenlänge (d = λ / 2n sin α;
λ = Wellenlänge, n = Brechzahl des Mediums
zwischen Gegenstand und Objektiv, α = halber
Öffnungswinkel). Mit λ = 500 nm (grün), nLuft = 1
und α = 30° wird der auflösbare Abstand d gleich
der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts.

Eine höhere Auflösung wird durch eine kürzere
Wellenlänge erreicht. Linsen für Röntgen- oder
Gammastrahlen existieren nicht. Es bleiben daher
nur Elektronenstrahlen. Nach de Broglie beträgt
deren Wellenlänge λ = h / mv (h = Plancksches
Wirkungsquantum, m = Elektronenmasse, v =
Elektronengeschwindigkeit). Das erste Transmissions-Elektronenmikroskop
(TEM) wurde 1931
von Max Knoll und Ernst Ruska in Berlin gebaut.
Das TEM arbeitet im Prinzip wie ein Lichtmikroskop,
nur dass das sehr dünne Objekt von einem
Elektronenstrahl durchschossen wird. Der Elektronenstrahl
wird durch rotationssymmetrische Magnetfelder
(oder elektrische Felder) fokussiert. Das
Zwischenbild des TEM ist ein etwa 100fach vergrößertes
reelles Elektronenbild. Ein kleiner Ausschnitt
davon kann mit der Projektionslinse weiter
vergrößert werden.
Beim Rasterlektronenmikroskop (SEM für Scanning
Electron Microscope) wird das Objekt zeilenweise
mit einem sehr feinen Elektronenstrahl
abgetastet und das vergrößerte Bild beobachtet.
Die zurückgestreuten und aus dem Material herausgeschlagenen
Elektronen gelangen in einen
Teilchendetektor, dessen Strom die Helligkeit
eines Leuchtschirms steuert. Mit dem SEM können
auch dickere Proben untersucht werden, allerdings
ist die Auflösung auf 2 Nanometer begrenzt.
Eine neue Dimension in der Mikroskopie eröffneten
1981 Gerd Binnig und Heinrich Rohrer mit der
Entwicklung des Rastersondenmikroskops.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Nanopartikel sehen
∙ Nanopartikel manipulieren
Aufgabe 1
VoM MIkroSkop ZUM rAStErSoNDENMIkroSkop
bEArbEItUNGSIDEEN
Aufgabe 1: Bildentstehung in einem Mikroskop
Zeichne in der Abbildung den Strahlengang in einem
Mikroskop ein.
Wo entsteht das Zwischenbild bzw. das Bild?
Trage die Brennweite des Objektivs, des Okulars,
die Gegenstandsweite und die Bildweite ein.
Aufgabe 2: Vergrößerung und Auflösungsvermögen
Erkläre anhand der Abbildung den Unterschied
zwischen Vergrößerung und Auflösung.
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
63

64
VoM MIkroSkop ZUM rAStErSoNDENMIkroSkop
Aufgabe 3
Aufgabe 3: Konstruktion eines Mikroskops
Aus zwei Sammellinsen, beide mit der Brennweite
von 25 mm, soll ein Mikroskop mit 100facher
Vergrößerung gebaut werden. Wie müssen die
Linsen angeordnet werden? Nimm bei deinen
Überlegungen die untenstehende Zeichnung zum
Abbildungsmaßstab des Objektivs zur Hilfe.
Vergrößerung des Okulars: VOkular = s / f
mit s = deutliche Sehweite in mm
und f = Brennweite in mm
Der Abbildungsmaßstab des Objektivs sei gleich
10 (Zeichnung nicht maßstäblich).
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Aufgabe 4: Das Elektronenmikroskop
Vergleiche den Aufbau eines Transmissionselektronenmikroskops
mit einem Lichtmikroskop.
Welche Teile sind gleich, welche unterschiedlich?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Aufgabe 4

.......... trANSIStorEN: kLEIN, kLEINEr, AM kLEINStEN
bILDUNGSpLANbEZUG
Halbleiter, Transistortechnik, Datenspeicherung
IN DEr AUSStELLUNG
Ein wichtiges Element der Ausstellung ist der
Prototyp eines IBM Millipede-Chips. Der eigentliche
Chip ist jedoch sehr klein. Eine Animation
hilft dabei, das Funktionsprinzip zu verstehen. Die
Prozesskette für druckbare Elektronik mit Nanopartikeln
zeigt die wichtigsten Herstellungsschritte
eines integrierten Schaltkreises: die Herstellung
der Partikel, Druckpasten und Dispersionen, die
auf Folien gedruckten Leiterbahnen, Leuchten
und Feldeffekt-Transistoren, der Funktions- und
Lebensdauertest der wichtigsten Komponenten.
Aber auch die möglichen zukünftigen Entwicklungen
werden thematisiert. So können die Besucher
an einem Modell die Funktionsweise eines
Einatom-Transistors verstehen lernen.
INHALtE
Die Transistoren lösten Mitte des letzten Jahrhunderts
die Elektronenröhre als Bauteil mit
Steuerungs- und Verstärkerfunktion ab. Seit der
Entwicklung der Mikroprozessoren gibt es kaum
noch ein technisches Gerät ohne Halbleiter.
Die Transistoren in den Prozessoren werden zum
Berechnen und zur Datenspeicherung benötigt.
Bei der Datenspeicherung (Random Acess Memory
RAM) wird grundlegend zwischen der statischen
und der dynamischen Speicherung unterschieden.
Ein dynamischer RAM-Speicher, z.B.
Arbeitsspeicher besteht aus einer Ein-Transistor-
Speicherzelle, wobei die Speicherung von einem
Kondensator übernommen wird. Im statischen
RAM-Speicher werden zur Speicherung von einem
Bit sechs gekreuzt geschaltete Transistoren
(Flip-Flop) verwendet.
Hergestellt werden Transistoren und integrierte
Schaltkreise mit Hilfe lithographischer Verfahren
in der Planartechnik. Alle Kontakte und Schichten
der Transistoren werden in einem vielstufigen
Verfahren nach und nach auf eine Siliziumscheibe
aufgedruckt.
Um höhere Leistungen zu erreichen, wird die
Dichte und Menge der Transistorfunktionen in
den Chips immer mehr gesteigert. Dafür ist es
notwendig, dass die Transistoren immer kleiner
werden. Seit 1960 hat man etwa alle 1,5 Jahre die
Zahl der Transistoren pro Flächeneinheit verdoppelt.
Transistoren der Massenproduktion haben
derzeit Gatelängen von 35 nm. An der Entwicklung
noch kleinerer Transistoren wird gearbeitet.
Aktuelle Grafikkartenprozessoren bestehen aus
über 200 Mio Transistoren.
Einer weiteren Verkleinerung der Transistoren auf
Siliziumbasis stehen einige Probleme entgegen,
wie etwa die Abführung der Wärme, die Realisierung
der elektrischen Anschlüsse und die Entwicklung
der erforderlichen Materialien.
Einen Ausweg bietet die Nanotechnologie, in
der derzeit unterschiedliche Möglichkeiten erforscht
werden. Die Entwicklung des Ein-Atom-
Transitors (SAT) basiert auf quantenmechanischen
Effekten, beim Einzel-Elektron-Transitor wird versucht
immer nur ein Elektron fließen zu lassen.
Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung
von Feldeffekttransistoren auf der Basis von
Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNFET). Diese stellen
eine Weiterentwicklung der Feldeffekttransitoren
dar, bei der Teile der Halbleiterstruktur durch
Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzt wurden. Damit
lassen sich schnellere, leistungsfähigere integrierte
Schaltkreise im Nanometermaßstab herstellen.
Eine andere Entwicklung führt weg von elektronischen
Schaltkreisen und hin zur Photonik und
zur Herstellung integrierter optischer Schaltkreise.
Im Bereich der Speicherung weit fortgeschritten
ist der Millipede-Chip von IBM, eine Art Nanolochkarte.
Im gegenwärtigen Prototyp liegen
4096 feine Hebelarme oder Cantilever auf einem
Quadrat von wenigen Millimetern Seitenlänge in
64 Reihen zu je 64 Hebeln locker auf einer Kunststofffläche
auf. Werden die Hebelspitzen durch
einen Strompuls erhitzt und elektrostatisch nach
unten gebogen, drücken sie 15 Nanometer breite
Vertiefungen in den Kunststoff. Die in Abständen
von etwa 10 Nanometern zwischen den Rändern
angeordneten Löcher ermöglichen eine Speicherdichte
von rund 150 Gigabit pro Quadratzentimeter.
Damit ließen sich mehrere DVDs auf dem
Raum einer Flashkarte festhalten.
>>>>>>>> VErGLEICHE
Zur Photolithographie
∙ Nanopartikel herstellen
65

66
trANSIStorEN: kLEIN, kLEINEr, AM kLEINStEN
bEArbEItUNGSIDEEN
Aufgabe 1: Von Bit, Bytes und Gigabits
Wie unterscheiden sich Bit, Bytes und Gigabits?
Benutze bei deiner Erklärung die untenstehenden
Stichworte.
8, 10 9 , Kleinste elektronische Einheit, 255, Null
und Eins, 11111111
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
Aufgabe 2: Berechnung zur seriellen Herstellung
von Transistoren
Heutige Graphikkartenprozessoren bestehen aus
mehr als 200 Millionen Transistoren.
Wie lange bräuchte man um 200 Millionen Transistoren
nacheinander (serielle Produktion) herzustellen,
wenn die Produktion eines Transistors nur
1 Sekunde dauert?
_________________________________________
Aufgabe 3
Aufgabe 3: Flip-Flop Schaltung
Um ein Bit zu speichern sind sechs gekreuzt geschaltete
Transistoren notwendig.
Unten ist ein Schaltplan mit zwei gekreuzt geschalteten
Transistoren (Flip-Flop Schaltung). Erkläre,
wie sie funktioniert.
Aufgabe 4
Gehe auf die Reise ins Bitland (http://www.
nanoreisen.de/deutsch/), Klicke auf den Koffer
(Check in) und begebe dich durch Anklicken des
Notebooks auf die Reise ins Bitland. Dort findest
du alle Informationen, die du brauchst, um das
Kreuzworträtsel (S. 67) zu lösen.
Weiterführende Aufgaben
Informiere dich über den Millipede und andere
Entwicklungen im Bereich der Datenspeicherung.

Waagrecht
1 Grundlage aller Computersprachen ist das
__________________?
4 Die Verlustleistung eines CPUs ist sehr
hoch. Um nicht zerstört zu werden sind
____________ erforderlich.
6 Das Material aus 13 sorgt in der Schutz-
schicht für die ______________ .
7 Über die Leistungsfähigkeit von Silizium-
halbleitern entscheidet die ____________?
11 Wie heißt das Gehirn des Computers?
13 Die Schutzschicht der Festplatte besteht aus
Graphit und __________________?
15 Der Transistor funktioniert wie ein Schalter.
Mit der elektrischen Spannung, die an 8 an-
liegt wird der Stromfluss zwischen 16 und
_____ gesteuert.
16 Der Transistor funktioniert wie ein Schalter.
Mit der elektrischen Spannung, die an 8 an
liegt wird der Stromfluss zwischen _______
und 15 gesteuert.
17 Eine Möglichkeit der weiteren Miniaturisie-
rung im Bereich der Datenspeicherung liegt
in den ____________.
18 Welches Material wird derzeit bevorzugt für
die Herstellung von Halbleitern verwendet?
19 Das Kurzzeitgedächtnis des Computers heißt
(Abkürzung)?
trANSIStorEN: kLEIN, kLEINEr, AM kLEINStEN
Senkrecht
2 Transistoren, die praktisch spannungslos ge-
steuert werden können und eine sehr kom-
pakte Bauweise aufweisen, heißen _______
3 Wie viele Transistoren benötigt man um ein
Bit im SRAM zu speichern?
5 Hergestellt werden Transistoren mit Hilfe der
_______?
8 Der Transistor funktioniert wie ein Schalter.
Mit der elektrischen Spannung, die am
_______ anliegt wird der Stromfluss zwis-
chen 16 und 15 gesteuert.
9 Wie heißt das Langezeitgedächtnis des
Computers?
10 Das Gehirn des Computers besteht aus hun-
derttausenden von _______?
11 Das Verschalten vieler Transistoren heißt?
12 Wie erfolgt im Kurzzeitgedächtnis des
Computers die Datenspeicherung?
14 Die Daten werden auf CD-Rom und DVD-
Rom in Form kleiner Vertiefungen, soge-
nannter ___________ gespeichert.
67

.......... NAtUrwISSENSCHAFtEN UND tECHNIk
.......... bAU EINEr GrätZELSoLArZELLE
68
bILDUNGSpLANbEZUG
Halbleiter, Solarzellen, regenerative Energien,
Redox-Reaktionen
IN DEr AUSStELLUNG
In der Ausstellung wird an Beispielen gezeigt,
dass die Energiegewinnung mit einer Grätzelzelle
bzw. mit einer biegbaren, organischen Solarzelle
tatsächlich funktioniert. Die Infotafel Titandioxid
zeigt weitere Verwendungsmöglichkeiten von Titandioxid,
spart aber auch das Thema der möglicherweise
davon ausgehenden Gefahren nicht
aus. Nanotechnologie soll auch dazu beitragen
durch eine verbesserte Membran den Wirkungsgrad
von Brennstoffzellen zu steigern. In der Ausstellung
findet sich deshalb auch ein Modell einer
Brennstoffzelle. Außerdem wird auf die Problematik
der Wasserstoffspeicherung eingegangen.
Derzeit wird erforscht, inwieweit bestimmte Nanopartikel
in der Lage sind Wasserstoff zufriedenstellend
zu speichern.
Funktionstüchtige Grätzelzelle
Mit Hilfe eines Bändermodells werden die Unterschiede
zwischen Leiter, Halbleiter und Nichtleiter
erklärt und gezeigt, worauf die elektrische Leitfähigkeit
von Halbleitern beruht.
INHALtE
Transparente Dünnschichtsolarzelle –
Grätzelzelle
Herkömmliche Solarzellen verwenden als Halbleitermaterial
vorwiegend dotiertes Silizium. Die
Herstellung von hochreinem Silizium ist sehr
energieaufwendig, so dass eine Solarzelle je
nach Bauart erst nach 1,5 bis 5 Jahren eine positive
Energiebilanz erreicht. Die Grätzelsolarzelle
(benannt nach dem Schweizer Professor Michael
Grätzel, der das Prinzip am Beginn der 90er Jahre
erforscht hat) imitiert die Photosynthese der
grünen Pflanzen und wandelt das Licht mit Hilfe
eines organischen Farbstoffes in Energie um. Der
Farbstoff wird auf nanometergroße Titandioxidpartikel
aufgebracht. Die photochemischen Prozesse
laufen dabei umso effektiver ab, je größer
die aktive Oberfläche der Titandioxidpartikel ist.
Derzeit liegt der Wirkungsgrad bei ca. 11%.
Vorteile der Grätzelzelle:
Die Herstellung der Zelle ist aus preiswerten Ausgangsmaterialien
bei geringerer Umweltbelastung
möglich. Die Zellen können flexibel eingesetzt
werden, da außer Glas auch Kunststofffolien
beschichtet werden können, und funktionieren
auch bei diffusem Licht. Im Vergleich zu herkömmlichen
Solarzellen, deren Wirkungsgrad in
der prallen Sonne aufgrund des Temperaturanstiegs
um 20 – 30 reduziert wird, ändert sich der
Wirkungsgrad der Farbstoffzellen in dem interessierenden
Temperaturbereich praktisch nicht.

Halbleiter
Bei Halbleitern ist die Bandlücke zwischen Valenzband
und Leitungsband gerade klein genug, so
dass Elektronen bei Energiezufuhr vom Valenzband
ins unbesetzte Leitungsband angehoben
werden können. Je höher die Temperatur und
damit die Energie der Elektronen, desto größer ist
auch die Anzahl der Elektronen im Leitungsband.
Aufbau einer Grätzelzelle:
Die Zelle besteht aus zwei elektrisch-leitend beschichteten
Glasplatten. Auf eine der Glasplatten,
die Anode, wird eine 10 μm dicke, nanoporöse
Titandioxid-Schicht aufgetragen. Auf der zweiten
Glasplatte, der Kathode, ist eine wenige μm dicke,
meist aus Platin bestehende Schicht aufgetragen,
die als Katalysator dient und oft zusätzlich
noch mit einem leitenden Polymer beschichtet ist.
Zwischen den beiden Glasplatten befindet sich
eine Iodid/Triiodid-Elektrolytlösung.
Funktionsweise der Grätzelzelle
Titandioxid ist ein Halbleiter. Allerdings absorbieren
die 60 – 80 nm großen Titandioxidpartikel
Licht mit einer Wellenlänge < 400 nm, d.h.
die Energie des sichtbaren Lichts reicht nicht aus,
um ein Elektron ins Leitungsband anzuheben.
Als Elektronendonator dient deshalb das Farbstoffmolekül
(Fs). Dieses wird durch das sichtbare
Licht angeregt und überträgt die angeregten
Elektronen in das Leitungsband des Titandioxids.
Mehrere Farbstoffmoleküle bilden dabei eine
Monoschicht auf der Oberfläche des Titandioxidpartikels,
sodass bei Lichteinstrahlung viele
Elektronen gleichzeitig in das Leitungsband eines
Titandioxidpartikels übertragen werden können.
Aufbau und Funktionsprinzip einer Grätzel-Zelle
Die Elektronen werden zur Anode transportiert
und fließen von dort über den Verbraucher zur
Kathode. An der Kathode werden die I 3-Moleküle
zu Iodidionen reduziert, die wiederum die positiv
geladenen Farbstoffmoleküle reduzieren. Das
Platin an der Kathode dient als Katalysator und
beschleunigt die Elektronenübertragung
Im Unterschied zu einer herkömmlichen Silizium-
Solarzelle finden bei der Grätzelzelle die Absorption
von Licht durch die Farbstoffmoleküle und der
Transport der Ladungsträger im Leitungsband des
Titandioxids voneinander getrennt statt. Bei einer
Silizium-Solarzelle werden beide Funktionen vom
Silizium-Halbleiter übernommen.
bEArbEItUNGSIDEEN
bAU EINEr GrätZELSoLArZELLE
Transparente Dünnschichtsolarzelle –
Grätzelzelle
Experiment 1: Herstellung einer Grätzelzelle
Materialien
I2, KI, TiO2 (nanoskalig), Essigsäure, Ethylenglykol,
Ethanol, klares Spülmittel, Hagebuttentee, elektrisch
leitende Glasplatte; Becherglas, Magnetrührer,
Klebestreifen, Pasteurpipette, Glasstab,
Ceran-Laborschutzplatte, Petrischale, Kerzenflamme,
Multimeter zum Testen
69

70
bAU EINEr GrätZELSoLArZELLE
Durchführung
• Schritt 1: Herstellung der elektrolytischen Iodlösung
0,127 g I2 werden in einem 50 ml Becherglas unter
kräftigem Rühren in 10 ml Ethylenglycol gelöst.
0,83 g KI werden hinzugefügt und ebenfalls
unter kräftigem Rühren gelöst. Die elektrolytische
Iodlösung muss in einem dunklen Gefäß aufbewahrt
werden.
Hinweis: Alufolie um eine braune Flasche wickeln,
um sie vollständig abzudunkeln.
• Schritt 2: Herstellung der Titandioxid (TiO2) -
Suspension
6 g nanokristallines TiO2 werden in einen Mörser
gegeben. Dazu gibt man nach und nach 10 ml
100%ige Essigsäure. Essigsäure und TiO2 werden
mit einem Pistill verrieben, bis eine weiße, glatte
und klumpenfreie Suspension entsteht.
Dieser Vorgang soll maximal 5 min dauern. Anschließend
wird 1 Tropfen klares Spülmittel hinzu
gegeben und leicht mit der Suspension verrührt.
Das Spülmittel darf kein Verklumpen verursachen;
ansonsten muss Schritt 2 vollständig mit einem
anderen Spülmittel wiederholt werden. Die Titandioxid-Suspension
wird schließlich 15 min stehen
gelassen.
• Schritt 3: Beschichtung der Glasplatte mit der
TiO2-Suspension
Die leitfähige Seite der Glasplatte (Widerstand
10 bis 30 Ohm) wird an 3 Seiten mit Klebestreifen
3 mm breit abgeklebt, so dass die Platte mit
dem überstehenden Teil des Klebestreifen auf
der Unterlage befestigt werden kann. Auf der
nicht abgeklebten Seite der Glasplatte wird parallel
zum Rand ein 5 mm breiter Streifen der
TiO2-Suspension mithilfe einer Pasteurpipette
aufgetragen. Die Suspension wird nun so auf der
Glasplatte verteilt, dass die Platte mit einer dünnen
und gleichmäßigen TiO2-Schicht bedeckt ist.
Hierzu verwendet man einen Glasstab, der langsam
und leicht angedrückt, ausgehend von der
aufgebrachten Suspension, über die Platte gerollt
wird. Bevor die Klebestreifen abgezogen werden,
wird die TiO2-Schicht einige Minuten trocknen
gelassen. Anschließend wird die TiO2-Schicht
5 min lang über der gerade nicht mehr leuchtenden
Gasbrennerflamme fixiert, indem man die
Glasplatte mit der nicht beschichteten Seite nach
unten auf eine Ceran-Laborschutzplatte, die sich
über der Brennerflamme auf einem Vierfuß befindet,
legt. Dabei sollte sich die Platte gelb färben
und während der anschließenden Abkühlphase
wieder weiß werden.
Anmerkungen:
– Es ist darauf zu achten, dass die Platte durch
die Hitze nicht verformt wird.
– Die TiO2-beschichtete Glasplatte muss vollständig
abkühlen, bevor man sie von der Ceran-Laborschutzplatte
nehmen kann.
– Die TiO2-beschichtete Glasplatte kann an der
Luft gelagert werden.
• Schritt 4: Färbung der TiO2-Platte mit Hagebuttentee
1 Beutel Hagebuttentee wird in einem 100 ml
Becherglas mit 50 ml heißem, demineralisiertem
Wasser überbrüht. Den Tee lässt man 10 min
ziehen und füllt ihn anschließend 3-5 mm hoch
in eine Petrischale. Die Glasplatte wird mit der
beschichteten Seite nach unten in den Hagebuttentee
gelegt und darin 10 min lang gefärbt. Anschließend
wird die Platte mithilfe einer Pasteurpipette
1mal mit demineralisiertem Wasser, danach
1mal mit Ethanol gewaschen und abschließend
vorsichtig mit Küchenpapier getrocknet.
Anmerkung: Die gefärbten Platten müssen sofort
weiterverwendet werden.
• Schritt 5: Herstellung der Kohlenstoff-beschichteten
Glasplatte
Die leitfähige Seite der zweiten Glasplatte wird
über einer Kerzenflamme schwarz gefärbt. Die
beschichtete Glasplatte kann an der Luft aufbewahrt
werden.
• Schritt 6: Zusammenbau der Dünnschichtsolarzelle
5 Tropfen der elektrolytischen Iodlösung werden
mithilfe einer Pasteurpipette in die Mitte der TiO2-
Schicht gegeben. Anschließend wird die zweite
Glasplatte mit der Kohlenstoff-beschichteten
Seite nach unten so auf die TiO2-Schicht gelegt,
dass die Platten versetzt aufeinander zum Liegen
kommen. Sie sollten nun jeweils einen überstehenden
Rand von 5-7 mm besitzen. Die Platten
werden zur besseren Verteilung der elektrolytischen
Iodlösung leicht angedrückt und an zwei
gegenüberliegenden Seiten wird nun je ein Multiclip
angebracht, damit die Platten nicht mehr
verschoben werden können. An den beiden überstehenden
Rändern wird je eine Krokodilklemme
angebracht, die dann über Kabel mit dem Digitalmultimeters
verbunden werden.

Versuch 2: Test der Grätzelzelle
• Messung der erzeugten Spannung und Stromstärke
im Sonnenlicht
Die maximale Spannung in direktem Sonnenlicht
sollte 0,1 bis 0,5 V betragen.
• Messung von Spannung und Stromstärke
unter einer Leuchtstofföhre
• Messung im abgedunkeltem Raum
• Lässt sich mit mehreren Grätzelzellen ein
Wecker oder ein Taschenrechner betreiben?
Versuch 3
• Variation des Farbstoffs bzw. verwendeten Tees.
Der Hagebuttenfarbstoff ist ein Anthocyan. Dieser
Farbstoff ist in sehr vielen rot-violetten Früchten
und Gemüsen enthalten (z.B. Rotkraut, Kirsche,
Malventee).
Weiterführende Aufgaben
• Was versteht man unter einer positiven Energieblianz?
• Wie hoch ist der Wirkungsgrad der derzeitigen
Grätzelzellen? Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer
guten Solarzelle?
• Bei welchen Temperaturen wird der Wirkungsgrad
einer Silizium-Solarzelle bestimmt. Wie
ändert sich der Wirkungsgrad mit steigender
Temperatur? Bei welcher Temperatur wird eine
Solarzelle normalerweise arbeiten?
• Wo liegen die Vor- und Nachteile der Grätzelzelle?
• Zusammenarbeit mit Fach Chemie: Welche Reaktionen
laufen in der Grätzelzelle ab? Stelle die
Reaktionsgleichungen auf.
Hinweis:
Unter www.mansolar.com kann ein Experimentierkit
zur Herstellung von Grätzelzellen bezogen
werden. Das Kit enthält neben den dafür benötigten
Materialien auch die elektrisch leitenden
Objektträger und die Suspension aus nanokristallinem
TiO2.
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Museumspädagogisches Begleitprogramm
Die Grätzelzelle im Test
bAU EINEr GrätZELSoLArZELLE
71

.......... SoNNENCrEME
72
bILDUNGSpLANbEZUG
Herstellung eines Alltagsprodukts, Zivilisationskrankheiten,
elektromagnetische Strahlung,
Emulsion
IN DEr AUSStELLUNG
Sonnencreme gehört zu den Produkten, in denen
Nanopartikel schon seit geraumer Zeit eingesetzt
werden und die käuflich erworben werden können.
In einer Art Supermarkt kann der Besucher
sich in der Ausstellung über Produkte, in denen
derzeit bereits Nanopartikel eingesetzt werden,
informieren. Dabei werden die möglicherweise
von den Nanopartikeln ausgehenden Gefährdungen
nicht verschwiegen. Daneben informiert die
Infotafel Titandioxid über Vorkommen, Gewinnung,
Eigenschaft und Verwendung des Materials.
INHALtE
Um wirksam gegen Sonnenbrand zu schützen,
muss eine Sonnencreme das Eindringen von UV-
Strahlung in die Haut verhindern. Die UV-Strahlung
(Wellenlängen zwischen 200 und 400 nm)
unterteilt man nach ihrer physikalischen Wirkung
in UV-A, UV-B und UV-C- Strahlen (vgl. Tabelle).
UV-A
Strahlung
315 nm –
400 nm
UV-B
Strahlung
280 nm –
315 nm
UV-C
Strahlung
200 nm –
280 nm
Beim Durchgang durch die Erdatmosphäre wird
die UV-Strahlung durch das Ozon in der Strato-
und Troposphäre absorbiert. Die Filterfunktion ist
jedoch Wellenlängen-abhängig. Die stark mutagene
UV-C-Strahlung wird durch die Atmosphäre
völlig absorbiert. Die UV-A-Strahlung dringt
bis in die menschliche Unterhaut vor, die UV-B
Strahlung bis in die Oberhaut. Die Haut schützt
sich durch Melaninbildung (in der Unterhaut)
bzw. Lichtschwielen (Hornhautverdickung) gegen
Sonnenbrand. Die UV-Strahlen erzeugen in den
Hautschichten aber auch freie Radikale, die die
Erbsubstanz schädigen können. Kleinere Schäden
können vom Körper über Nacht repariert werden,
ist das Reparatursystem durch wiederholte Son-
nenbäder aber überlastet, schleichen sich beim
Ausbessern Fehler ein und es kann sich Hautkrebs
entwickeln.
Sonnencremes bestehen neben Duftstoffen,
Emulgatoren und Feuchtigkeitsspendern vor allem
aus drei Grundbestandteilen: aus Öl, Wasser
und einem UV-Filter. In der Regel sind UV-Filter
organische Moleküle, die das schädliche UV-Licht
ablenken oder „quenchen“, d. h. in Wärme umwandeln.
Diese Moleküle können jedoch Allergien
auslösen und fließen nach dem Einreiben
in Hautfalten ab, so daß erhöhte Hautpartien
schlechter geschützt sind.
UV-Filter aus Zinkoxid oder Titandioxid reflektieren
das UV-Licht, lösen keine Allergien aus und
bleiben dort liegen, wo sie aufgetragen wurden.
Problematisch war jedoch, dass auf der Haut ein
weißer Film sichtbar war. Gelöst wurde dieses
Problem durch die Nanotechnologie, die es ermöglichte
Titandioxidpartikel von 80 – 100 nm
Größe herzustellen. Sie sind für das sichtbare
Licht durchlässig, also unsichtbar, reflektieren das
UV-Licht und liegen aufgrund ihrer geringen Größe
sehr dicht beieinander. Für einen noch effektiveren
Schutz sind Partikel mit einem Durchmesser
von 15 – 20 nm in der Entwicklung. Noch kleinere
Nanopartikel sind nicht sinnvoll, da sie das UV-
Licht passieren lassen.
Wirkung chemischer und physikalischer
UV-Filtersubstanzen
>>>>>>>> VErGLEICHE
∙ Chancen und Risiken der Nanotechnologie

EArbEItUNGSIDEEN
Aufgabe 1
Welche Anforderungen werden an eine Sonnencreme
gestellt?
Aufgabe 2: Inhaltsstoffe einer Sonnencreme
Welche Aufgabe haben die verschiedenen Inhaltsstoffe
einer Sonnencreme?
Was ist der Unterschied zwischen einem chemischen
und einem physikalischen Lichtschutzfilter?
Aufgabe 3: Herstellung einer Sonnencreme
Materialien
2 Bechergläser, Messzylinder, 2 Schaufeln ( 5 + 10
ml ), Holzspatel, Wasserbad, getrocknete Kräuter,
Öl, Kakaobutter, Tegomuls (Emulgator), Duftöl, Parsun
(para-Methoxyzimtsäureethylexylester, Sonnenschutzmittel),
Heliozimt K (Konservierungsmittel),
destilliertes Wasser.
Durchführung
Schritt 1: Herstellung der Fettphase
Gib in ein Becherglas 20 ml Öl, 10 ml Kakaobutter,
5 ml Tegomuls und 8 ml Parsun. Stelle das
Becherglas in das Wasserbad und warte bis alles
geschmolzen ist. Die Temperatur sollte dabei nicht
über 70°C steigen.
Schritt 2: Herstellung der wässrigen Phase
Koche destilliertes Wasser zur Entkeimung ab. Stelle
anschließend mit Kräutern deiner Wahl aus 40 ml
abgekochtem destilliertem Wasser einen Tee deiner
Wahl her. Lasse den Tee auf ca. 70-80 °C abkühlen.
Schritt 3: Herstellung der Creme
Hole die Fettmischung, wenn alles geschmolzen
ist, aus dem Wasserbad. Entferne die Kräuter aus
Bezeichnung Wellenlänge
[nm]
UV-A Strahlung
UV-B Strahlung
UV-C Strahlung
Starke UV-
Strahlung
Absorption
durch die
Atmosphäre
deiner wässrigen Phase und gieße die wässrige
Phase zur Fettphase. Rühre kräftig. Gib zur besseren
Haltbarkeit noch 10 Tropfen Heliozimt K
dazu. Wenn gewünscht, kannst Du noch 3 Tropfen
Duftöl zu deiner Creme geben.
Die hergestellte Sonnenschutzcreme hat einen
Lichtschutzfaktor von ca. 5.
Aufgabe 4: Sonnenschutztest
Materialien
UV-Lampe, mehre Objektträger, UV-Stift
Durchführung
Beschrifte einen Objektträger mit dem UV-Stift.
Lege einen zweiten Objektträger über den beschrifteten
Objektträger und halte beide in das UV-
Licht. Die Schrift sollte gut zu lesen sein. Trage Sonnencreme
in einer dünnen Schicht auf den zweiten
Objektträger auf und halte beide Objektträger
wieder in das UV-Licht. Da die Farbstoffmoleküle
der Schrift nicht mehr durch das UV-Licht angeregt
werden, ist die Schrift nicht mehr zu lesen.
Aufgabe
Untersuche mit dieser Methode Sonnenbrillen
bzw. verschiedene Sonnencremes.
Aufgabe 5: UV-Strahlung
Vervollständige die untenstehende Tabelle.
Aufgabe 6: Sonnencreme mit Nanopartikeln
Diskutiert in der Klasse über die Vor- und Nachteile
einer Sonnencreme mit Nanopartikeln. Informiert
euch über Studien, die sich mit den von
Nanopartikeln ausgehenden Gefährdungen allgemein
bzw, speziell für Sonnencreme befassen.
Eindringtiefe
in die
Haut
Bräunung Wirkung
SoNNENCrEME
73

.......... EtHIk / pHILoSopHIE
.......... „wEGEN rISIkEN UND NEbENwIrkUNGEN FrAGEN
SIE IHrEN …?“
74
bILDUNGSpLANbEZUG
Kl. 9-10 / Kursstufe
Auseinandersetzung mit existenziellen Fragen des
Menschen, Problemfelder der Moral (z.B. Wissenschafts-
und Technikethik), Gewissen und Verantwortung,
Vernunft, Würde des Menschen, Menschenrechte,
Recht und Gerechtigkeit
AUSStELLUNG
Im letzten Teil der Ausstellung, wird die Debatte
darüber angestoßen, welche gesellschaftlichen
und philosophischen Fragen sich aus der Nanotechnologie
ergeben. Was wird technisch möglich
sein, und dürfen wir alles tun, was wir technisch
tun können?
INHALtE
In der Nanotechnologie steckt ein enormes Potential.
An Hoffnungen und Befürchtungen besteht
kein Mangel. Gravierende Erkenntnislücken hinsichtlich
der Chancen und Risiken sind erkennbar,
so dass es schwierig ist, zu gesicherten Bewertungen
zu kommen. Offensichtlich bedarf es der
weiteren Forschung und Regulierung. Angesichts
bestehender Risiken für Mensch und Umwelt ist
Sensibilität vonnöten.
Unabhängig davon sind wir alle von den Möglichkeiten
gezielter Manipulationen betroffen. Wie
stehe ich als Person dazu? Wie die Gesellschaft,
in der ich lebe?
Der Blick auf ethische Fragen, die sich aus der aktuellen
Nanotechnologie sowie den mittel- und
langfristigen Visionen der Nanoforschung ergeben,
lässt Themenfelder erkennen. Ethik liefert
allerdings keine Antworten. Sie stellt, identifiziert
und erörtert die gesellschaftlichen und philosophischen
Fragen, die sich aus technischen Entwicklungen
ergeben. Wie kann man bei der Suche
nach Antworten weiterkommen?
bEArbEItUNGSIDEEN
1. Meinungstest
Die Grafik zeigt mögliche Standpunkte gegenüber
der Nanotechnologie. Ausgehend von den
Motivstrukturen entwickelte die Qualitative Studie
des Bundesamtes für Risikobewertung zur
Wahrnehmung der Nanotechnologie in der Bevölkerung
eine Typologie an Verhaltensmustern.
Ordne die folgenden Typen den Standpunkten zu:
Typ I: Naiver Optimismus
Typ II: Entwicklungsverweigerung
Typ III: Visionen
Typ IV: Pragmatismus
Typ V: Erkenntnisoffenheit
Typ VI: Wissenschaftsanaloge Veranschauli-
chung
Typ VII: Verkehrungsängste
Findest Du dich bei (k)einem bestimmten Typ wieder?
2. Fragestellungen genauer betrachtet
Unabhängig davon, wie man sich selbst positioniert
und eingeschätzt hat, lohnt der Blick auf die
Frage: Dürfen wir alles tun, was wir technisch tun
können?
2.1 Grundsatzdiskussionen
Welche Fragen sind in punkto Natürlichkeit, Visionen
und Realität, Gerechtigkeit und Regulierung
zu stellen?
Die SchülerInnen setzen sich arbeitsteilig (pro
Gruppe ein Themenkomplex) mit einzelnen Aspekten
auseinander. Die Diskussion soll kontrovers
geführt werden, muss aber nicht zwingend
dem eigenen Standpunkt entsprechen. Ein Gruppenmitglied
übernimmt die Moderatorenrolle.
Falls die Vorbereitungsphase intensiver/ separat
erfolgt (Haus- oder Projektarbeit), können die übrigen
Gruppen den Austausch der Argumente als
Beobachter mitverfolgen.
Abschlussbesprechung unter Beteiligung aller
SchülerInnen und Moderation der Lehrkraft.

„Natürlichkeit: Wie verändern die Nanotechnologien
den Menschen?“:
Das rasche Aufkommen nanotechnologischer
Innovationen im Bereich der Lebenswissenschaften
und der Medizintechnik lässt einschneidende
Veränderungen sowohl der individuellen menschlichen
Existenz als auch gesellschaftlicher Strukturen
in den Bereich des Möglichen rücken.
Wann bleibt der Mensch noch ein Mensch? Man
kann die entsprechenden Möglichkeiten entweder
steuern – nach Maßgabe politischer Wünschbarkeit
und unter ethischen Gesichtspunkten
– oder man kann die Technikentwicklung ihre Eigendynamik
entfalten lassen.
• Natürlichkeit und Künstlichkeit: Wie viel nanotechnologische
Verbesserung (Verbesserung?)
des Menschen darf sein?
• Mensch-Maschine-Interaktion: Werden neuartige
Maschinen zu Fortsetzungen und Bestandteilen
des Körpers?
• Altern: Länger und besser leben durch Nanotechnologie?
„wEGEN rISIkEN UND NEbENwIrkUNGEN FrAGEN SIE IHrEN …?“
• Biologische Schranken und deren Überwindung:
Was könnte z.B. das Fallen der Blut-Hirn-
Schranke bedeuten?
> „Visionen und Realität: Nano zwischen
Fiktionen und Fakten“
Die Nanotechnologie verdankt ihre ungewöhnliche
Popularität zum Teil der Vorstellungskraft
visionärer Zukunftsentwürfe, die die Grenze zwischen
Fiktion und Faktum verschwimmen lassen.
Unsicherheiten bezüglich des Zukunftspotentials
der Nanotechnologie bestehen wegen der bekannten
Schwierigkeiten, für diesen Bereich gut
fundierte Entwicklungsprognosen zu stellen. Was
ist machbar, was wird niemals real werden? Die
Unsicherheitsspielräume werden noch vergrößert
durch das Bestreben mancher Akteure, sie für
hochspekulativ erscheinende Entwürfe zu nutzen.
Was könnte dran sein?
• Sich selbst organisierende Nanomaschinen: segensreiche
Arbeitszwerge oder sich verselbstständigende
Konkurrenzwesen?
75

76
„wEGEN rISIkEN UND NEbENwIrkUNGEN FrAGEN SIE IHrEN …?“
• Wissenschaftliches Weltbild: Bestimmt die
„unterste Ebene“ (Moleküle, Atome …) letztlich
alles andere?
• Allmachtsfantasien: Kann, wer die „unterste
Ebene“ gezielt zu manipulieren weiß, so ziemlich
alles erschaffen?
• Wandel der Wissenschaft: Stehen wir an der
Schwelle eines wissenschaftlich-technologischen
Paradigmenwechsels?
> „Gerechtigkeit: Hightech für alle?“
Bestehende Ungleichheiten – einzelgesellschaftlich
wie im globalen Maßstab – bei der Verteilung
von Chancen des Zugriffs auf Technologien
werden möglicherweise durch die Entwicklung
kostenintensiver Nanotechnologie verschärft werden.
Oder: Kann Nanotechnologie im Gegenteil
zu mehr Gerechtigkeit führen?
• Ökonomisches Potential und Nachhaltigkeit:
Nanotechnologie als Wachstumsmotor und Mittel
für effizientere Ressourcennutzung?
• Zugangsgerechtigkeit, innergesellschaftlich,
weltgesellschaftlich, intergenerationell: gleiche
Technologie für alle?
• Nano-divide: Wer soll etwas haben dürfen,
das nicht alle (wirklich nicht alle?) haben können?
> „Regulierung: Wann soll der Staat in die
Technologieentwicklung eingreifen?“
Die Nanotechnologie wirft eine Reihe von Fragen
zur individuellen und gesellschaftlichen Sicherheit
sowie zum verantwortbaren Umgang mit Informationen
auf. Was muss, was soll, was darf reguliert
sein?
• Umgang mit Wissen: Uneingeschränkte
Verfügbarkeit neuer Informationen oder
• Begrenzungen der Verfügbarkeit?
• Medizinisch-diagnostischer Fortschritt: Gibt es
ein Recht darauf, über erwartbare Krankheiten
nicht informiert zu sein?
• Beweislastverteilung: Wer soll für die Zulassung
von Nanomaterialien was nachweisen müssen?
Wer soll für deren Sicherheit verantwortlich
sein?
• Datenschutz: Ziehen nanotechnologische
Informationstechnologien-Innovationen einen erhöhten
Schutzbedarf der Privatsphäre nach sich?
• Toxidität: Wo liegen die Risiken für Individuen
oder Ökosysteme?
• Militärtechnik: Wollen wir, brauchen wir den
nanotechnologisch aufgerüsteten Krieger?
(Tagung „Size Matters 2009“, Ethische Herausforderung der
Nanotechnologie, Saarbrücken, 17./18. Juni 2009
http//www.nanobionet.de/nano2life/cms/user_upload/12384
89613_090219Sizematters.pdf
2.2 „Vorsicht geboten“ oder „Was machbar
ist, muss im Interesse von Patienten getestet
werden“?
Diskutiere am konkreten Beispiel zweier Momentaufnahmen
aus der Forschung über das Selbstverständnis
der beteiligten Wissenschaftler.
Welche Leitlinien sind davon abweichend denkbar
(Stichwort: Verbesserung des Menschen)?
Artikel 1, S. N1:
Nanoröhrchen können in Lungen vordringen
Die Diskussion um Nanopartikel und deren Wirkungen
im Körper bekommt durch eine Studie
mit Nanoröhrchen an der North Carolina State
University in Raleigh weitere Nahrung. Nanoröhrchen
haben ein ähnliches Längenverhältnis wie
die gesundheitsschädlichen Asbestfasern, bestehen
aber ähnlich wie Graphit aus reinem Kohlenstoff.
In Experimenten wurden Mäuse einmalig einer
Atemluft ausgesetzt, die extrem hohe Dosen
von bis zu 30 Milligramm pro Kubikmeter mehrwandiger
Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthielt.
Die Nanoröhrchen sammelten sich in der Lunge
und waren auch nach drei Monaten noch in der
die Lunge umgebenden Membran nachweisbar.
Außerdem beobachteten die Forscher die Entstehung
von Narbengewebe, wie sie in der Online-
Ausgabe von „Nature Nanotechnology“ (doi:
10.1038/nnano.2009.305) berichten. Entzündete
Gewebsknoten oder Tumore wie beim Asbest
wurden nicht beobachtet. Zudem hat man
bei geringen Konzentrationen der Nanoröhrchen
keinerlei Schäden im Lungengewebe festgestellt
– wie auch bei kompakten Graphitpartikeln hoher
Dosierung. Bis die langfristigen Auswirkungen
geklärt sind, empfehlen die Autoren Vorsicht im
Umgang mit den Nanoröhrchen.

Aufgabe 3
Artikel 2, S. N2:
Kunststoffmantel für Gehirnimplantate
Dank einer Beschichtung mit einem speziellen
Kunststoff reagieren Gehirnimplantate noch
sensibler auf Signale der sie umgebenden Nervenzellen.
Das berichten Forscher der University
of Michigan. Die Implantate konnten dreißig Prozent
mehr an Informationen empfangen als herkömmliche
Elektroden. Der Kunststoffüberzug
besteht aus Pedot, einem elektrisch leitfähigen
Polymer aus Abermillionen winzigen Nanoröhrchen.
In früheren Studien hatten die Forscher
bereits gezeigt, dass diesem Überzug auch Medikamente
beigefügt werden können, die verhindern,
dass sich Narbengewebe um die ins Gehirn
implantierte Elektrode bildet. So trägt die neue
Beschichtung gleich auf zwei Wegen zu der exakten
Signalaufnahme der Elektroden bei. Zum
einen, weil den niedrigen Nervenzellströmen kein
Narbengewebe mehr den Weg versperrt. Zum anderen,
weil die umhüllten Elektroden mit einem
geringeren elektrischen Widerstand auskommen.
Ins Gehirn implantierte Elektroden wurden bisher
vor allem für die Therapie von Parkinson und von
Querschnittgelähmten verwendet.
(Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 28.10.2009, Natur und
Wissenschaft Nr. 250, S. N1 und N2)
„wEGEN rISIkEN UND NEbENwIrkUNGEN FrAGEN SIE IHrEN …?“
3. Wer beteiligt sich an der Diskussion über
den Umgang mit Nanotechnologien?
Auf internationaler und nationaler Ebene sind
Wissenschaft und NGOs (Nicht-Regierungsorganisationen),
Politik und Wirtschaft im Dialog über
die ethischen und gesellschaftlichen Auswirkungen.
Ein Beispiel dafür ist der Bericht der Nano-
Kommission der deutschen Bundesregierung von
2008.
Die SchülerInnen besorgen sich die Broschüre vom
Bundesumweltministerium oder recherchieren die
publizierten Ergebnisse im Internet. Insbesondere
mit Arbeitsgruppe 3: „Prinzipien für einen verantwortungsvollen
Umgang mit Nanomaterialien“
setzen sie sich auseinander.
77

.......... MUSEUMSpäDAGoGISCHES
bEGLEItproGrAMM
78
> Führung Sonderausstellung „Nano! – Nutzen
und Visionen einer neuen Technologie“
Ab Klasse 7
Nach der Betrachtung von Naturphänomenen,
die auf Nano-Effekten basieren, fahren die Besucher
mit einem Aufzug in die Nanowelt und bekommen
dabei einen Eindruck von den Größenordnungen,
mit denen in der Nanotechnologie
gearbeitet wird. Im Grundlagenbereich werden
spezielle Eigenschaften der Nanopartikel erklärt.
Ausgerüstet mit diesem Basiswissen beschäftigt
sich die Gruppe mit ausgewählten Anwendungen.
Zum Abschluß der Führung werden die mit
der Nanotechnologie zusammenhängenden Visionen
bzw. die möglicherweise von ihr ausgehenden
Gefährdungen besprochen.
> Laborangebote
Ein Ausflug in das Reich der Zwerge
Für die Klassenstufen 3 bis 7
Am Beispiel des Lotuseffekts lernen die Schülerinnen
und Schüler die Arbeitsweise der Nanotechnologie
kennen. An einem einfachen Modell wird
die Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops
erklärt. Beim Nachbau der im Modell ertasteten
Oberfläche bekommen die Schülerinnen und
Schüler einen Einblick in die Schwierigkeiten, die
beim Arbeiten mit Nanopartikeln auftreten. In
Abhängigkeit vom Vorwissen der Klassen werden
selbstverständlich auch weitere für die Nanotechnologie
wichtige Parameter wie Größenordnung
oder Oberflächeneffekt thematisiert.
> Bau und Funktion einer organischen Solarzelle
(Grätzelzelle)
Ab Klasse 8
Die Schülerinnen und Schüler stellen in diesem
Laborangebot in Kleingruppen aus einfachen
Ausgangsmaterialien eine funktionsfähige organische
Solarzelle – Grätzelzelle – selbst her. Der
Wirkungsgrad der Grätzelzelle ist allerdings derzeit
noch sehr gering. Selbstverständlich wird
auch erklärt, wie diese Solarzellen funktionieren.
Dabei wird davon ausgegangen, dass die Schülerinnen
und Schüler Vorkenntnisse zum Thema
Halbleiter bzw. Oxidation und Reduktion mitbringen.
> Gold-Nanopartikel und Ferrofluide
Ab Klasse 8
Gold-Nanopartikel und Ferrofluide spielen die
Hauptrolle in diesem Laborangebot. Am Beispiel
der selbsthergestellten Gold-Nanopartikel
wird auf die Wechselwirkung von Nanoteilchen
mit Licht eingegangen und erläutert, was unter
dem Stichwort Phasentransfer zu verstehen ist.
Die selbstsynthetisierten Ferrofluide zeigen, wie
wichtig es ist, dass Nanopartikel in einer Lösung
stabilisiert werden und nicht zusammenklumpen.
Weiterhin wird auf die Reaktivität von Nanopartikeln
eingegangen und die Funktionsweise des
Rastersondenmikroskops – ein wichtiges Werkzeug
der Nanotechnologie – erklärt.
Vor bzw. nach einem Laborangebot wird empfohlen
die Sonderausstellung „Nano! – Nutzen und
Visionen einer neuen Technologie“ zu besuchen.
Der Besuch der Sonderausstellung ist im Preis enthalten.
Weitere Informationen
Dauer der Führung: ca. 90 Minuten
Dauer eines Laborangebots: ca. 120 Minuten
Kosten: 70 E pro Gruppe
Maximale Gruppengröße: 30 Personen
Anmeldung unter
Tel.: +49 (0)6 21/42 98-8 39
Fax: +49 (0)6 21/42 98-7 23
paedagogik@technoseum.de
TECHNOSEUM
Museumsstraße 1
68165 Mannheim
www.technoseum.de

.......... LItErAtUrANGAbEN
Allgemeine Literatur zu Nanotechnologie:
Arzt, Eduard/Gorb, Stanislav/Spolenak, Ralph: From micro to nano
contacts in biological attachment devices. http://www.ncbi.nlm.nih.
gov/pmc/articles/PMC196850/
Boeing, Niels: Nano!?: Die Technik des 21. Jahrhunderts. Berlin, 2004
Booker, Richard/Boysen, Earl: Nanotechnologie for Dummies. Wiley
VCH, Weinheim, 2006
Bundesministerium für Bildung und Forschung: Nanotechnologie.
Innovationen für die Welt von morgen. Bonn, Berlin 2006.
Als PDF unter http://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php
Bundesministerium für Bildung und Forschung: Nanopartikel – kleine
Dinge, große Wirkung. Bonn, Berlin 2008.
Als PDF unter http://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php
Cerman, Zdenek/Barthlott, Wilhelm/Nieder, Jürgen: Erfindungen
der Natur. Bionik – Was wir von Pflanzen und Tieren lernen können.
Rowohlt Taschenbuch, 2005
Cornelsen: Naturwissenschaft und Technik 3. Gymnasium, Baden-
Württemberg 2009
Fonds der Chemischen Industrie: Informationsserie Wunderwelt der
Nanomaterialien
http://fonds.vci.de/Folien_Service/
Jopp, Klaus: Nanotechnologie – Aufbruch ins Reich der Zwerge.
Wiesbaden, 2006
Schroedel: Netzwerk Naturwissenschaft und Technik. Baden-Württemberg
2007
Verein Nanotechnologie und Schule e.V.: Faszination Nanowelten.
Werkbuch, Unterrichtshilfen und Arbeitsblätter unter
http://www.mic-net.de/nano/
http://nano.webliner.ch/inhalt.html
https://www.bsi.bund.de/cae/servlet/contentblob/486910/publication-
File/30971/Nanotechnologie_pdf.pdf
http://www.techtower.de
Literatur zu bestimmten Themen der Nanotechnologie:
Größenverhältnisse
http://www.nanowerk.com/n_neatstuff.html
http://www.nanozone.org/
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/powersof10/
http://www.nanoreisen.de/
Spiel Duckboy in Nanoland: http://www.sciencemuseum.org.uk/
antenna/nano/nanoland/nanoworld.asp
Gecko
http://www.lehrer-online.de/van-der-waals-gecko.php
http://www.max-wissen.de/Fachwissen/show/5306.html
http://www.youtube.com/watch?v=cSsIIgy9o4A
http://www.youtube.com/watch?v=NVyb8oFdhpw
Lotuseffekt
http://www.lotus-effekt.de/
http://nano.webliner.ch/inhalt.html
http://www.netschool.de/schools/lotuseff/lotuseff.htm
Nano-Werkzeuge
http://www.ebg.tue.bw.schule.de/projekte/nwt_kl8/nwt_downloads.
htm (Programm Funktionsweise RKM)
http://www.nanoscience.com/education/software.html#Commerical_
soft
http://www.mrsec.wisc.edu/Edetc/LEGO/index.html
http://sxm4.uni-muenster.de (Bauanleitung für elektronisches Rastertunnelmikroskop)
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/versuche/08brown/
brownbewegung_1.htm
http://www.lehrer-online.de/brownsche_bewegung.php
Biologie
Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland: Aus dem Labor auf
den Teller – Die Nutzung der Nanotechnologie im Lebensmittelsektor.
Als PDF unter http://www.bund.net/bundnet/themen_und_projekte/
chemie/nanotechnologie/
Ewe, Thorwald: Wirbelndes Wunderwerk. in: bild der wissenschaft
plus
Als PDF unter http://www.landesstiftung-bw.de/publikationen/files/
bdw_ls_supplement_gesamt3.pdf
Hund-Rinke, Marscheider-Weidemann, Kemper: Beurteilung der
Gesamtumweltexposition von Silberionen aus Biozid-Produkten. Nr.
43/2008 (Umweltbundesamt für Mensch und Umwelt). Als PDF unter
http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-medien/dateien/3673.htm
http://nanotrust.ac.at/dossiers.html
http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/
http://www.lehrer-online.de/nanomotoren.php
http://www.uni-stuttgart.de/wechselwirkungen/ww2008/Die_ATP_
Synthase.pdf
http://www.nanotruck.de/fileadmin/nanoTruck/redaktion/download/
Nanobiotechnologie_I.pdf
http://vcell.ndsu.edu/animations/atpgradient/movie.htm
http://www.biologie.uni-osnabrueck.de/Biophysik/Junge/picsmovs.
html
http://www.nano4schools.ch/versuche/
Chemie
Becht, Saskia: Nanomaterialien im naturwissenschaftlichen Unterricht
– Kolloid- und Lumineszenzeigenschaften. Wissenschaftliche Arbeit
für das höhere Lehramt an Gymnasien im Fach Chemie, 2009; Universität
Karlsruhe, LTA Mannheim
Ernst, Susanne: Magnetische und optische Eigenschaften von Nanomaterialien
– Eine Umsetzung im Schulversuch. Wissenschaftliche
Arbeit für das höhere Lehramt an Gymnasien im Fach Chemie, 2009;
Universität Karlsruhe, LTA Mannheim
http://www.lehrer-online.de/289920.php?s
id=56686835035466256625656515651720
(Animation temporärer und permanenter Dipole: Praktische Tipps und
ein Beispiel)
Ethik/Philosophie-Chancen und Risiken
Frankfurter Allgemeine Zeitung (FAZ) vom 28.10.2009, Natur und
Wissenschaft Nr.250, S. N1 und N2
http://www.bfr.bund.de/cm/238/wahrnehmung_der_nanotechnologie_in_der_bevoelkerung.pdf
(Studie des Bundesamtes für Risikobewertung zur Wahrnehmung der
Nanotechnologie in der Bevölkerung)
http://www.nanobionet.de/nano2life/cms/user_upload/1238489613_
090219Sizematters.pdf
(Tagung „Size Matters 2009“, Ethische Herausforderungen der Nanotechnologie,
Saarbrücken, 17./18. Juni 2009)
http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/nanokomm_
abschlussbericht_2008.pdf
(Verantwortlicher Umgang mit Nanotechnologien. Bericht und
Empfehlungen der NanoKommission der deutschen Bundesregierung
2008)
http://www.umweltbundesamt.de
http://www.nano-jugend-dialog.de
http://www.tab.fzk.de/de/projekt/zusammenfassung/hp16.htm
http://www.bpb.de/publikationen
79

.......... ANHANG/LöSUNGEN
80
Größenordnung (Bearbeitungsideen S. 8)
Einführende Experimentieraufgaben:
1. Bsp.: ein Haar, eine Stiftmine, das Auge einer Fliege
2. Bsp.: Knoten in einem Faden, kleines Papierschiffchen
3. Papier lässt sich 8-9 mal in der Mitte teilen (Mitte der 28 cm
Seite), dann ist die Schere als Werkzeug zu groß, um das Papier
gleichmäßig und ohne sich zu schneiden zu teilen. Um das Papier
auf Nanometergröße zu bekommen, müsste man 32 Schnitte machen,
dann wäre der Papierstreifen 6 nm groß!
Aufgabe Größenzuordnung I
Welt - Eiffelturm - Baum - Elefant - Auto - Mensch - Fußball -
Bleistift - Schnecke - Münze - Würfel - Ameise - Kopflaus - Zelle
- Nano-Buckyball
Aufgabe Größenzuordnung I
10 1 m; 10-Meter-Turm im Schwimmbad; 1 m; 100 cm; Singvogel,
CD; 0,01 m; 1 mm; Floh; 10 -4 m; 10 μm; Körperzelle, Pflanzenpollen;
10 -6 m; 0,0000001; 10 nm; 0,000000001; 10 -9 m; 0,1 nm;
Atom
10 mal 10-Spiel
10 1 m
Größe eines Menschen
10 0 m durchschnittliche Größe eines Kleinkindes
Durchmesser eines Fußballs, durchschnittliche Länge
einer Hand
10 -1 m Durchmesser einer CD, Breite eines Briefumschlages
Durchmesser eines Euros
10 -2 m Breite eines Fingerringes, Größe eines Zahns
Größe einer Ameise
10 -3 m Größe eines Flohs
Dicke einer Nadelspitze
10 -4 m Durchmesser eines menschlichen Haares
Größe einer menschlichen Zelle
10 -5 m Durchmesser eines roten Blutkörperchens
10 -6 m
Wellenlänge von sichtbarem Licht
10 -7 m
Durchmesser einer Carbon-Nanoröhre
10 -8 m Durchmesser eines DNA-Strangs
10 -9 m
Breite eines Wassermoleküls
10 -10 m Größe eines Atoms
Rechenaufgaben
1. Haselnuss, Cent-Münze
2. a) 30.000.000 nm, b) 370.000.000 nm,
c) ca. 1.600.000.000
3. a) 60 nm, b) 3.600 nm, c) 86.400 nm = 0,08 mm,
d) 31.536.000 nm = 3,15 cm,
menschlicher Fingernagel = 10.000.000 nm
4. a) 8 Jahre, b) er bräuchte immer noch ca. 0,8 Jahre
Oberflächeneffekt (Bearbeitungsideen S. 14)
Aufgabe 1
Quadrat 1 Quadrat 2 Quadrat 3 Quadrat 4
Seitenlänge 1 2 3 4
Umfang 4 8 12 16
Flächeninhalt 1 4 9 16
Umfang/ Fläche 4/1 = 4 8/4 = 2 12/9= 1,3 4
Aufgabe 2
Würfel 1 Würfel 2 Würfel 3
Seitenlänge 1 2 3
Volumen 1 8 27
Oberfläche 6 24 54
Oberfläche /
Volumen
6 / 1 24 / 4 = 6 54 / 27 = 2
Aufgabe 3
5 cm Kantenlänge – Oberfläche 1.200 cm²; 1 cm Kantenlänge –
Oberfläche 6.000 cm²; 1 mm Kantenlänge – Oberfläche 60.000
cm²; 1 nm Kantenlänge – Oberfläche 6.000.000.000 cm² =
600.000 m²
Experiment 1
Reaktionsgleichung zur Herstellung von Eisenoxalat:
Fe 2+ + SO 4 2-+ 4 NH4 + + 2 C2O 4 2- → (NH4) 2[Fe(C 2O 4)2] ↓+ (NH 4)2SO 4
Experiment 3
(NH 4) 2[Fe(C 2O 4) 2] → Fe + (NH 4) 2C 2O 4 + 2 CO 2 ↑
4 Fe + 3 O 2 → 2 Fe 2O 3 (Hämatit (α-Fe 2O 3), rot)
3 Fe + 2 O 2 → Fe 3O 4 (Magnetit, schwarz)
Nanopartikel sehen (Bearbeitungsideen S. 17)
Experiment „Black Box“
a) Bsp:
b) Diagramm bildet nur Höhen und Tiefen der Gegenstände ab,
man kann keine Formen (rund, eckig) ablesen; besseres Abbild
durch: a) mehr Löcher, um mehr Daten zu erhalten, b) andere
„Tastfühler“, um genaueres Abbild zu bekommen (z.B. magnetischen
„Taster“; Taster aus Metall)
c) Gegenstände können nachgeben, Mess- und Rechenfehler
Bauanleitung Rasterkraftmikroskop mit LEGO
a) Abgetragene Struktur auf Blatt macht nur Auf- und Abwärtsbewegung
des Laserpointers auf dem Cantilever deutlich. Es können
weder detaillierte Strukturen, noch ein 3D-Bild dargestellt werden.
b) Rasterkraftmikroskop
siehe Einführung/Inhalte Rasterkraftmikroskop
Rasterkraftmikroskop mit Beschriftungen
Bauanleitung Rastertunnelmikroskop
siehe Einführung/Inhalte Rasterkraftmikroskop

Rastertunnelmikroskop
mit Spitze
Probenoberfläche
Tunnelstrom
Rastertunnelmikroskop mit Beschriftungen
Nanopartikel manipulieren (Bearbeitungsideen S. 21)
Experiment „fette Finger“
zu a) die Legosteine lassen sich weder gut greifen, noch ordentlich
stapeln
zu b) mit dem Zahnstocher benötigt man die längste Zeit, da seine
Spitze genauso groß ist, wie die Salzkörner und somit auch nur
eine geringe Angriffsfläche besteht. In der Nanowelt entspricht
dies dem Endatom an der Rastertunnelspitze, mit dem man ein
etwa gleichgroßes Atom auf der Probenoberfläche bewegen will.
Im Alltag wählen wir unsere Werkzeuge angepasst an das zu bearbeitende
Objekt.
Bsp.: Mit einem Hammer wird ein Nagel in die Wand geschlagen;
mit einem Meißel wird ein Granitblock bearbeitet.
Experiment „klebrige Finger“
a) Magnete haften aneinander und müssen an geeigneter Stelle
wieder abgestreift werden. In der Nanowelt sind die Van-der-
Waals-Kräfte von Bedeutung, die dafür sorgen, daß ein Oberflächenatom
an der Spitze des Rastertunnelmikroskops haftet.
b) Magnete umdrehen, damit sie die gleiche Polung haben.
Experiment Brownsche Molekularbewegung
a) Man sieht, wie sich die Milchtröpfchen in Wasser in ständiger
Bewegung befinden. Grund: Wärmebewegung von Teilchen
(Brownsche Molekularbewegung). Jedes Atom oder Molekül
beschreibt eine Bewegung, deren Ausmaß temperaturabhängig
ist. Die kleinen Wassermoleküle stoßen ständig an die größeren
Milchtropfen.
b) Durch die ständige Bewegung der Teilchen ist es schwierig,
diese zu fassen und anzuordnen. Die Temperatur müsste hierfür, je
nach Teilchen, auf eine bestimmt Gradzahl gesenkt werden, damit
die Atome still stehen. Da dies nur unter Laborbedingungen möglich
ist, ist es den Wissenschaftlern bisher auch nicht gelungen
größere Nanomaschinen außerhalb eines Labors zu bauen.
Nanopartikel herstellen (Bearbeitungsideen S. 23)
Aufgabe Photolithographie
1. Selbstorganisation mit Legosteinen
a) vorher nachher
b) Legosteine interagieren mit Oberflächenspannung des Wassers
und ordnen sich selbständig in einer quadratischen Struktur an.
2. Selbstorganisation mit Seifenblasen
a) vorher: Seifenblasen sind in bestimmter Weise angeordnet.
nachher: an der Anordnung der Seifenblasen hat sich nichts
geändert.
b) Nachdem eine Seifenblase zerplatzt ist, haben sich die umgebenen
Seifenblasen zusammengeschlossen, um wieder eine
bestimmte Anordnung zu bilden. Die Bauweise der Seifenblasen
entsteht durch Selbstorganisation, bei der sich das Gleichgewicht
zwischen Membranspannung, Innen- und Außendruck einstellt.
Das Ergebnis sind dreidimensional angeordnete Minimalflächen
zur optimalen Materialnutzung und Lastverteilung.
c) Durch Selbstorganisation geht es schneller, Nanostrukturen
aufzubauen. Müsste man jedes Atom mit einem anderen Atom
verbinden, würde es Jahre dauern um 1 mg einer Substanz herzustellen.
d) Schneeflocken, DNA, Zellen, Organismus
Aufgabe „top down“/„bottom up“
top down bottom up
Pferd X
Holzfigur X
Baum X
Computer X
Möhre X
Sand X
Eiskristall X
Pfeffer aus
Pfeffermühle
X
Stalaktit X
Stalagmit X
Vom Gecko zum wiederlösbaren Kleber
(Bearbeitungsideen S. 35)
Aufgabe 1
Klebstoff: Der Gecko kann die Verbindung zur Wand schnell
wieder lösen.
Saugnäpfe: Der Gecko haftet auch auf unebenen Flächen.
Klettband: Der Gecko kann auf jeder Fläche haften.
Vorbilder für Klettband in der Natur: Klettfrüchte
ANHANG/LöSUNGEN
Aufgabe 2
Je größer das Tier, desto feiner sind die Haftstrukturen.
Die Haftstrukturen müssten noch kleiner sein und zwar kleiner als
der Durchmesser eines Keratinmoleküls (Keratin ist der Stoff aus
dem unsere Haare und die Hafthaare des Geckos bestehen).
z.B. Löschpapier
Aufgabe 3
Das Wasser steigt im Trinkhalm durch Kapillareffekte an. Je enger
die Kapillare, desto höher steigt das Wasser.
81

82
ANHANG/LöSUNGEN
Lotuseffekt (Bearbeitungsideen S. 38)
Experiment Lotuseffekt
a) Blätter mit Lotusoberfläche: Wasser perlt ab bzw. Wasser fügt
sich zu einem Tropfen zusammen. Bei Blättern ohne Lotusoberfläche
ist dies nicht zu beobachten.
b) Wasser perlt ab und nimmt dabei das Mehl mit sich.
c) Wasserlöslicher Kleber und Honig perlen mühelos und rückstandsfrei
von der Lotusoberfläche ab.
d) Spülmittel hebt den Lotus-Effekt auf. Netzmittel (Seife, Spülmittel)
stören die Tropfenbildung von Wasser und es kommt auch
auf Lotusoberflächen zu einer Benetzung. Die Oberfläche wird
durch die Netzmittel nicht zerstört, sondern ist nach Abspülen mit
klarem Wasser wieder voll funktionsfähig.
e) Lotuseffekt ist zerstört, da durch physikalisches Einwirken die
Wachsnoppen abgerieben wurden.
Bauanleitung Lotusoberfläche
a) Der Ball hat nur Kontakt mit den Spitzen der Becher und kann
nicht in die Zwischenräume gelangen. Wenn er auf einen Stofffetzen
(Schmutz) trifft, nimmt er diesen mit.
b) Die Lotusoberfläche ist extrem genoppt. Die Noppen sind nur
mikrometergroß und besitzen Wachsauflagerungen im Nanometerbereich.
c) Schutz vor Bakterien und Pilzen; Verhinderung von Verschmutzungen,
die den Lichteinfall und damit die Fotosynthese vermindern
und Spaltöffnungen verschließen könnten.
d) Schmutzabweisende Fassadenfarben; Graffiti-Schutz; wasser-
und schmutzabweisende Bekleidung; selbstreinigende Fenster
Einfluss von Nanopartikeln auf zelluläre Funktionen
(Bearbeitungsideen S. 41)
1) Zellmembran (6-8 nm), raues endoplasmatisches Retikulum
(100 nm), glattes endoplasmatisches Retikulum (150 nm), Zellkern
(5-10 μm), Kernporen (100 nm), Nukleolus (1-2 μm), Ribosom (25
nm), Mitochondrium (2-8 μm), Lysosom (200-400 nm), Golgi-
Apparat (2-3 μm), Peroxisom (200-500 nm), Centriol (500 nm),
Mikrotubuli (15-25 nm)
2a) Haut 1,5-2 m²; Magen-Darm-Trakt (oral aufgenommene Partikel)
200m²; Lunge 140 m²; Riechnerv
2b) Nanopartikel wurden auf der Zellmembran, im Zytoplasma,
in den Mitochondrien, an der Kernmembran und im Zellkern aufgespürt.
Durch Makrophagen, die Fremdkörper in ihr Zellinneres aufnehmen
(Phagozytieren), und dort speziellen Abwehrmechanismen
aussetzen, können Nanopartikel abgewehrt werden. Können die
Partikel nicht verdaut werden, verbleiben sie in der Zelle und können
sich anreichern, was zum oxidativen Stress im Organismus
führt. Hierbei werden freie Radikale abgesondert, die zu mannigfaltigen
Effekten wie Entzündungsreaktionen, DNA-Schädigungen
bis hin zum Zelltod führen können. Die gesundheitlichen Wirkungen
solcher möglichen Interaktionen sind noch völlig unbekannt.
2c) - bisher gibt es nur wenige Studien über Auswirkungen von
Nanopartikeln im menschlichen Körper.
- Ratten-Mensch-Übertragbarkeit ist nicht immer gegeben, da sich
die Anatomie in manchen Fällen unterscheidet.
- nicht die Menge, sondern die Oberfläche der Partikel ist relevant,
d.h. kleinere Nanopartikel in geringen Konzentrationen haben
eine höhere Chance im Körper zu verbleiben und zu den Organen
zu gelangen als größere Partikel in höheren Konzentrationen.
3a) Alu-Folie – Partikel können oral in den Magen-Darm-Trakt
gelangen.
Textilien – Partikel können durch die Haut aufgenommen werden
Haushaltsreiniger – Partikel können durch die Haut und Einatmen
aufgenommen werden.
Tennisschläger – Partikel können durch die Haut aufgenommen
werden.
Schneidbrett – Partikel können oral in den Magen-Darm-Trakt gelangen.
Nahrungsergänzungsmittel – Partikel können oral in den Magen-
Darm-Trakt gelangen.
Zahnpasta – Partikel können oral in den Magen-Darm-Trakt gelangen.
2b) - weil sie in Wirklichkeit gar keine Nanopartikel enthalten.
- weil die Firmen Angst vor niedrigeren Verkaufszahlen haben,
wenn bekannt wird, dass ihre Produkte Nanopartikel enthalten.
Biologische Nanomotoren (S. 44)
1b) - Krankheiten, wie Krebs, Herz-Kreislauferkrankungen, Infektionen
könnten schneller erkannt und mit Hilfe von Nanobots vor
Ort bekämpft werden.
- die Ursachen von Alzheimer könnten genauer untersucht werden.
- Medikamente können zielgerichtet zum Wirkungsort gebracht
werden.
- Nanoroboter könnten Blutgerinnsel und Ablagerungen in den
Blutgefäßen zertrümmern und Tumorzellen zerstören.
- Finden und Eliminieren eines bestimmten Virentyps
- schnellere Heilung von durchtrennten Nervenbahnen
1c) Nachteile
- noch unklar, wie man Nanobots wieder aus dem Körper entfernen
kann
- unkontrolliertes Verhalten der Nanobots
1d) - atomare Maschinenteile sind so klein und bestehen vor allem
aus Oberflächenatomen, so dass sie sich schnell mit anderen
Atomen benachbarter Teile verbinden und dadurch unbrauchbar
werden.
- Problem des Zusammenklumpens der Nanomaschinen.
- bei Zimmertemperatur sind die Atome in permanenter Bewegung,
was zu einer Konsistenz wie Wackelpeter führt (Problem
der Brownschen Bewegung); zielgerichtete Fortbewegung wandelt
sich dadurch in Zufallsbewegung.
- Nanoroboter müsste außergewöhnlich viel Leistung haben, um
gegen den starken Blutstrom anzutreten.
- funktionierender Mechanismus zum An- und Abschalten der
Motoren und Kontrolle über die Bewegungsrichtung und
-geschwindigkeit.
- Transportgut muss an definierten Punkten aufgenommen und
abgeladen werden.
- Problem, wie sich solche Maschinen herstellen lassen, da alle
bisher bekannten Fertigungsmittel und Werkzeuge dafür nicht
geeignet sind.
Diese Kriterien werden bislang jedoch nur ansatzweise erfüllt und
sind Gegenstand aktueller Forschung.
2a) 10 x 20 nm; Rotationsbewegung (Protonen-Turbine rotiert mit
100 Umdrehungen pro Sekunde und treibt dadurch Synthese von
ATP an); chemische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt.
2b) http://de.wikipedia.org/wiki/ATP-Synthase
2c) „Treibstoff“ des F0-Teils = Wasserstoffprotonen (H+), die durch
Konzentrationsgefälle vom Membraninnenraum der Mitochondrien
in die mitochondriale Matrix fließen. Durch Drehen des F0-Teils
um ein Drittel dreht sich F1-Teil um ein Drittel. Somit liefert die Drehung
des F1-Rotors um 360° in drei Schritten drei Moleküle ATP.
2d) Bei ATP-Überschuss wird ATP in ADP + P gespalten und treibt
den Doppelmotor in umgekehrter Drehrichtung an. Als Folge
pumpt das Enzym Protonen in die Gegenrichtung (Damit die Synthasen
in Pflanzen nicht rückwärts laufen, wenn es dunkel wird,
wird die ATP-Bildung reguliert, indem ADP an bestimmte Bindungsstellen
bindet und die ATP-Synthase in den Chloroplasten
abgeschaltet wird.).
Nanosilber anstatt Antibiotika (Bearbeitungsideen S. 47)
1) Innerhalb von fünf Tagen verfärbt sich Milch; geschieht bei
Milch ohne Silber schneller als bei der Milch mit Silber; nach ca.
sieben Tagen ist die Milch in beiden Bechern sauer geworden.
Silber gibt positiv geladene Ionen ab, welche die Zellteilung der
Bakterien stören und diese somit vernichten.

Ein vertiefendes Experiment, das die Wirkung von Nanosilber
auf das Wachstum von Mikroorganismen auf Nährböden beschreibt,
findet man unter www.nano4schools.ch/app/download/1351062950/Nanosilber.pdf
2) Silbernanopartikel haben einen höheren Anteil an Oberflächenatomen.
Daher ist Nanosilber chemisch reaktiver. Es werden
mehr Ionen freigesetzt.
3) Der Mensch kommt nur noch mit wenigen Mikroben/Bakterien
in Kontakt und erwirbt dadurch keine natürliche Immunisierung
mehr. Durch Kontakt mit Krankheitserregern entsteht ein lang
anhaltender Schutz vor einer Zweiterkrankung, was vor allem bei
älteren Menschen und Schwangeren wichtig ist.
4a) Silberionen sind bereits in geringen Konzentrationen toxisch
für Gewässerorganismen. Für Mikroorganismen sind Konzentrationen
> 1-5 μg/L schädigend. Jungforellen werden bei Konzentrationen
> 0,17 μg/L beeinträchtigt. Kleinkrebse und Algen werden
bei niedrigen Konzentrationen geschädigt. In vielen aquatischen
Organismen (Algen, Muscheln, Krebse) kann sich Silber anreichern
und die Reproduktionsfähigkeit vermindern.
Rückgang der Gewässerbelastung durch strengere Umweltgesetze
und Umstieg auf digitale Photographie.
4b) - Nanosilber im Abwasser könnte die Funktionsweise von
nützlichen Bakterien in der Umwelt stören → Symbiose von Pflanzen
und Bakterien wird gestört → Stickstoffhaushalt in Süß- und
Salzwassermilieus wird aus dem Gleichgewicht gebracht
- Ausbildung von Resistenzen bei schädlichen Bakterien.
- in Kläranlagen können nützliche Bakterien und somit die Abwasserreinigung
gestört werden.
- Silber im Klärschlamm → wird in der Landwirtschaft auf Felder
verteilt → Silber reichert sich im Boden an → wirkt toxisch auf
Bodenmikroben → Stickstoffhaushalt wird gestört.
- Silber kann sich auch auf Kleinstorganismen und Fische auswirken,
indem Silberverbindungen im Wasser aufgenommen werden,
sich anreichern und es dadurch zu Deformationen und Tod der
Organismen kommen kann.
- mögliche Beeinträchtigung der nützlichen bakteriellen Mikroflora
der Haut durch nanosilberhaltige Kosmetika.
5) Quiz
Fakt
1. Viren sind nanoskalige biologische Maschinen.
2. nanoskalige Eisenoxidpartikel werden in das Tumorgewebe injiziert
und einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt.
Dadurch wird das Krebsgewebe auf 45°C erhitzt und die
Krebszellen sterben ab.
4. beschichtete Hebel (Cantilever) regieren mit Molekülen aus der
Umwelt (Moleküle lagern sich an) und verbiegen sich dadurch
5. Das Ziel ist ein sogenanntes „Nano-Lab“, welches sich zur Diagnose
von ganzen Proteinwirkungsketten und somit zur Diagnose
von Krankheiten einsetzen lassen soll.
7. Mehrere Wissenschaftler tüfteln gedanklich an einem Fahrstuhl
ins All, der ausreichend leicht, aber dennoch reißfest ist. Dies erhofft
man sich mit Hilfe von Nanoröhren aus Kohlenstoff.
9. Es gibt Socken, die mit Silberpartikeln durchzogen sind und somit
ein Wachstum von Bakterien behindern. Trotzdem sollte man
auch diese Socken regelmäßig wechseln und waschen.
12. Das kleinste Auto der Welt besteht nur aus einem einzigen
Molekül und ist etwa 2 nm lang. Jeder Reifen ist aus einem Fulleren
aus 60 Atomen aufgebaut.
13. Es gibt Schwangerschaftstest, die mit Goldnanopartikeln überzogen
sind und ein Testergebnis noch sicherer machen.
15. Wissenschaftler weben hierbei Partikel in den Stoff ein. Diese
Nanoteilchen bestehen aus organischen Polymeren und können
die Reflektion des Lichts durch mechanische Einflüsse oder elektrische
Felder verändern.
Fiktion
3, 6, 10
8. bisher hat man es zwar geschafft winzige künstliche Retinas
herzustellen, bis zu ganzen Organen ist es jedoch noch sehr weit.
11. Es gibt aber Zahnpasta, die nanopartikuläres Hydroxylapatit
besitzt und den angegriffenen Zahnschmelz wieder aufbaut und
angegriffene Zahnoberflächen restauriert.
14. Derzeit noch Fiktion. Forscher arbeiten jedoch an intelligenten
Textilien.
Hydrophil oder Hydrophob (Bearbeitungsideen S. 51)
Experiment 1
a) Öl und Wasser mischen sich nicht. Öl ist hydrophob und nicht
polar. Aufgrund der geringeren Dichte schwimmt Öl auf dem Wasser.
Paprikapulver wird in Öl gelöst.
b)
Wasser liebend X
Experiment 2
a) Der Wassertropfen rollt ab wie von einer unbenetzbaren Oberfläche.
Der Ruß enthält unverbranntes, hydrophobes Paraffin.
Er bildet auf der Objektträgeroberfläche eine raue, hydrophobe
Oberfläche. Wie alle Oberflächenstrukturen, die zwischen 5 und
20 μm hoch und etwa 5 bis 50 μm voneinander entfernt sind,
zeigt auch die Rußschicht auf dem Objektträger den Lotus-Effekt.
b) der Wassertropfen benetzt die gesamte Glasoberfläche
Experiment 3
a) unbehandelter Objektträger – Kontaktwinkel unter 90°, Glas
ist benetzt
mit Wachs überzogener Objektträger – Kontaktwinkel über 90°,
Wasser bildet annähernde Kugelform; Parafin wird nicht benetzt
Frische Blätter von Kohl, Kapuzinerkresse, Tulpe – Kontaktwinkel
über 140°, Wasser bildet Kugelform; Blätter werden nicht benetzt
b) und c)
Wasser Öl Paprikapulver
Wasser meidend X X
Fett liebend X X
Fett meidend X
α
α
α
ANHANG/LöSUNGEN
83

84
ANHANG/LöSUNGEN
weitere Aufgaben
a)
b) Reinigungsmittel, Reinigungsgeräte
Suspension oder echte Lösung (Bearbeitungsideen S. 55)
Experiment 1
Die Zitronensäure reduziert das dreiwertige Gold zu nullwertigem
Gold. Sie dient aber auch als Stabilisator und verhindert die Aggregation
der Goldkolloide. Da Zitronensäure als Stabilisator aber
eher schlecht geeignet ist und es deshalb trotzdem zur Bildung
von Goldaggregaten kommt, variiert die Größe und daher auch
die Farbe der entstehenden Goldsuspensionen.
Farbe vgl. Text
Experiment 2
Enthält die Lösung Nanopartikel, lässt sich der Weg des Lichts
durch die Lösung anhand der Streuung verfolgen.
Experiment 3
Kaliumoleat lagert sich aufgrund seiner Struktur an der Phasengrenze
an. Der hydrophobe Teil des Moleküls (Kohlenwasserstoffschwanz)
zeigt in die organische, der hydrophile Teil in die wässrige
Phase. Durch das Rühren werden die beiden Phasen durchmischt
und es bildet sich eine Emulsion. Die Kaliumoleat-Moleküle lagern
sich über Carboxylatgruppen an die Gold-Nanopartikel an. Diese
Anlagerung wird durch das starke Rühren und die Zugabe des Salzes
beschleunigt.
Durch die Zugabe von Salz wird die kritische Mizellenkonzentration
herabgesetzt und die Entmischung der entstandenen Emulsion
beschleunigt.
Beschriftung der Pfeile:
Pfeil 1: + Kaliumoleat; Pfeil 2: + NaCl, Rühren; Pfeil 3: Phasentransfer
Experiment 4
Verdünnnungen: Suspension mit 5 Gew.-% 1:10; mit 10 Gew.-%
- 1:20, mit 15 Gew.-% - 1:30, mit 20 Gew.-% - 1:40,
Der Lichtstrahl wird durch die zunehmende Partikelgröße immer
stärker gestreut. Die Farbe des gestreuten Lichts wird mit zunehmender
Partikelgröße immer mehr ins Rötliche verschoben, da die
Blauanteile des Lichtes durch destruktive Interferenz ausgelöscht
werden.
Magnetische Flüssigkeiten – Ferrofluide
(Bearbeitungsideen S. 58)
Experiment 1
Im Schritt 1 wird durch die Zugabe der Natronlauge Magnetit ausgefällt.
Reaktionsgleichung: 8 NaOH + 2 FeCl 3 + FeCl 2 → Fe 3O 4 + 8 NaCl
+ 4 H 2O
Im Schritt 2 wird durch den Waschvorgang überschüssige Natronlauge
und störendes NaCl ausgewaschen.
Der im Schritt 3 zugegebene Diethylenglykol stabilisiert die entstandenen
Magnetitpartikel und erhöht die Viskosität der magnetischen
Suspension.
Experiment 3
Magnetische Nanopartikel werden durch Tenside stabilisiert.
Van-der-Waalskräfte (Bearbeitungsideen S. 61)
Aufgabe 1: vgl. Text
Aufgabe 2: Die Bilder zeigen, wie die Feinheit bzw. Dichte der
Spatulae mit zunehmender Masse der Tiere abnimmt. Die Kurve
bricht bei einer Masse von 100 g ab und zeigt, dass noch feinere
Spatulae nicht möglich sind, d.h. eine Bergziege mit Hafthaaren
ist nicht möglich.
Aufgabe 3
Haftkraft des Geckos:
4 x 1,5 x10 6 x 200 x 10 x 10 - 9 N = 12 N
Füße Seta pro Fuß Spatulae pro Seta Haftkraft einer Seta
Die Tiere wiegen ca. 100 g, d.h. die Tiere heften sich mit einer
mehr als zehnmal größeren Kraft als ihrer eigenen Gewichtskraft
entspricht über Kopf an eine Glasplatte. Dabei muss aber berücksichtigt
werden, dass die Geckos beim Laufen nicht mit allen
Füßen gleichzeitig haften und der Haftmechanismus auch in der
Abrollphase funktionieren muss. Nicht desto trotz: Hin und wieder
fallen auch Geckos von der Decke.
Spidermann: benötigte Haftkraft 1.000 N, d.h. 84 Geckos, um sich
nur an der Wand zu halten.
Vom Mikroskop zum Rastersondenmikroskop
(Bearbeitungsideen S. 63)
Aufgabe 1
Aufgabe 2: vgl. Text
Aufgabe 3
Eine Linse wird als Okularlinse verwendet und hat nach VOkular =
250 / f eine Vergrößerung um das Zehnfache.
Die zweite Linse wird als Okularlinse verwendet und muss deshalb
einen Abbildungsmaßstab M von 10 : 1 haben.
Mit dem Strahlensatz ergibt sich: M = B / G = (b-f) / f, d.h. für die

Bildweite b: b = 10 * 25 mm + f = 275 mm.
Da das Zwischenbild zum entspannten Beobachten in der Brennebene
des Okulars entstehen soll, muss das Okular 275 mm + 25
mm = 300 mm vom Objektiv entfernt sein. Der Abstand Objekt –
Objetiv beträgt g = 25 mm / 10 + 25 = 2,75 mm.
Transistoren: Klein, kleiner, am Kleinsten
(Bearbeitungsideen S. 66)
Aufgabe 1
Bit: Ein Bit ist die kleinste elektronische Einheit. Sie unterscheidet
zwischen Nullen und Einsen bzw. Strom fließt oder Strom fließt
nicht.
Byte: 1 Byte besteht aus 8 Bits. 255 ist die größte Zahl, die sich mit
einem Byte darstellen lässt. Im Dualsystem wird 255 als 11111111
dargestellt.
Gigabit: Ein Gigabit sind 109 Bits
Aufgabe 2
2315 Tage = 6,3 Jahre
Aufgabe 3
Jede elektronische Schaltung, die zwei stabile elektrische Zustände
hat und durch entsprechende Eingangssignale von einem Zustand
in einen anderen geschaltet werden kann, nennt man Flip-Flop
oder auch bistabile Kippstufe. Beim Einschalten der Betriebsspannung
nimmt ein Flip-Flop in der Regel undefiniert einen seiner beiden
Zustände an.
Angenommen LED1 leuchtet, d.h. Transistor 1 schaltet durch, d.h.
die Potentialdifferenz zwischen Kollektor und Emitter von Transistor
1 ist gering. Dieselbe geringe Potentialdifferenz liegt an der
Basis von Transistor 2 an, d.h. Transistor 2 sperrt, da die Schwellenspannung
nicht erreicht wird.
Wird bei 1 der Minuspol mit der Basis des Transistor 1 verbunden,
kippt das System. Transistor 1 erhält keinen Basisstrom mehr und
sperrt, LED1 leuchtet nicht. Transistor 2 erhält über LED1 einen
schwachen Basisstrom, steuert durch und LED2 leuchtet.
Aufgabe 4
1) Dualsystem, 2) MOSFET, 3) sechs, 4) Kuehlkoerper, 5) Photolitographie,
6) Haerte,7) Dotierung, 8) Gate, 9) Festplatte, 10) Transitoren,
11) programmieren, 11 waagrecht) Prozessor, 12) elektronisch
13) Nanometerdiamant, 14) Pits, 15) Drain, 16) Source,
17) Nanotubes, 18) Silizium, 19) DRAM
Sonnencreme (Bearbeitungsideen S. 73)
Aufgabe 1: Anforderungen an eine Sonnencreme:
wirksam gegen UV-Strahlung, gut hautverträglich, nicht toxisch
(ungiftig), photostabil (stabil gegen Lichteinstrahlung), sollte nur
begrenzt in die Haut eindringen, chemisch stabil, hitzestabil, wasserfest,
nicht fettig oder glänzend, nicht klebrig, angenehmer Geruch,
möglichst geschmacklos, preiswert, pflegend
Aufgabe 3: Inhaltsstoffe in Sonnenschutzmitteln:
Pflanzenöl – Grundsubstanz der Emulsion, Pflege, Trägerstoff;
destilliertes Wasser – Grundsubstanz der Emulsion; Titandioxid –
physikalischer Sonnenfilter; organische Verbindungen z.B. Parsun
– chemische Sonnenfilter; Tegomuls – Emulgator; Paraben – Konservierungsmittel;
Cokos – Duftstoffe; Aloe vera – pflegende Stoffe;
Vitamin C, E – Antioxidantien
Aufgabe 5: UV-Strahlung
Bezeichnung Wellenlänge
[nm]
UV-A Strahlung 315 –
400 nm
UV-B Strahlung 280 –
315 nm
UV-C Strahlung 200 –
315 nm
Starke UV-
Strahlung
50 –
200 nm
Absorption
durch die
Atmosphäre
völlig
völlig
Eindringtiefe
in
die Haut
Tiefere
Haut
schichten
ANHANG/LöSUNGEN
Bräunung Wirkung
Sofortbräunung
durch
Melaninumwandlung
Oberhaut Verzögerte
Hautbräunung
„Wegen Risiken und Nebenwirkungen fragen Sie
Ihren …?“ (Bearbeitungsideen S. 74)
Meinungstest-Auflösung
Typ I: Naiver Optimismus:
„Ich finde es toll, in einer Welt zu leben, die immer wieder durch
Fortschritte wie die Nanotechnologie vorangebracht wird.“
Typ II: Entwicklungsverweigerung:
„Von modernen Technologien, wie zum Beispiel der Nanotechnologie,
halte ich nichts.“
Typ III: Visionen:
„Sie wird uns fantastische Möglichkeiten der technischen Entwicklung
eröffnen.“
Typ IV: Pragmatismus:
„Man sollte die Nanotechnologie voranbringen, aber auch eventuelle
Risiken im Blick behalten.“
Typ V: Erkenntnisoffenheit:
„An ihrem Beispiel kann man erleben, wie viele überraschend
neue Erkenntnisse möglich sind.“
Typ VI: Wissenschaftsanaloge Veranschaulichung:
„Mit meinem Wissen aus den Naturwissenschaften kann ich einigermaßen
begreifen, was bei der Nanotechnologie vor sich geht.“
Typ VII: Verkehrungsängste:
„Es wird einem angst und bange, wenn man bedenkt, wie viele
Nanoprodukte es schon geben soll.“
Typ VIII: Teilnahmslosigkeit:
„Die Entwicklung im Bereich der Nanotechnologie ist mir total
egal.“
Hautalterung
Sonnenallergie
Hautkrebs
Zellschädigung
Hautkrebs
85

86
bILDNACHwEIS
Bildnachweis
S. 7 TECHNOSEUM, Frank Ketterl
S. 13 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 14 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 17 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 18 l. TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 18 r. Steffen Franzka, Dissertation,
Universität Karlsruhe (TH), 1999
S. 19 l. TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 20 Photo courtesy IBM Research
S. 25 Franziska Lampert
S. 29 nano-care
S. 30 ETC group
S. 34 Max-Planck-Institut für Metallforschung,
Evolutionary Biomaterials Group, Stuttgart
S. 35 Max-Planck-Gesellschaft, München
S. 37 eye of science
S. 38 Franziska Lampert
S. 39 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 40 Franziska Lampert
S. 45 OKAPIA, Berlin
S. 50 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 52 Franziska Lampert
S. 54 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 55 Saskia Becht
S. 56 Saskia Becht
S. 57 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 58 l. http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Ferrofluid_Magnet_under_glass_edit.jpg
S. 58 r. Susanne Ernst
S. 59 S. Odenbach; Piz 2001, 32, Nr. 3
S. 60 Max-Planck-Gesellschaft, München
S. 61 Max-Planck-Gesellschaft, München
S. 63 Prof. Dr. Klaus Heilig
S. 64 o. Prof. Dr. Klaus Heilig
S. 64 u. http://physik.uni-muenchen.de/web_ph10_g8/
umwelt_technik/10tem/tem.htm
S. 68 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 69 Susanne Ernst
S. 71 TECHNOSEUM, Fotograf: Klaus Luginsland
S. 72 http://old.uni-bayreuth.de/departmenst/didaktick
chemie/umat/sonnenschutz/sonneschutz.htm
S. 77 Bundesumweltministerium
Trotz aufwendiger Recherchen ist es nicht gelungen, alle
Rechteinhaber von Abbildungen ausfindig zu machen. Wir
bitten Personen oder Institutionen, die Rechte an diesen Abbildungen
haben, sich mit dem Bildarchiv des TECHNOSEUM
in Verbindung zu setzen.

„There‘s plenty of room at the
bottom”
”…people tell me about miniaturization, and
how far it has progressed today. They tell me
about electric motors that are the size of the nail
on your small finger. And there is a device on
the market, they tell me, by which you can write
the Lord‘s Prayer on the head of a pin. But that‘s
nothing; that‘s the most primitive, halting step in
the direction I intend to discuss. It is a staggeringly
small world that is below. In the year 2000,
when they look back at this age, they will wonder
why it was not until the year 1960 that anybody
began seriously to move in this direction.
Why cannot we write the entire 24 volumes of
the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?
Let‘s see what would be involved. The head of a
pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify
it by 25,000 diameters, the area of the head of
the pin is then equal to the area of all the pages
of the Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it
is necessary to do is to reduce in size all the writing
in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that
possible? The resolving power of the eye is about
1/120 of an inch – that is roughly the diameter of
one of the little dots on the fine half-tone reproductions
in the Encyclopaedia. This, when you demagnify
it by 25,000 times, is still 80 angstroms
in diameter – 32 atoms across, in an ordinary metal.
In other words, one of those dots still would
contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can
easily be adjusted in size as required by the photoengraving,
and there is no question that there
is enough room on the head of a pin to put all of
the Encyclopaedia Brittanica…
Now comes the interesting question: How do we
make such a tiny mechanism? I leave that to you.
However, let me suggest one weird possibility.
You know, in the atomic energy plants they have
materials and machines that they can‘t handle directly
because they have become radioactive. To
unscrew nuts and put on bolts and so on, they
have a set of master and slave hands, so that by
operating a set of levers here, you control the
``hands‘‘ there, and can turn them this way and
that so you can handle things quite nicely.
rICHArD FEyNMAN: „tHErE‘S pLENty oF rooM At tHE bottoM”
Most of these devices are actually made rather
simply, in that there is a particular cable, like a
marionette string, that goes directly from the
controls to the „hands‘‘. But, of course, things
also have been made using servo motors, so that
the connection between the one thing and the
other is electrical rather than mechanical. When
you turn the levers, they turn a servo motor, and it
changes the electrical currents in the wires, which
repositions a motor at the other end.
Now, I want to build much the same device – a
master-slave system which operates electrically.
But I want the slaves to be made especially carefully
by modern large-scale machinists so that
they are one-fourth the scale of the „hands“ that
you ordinarily maneuver. So you have a scheme
by which you can do things at one – quarter scale
anyway – the little servo motors with little hands
play with little nuts and bolts; they drill little holes;
they are four times smaller. Aha! So I manufacture
a quarter-size lathe; I manufacture quarter-size
tools; and I make, at the one-quarter scale, still
another set of hands again relatively one-quarter
size! This is one-sixteenth size, from my point of
view. And after I finish doing this I wire directly
from my large-scale system, through transformers
perhaps, to the one-sixteenth-size servo motors.
Thus I can now manipulate the one-sixteenth size
hands…”
(Ausschnitt aus der historischen Rede des Nobelpreisträgers
Richard Feynman (1918 – 1988), 29. Dezember 1959.
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html)
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IMprESSUM
Nano! – Nutzen und Visionen einer
neuen Technologie
Unterrichtsmodule für weiterführende
Schulen
Herausgegeben vom TECHNOSEUM
Landesmuseum für Technik und Arbeit
in Mannheim
Konzeption und Redaktion
Reiner Bappert, Franziska Lampert,
Anke Neuhaus, Barbara Stabenow,
Horst Steffens
Mit Beiträgen von
Franziska Lampert (Einführung, Größenordnungen,
Werkzeuge der Nanotechnologie, Biologie)
Anke Neuhaus (Oberflächeneffekt, Chemie,
Physik, Technik)
Barbara Stabenow (Chancen und Risiken, Ethik)
Gestaltung: Titel, Layout, Satz
Frank Ketterl
Schlußredaktion
Wolf-Diether Burak
Bildnachweis im Anhang
Mannheim, im Januar 2010