NanoTools und Chemikalien - ph-freiburg.de · Seite 4/5 // Einleitung Pädagogische Vorbereitung auf das Jahrhundert der Bio- und Nanotechnologie In den vergangenen Jahren entstand

Haftungsausschluss

NanoTools und Chemikalien

Bei der Anwendung sind die für den Arbeits- und Un-fallschutz geltenden Vorschriften und die im Umgang mitChemikalien üblichen Vorsichtsmaßnahmen zu beachten.Die Benutzung der zur Verfügung gestellten Materialienerfolgt auf eigene Gefahr. Für Schäden und Folgeschäden,die durch die Verwendung der Materialien, insbesondereder Chemikalien entstehen, übernehmen NanoBioNet e.V.und die TU Kaiserslautern keine Haftung.

Der Koffer muss zwischen 15 und 20 °C gelagert werden.Er ist unbedingt vor Frost zu schützen!

Inhaltsverzeichnis

Einleitung: Pädagogische Vorbereitung auf das Jahrhundert der Bio- und Nanotechnologie

Begriffserklärung: Was ist Nanotechnologie?

Vom Lotusblatt zur technischen Anwendung – die Natur als Vorbild

Die Herstellung von Nanopartikeln am Beispiel des Sol-Gel-Prozesses

Einleitende Experimente zum Lotus-Effekt® (ohne Materialien dieses Koffers)

Die NanoToolsEasy-to-Clean-BeschichtungHydrophobe BeschichtungOleophobe BeschichtungAntibeschlag-BeschichtungBrandschutz für PapierAntifingerprint-BlechMemorymetallFarbreaktion durch PhotokatalyseEigenbau einer SolarzelleVersuch zum Tyndall-Effekt

DanksagungKontaktadressen

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NanoTool 10

Seite 4/5 // Einleitung

Pädagogische Vorbereitung auf das Jahrhundert der Bio- und Nanotechnologie

In den vergangenen Jahren entstand in derRegion Saarland Rheinland-Pfalz ein interna-tional beachteter Forschungs- und Wirtschafts-standort für Nano- und Biotechnologie. Aus der Wissenschaft und Forschung heraus sindUnternehmen entstanden, die zukunfts- undwettbewerbsfähige Arbeitsplätze in Schlüssel-technologien des 21. Jahrhunderts bieten. Um sich den Herausforderungen und denMöglichkeiten dieser neuen Technologie optimalstellen zu können, ist eine wirksameKoordinierung und eine gemeinsame Aus-richtung von Forschung, Wirtschaft und Politiknotwendig.

Daher wurde im Juli 2002 der VereinNanoBioNet e.V. gegründet. Er stellt alsgemeinnützige Institution ein Netzwerk ausForschungsinstituten, Unternehmen, Wirt-schafts- und Technologieförderern dar. Nebender Koordinierung des Netzwerks organisiertNanoBioNet e.V. im Rahmen der Informations-

und Öffentlichkeitsarbeit gemeinnützige Aktivi-täten wie Lehrerfortbildungen und Schüler-praktika. Finanzielle Unterstützung dafür erhältder Verein durch die Wirtschaftsressorts desSaarlandes und Rheinland-Pfalz, den Bund unddie EU. Eine enge Kooperation zwischenNanoBioNet und dem Kompetenzzentrum CC-NanoBioTech in Kaiserslautern ermöglicht es,die gemeinsamen Ziele noch effizienter zu erreichen.

Ein besonderes Anliegen des Vereins ist es, das naturwissenschaftliche Interesse an einerder faszinierendsten Hochtechnologien beiJugendlichen zu wecken. Gelingt es, Jugend-liche für die Nano- und Nanobiotechnologie zubegeistern, kann dem prognostiziertem Mangelan wissenschaftlichem und technischemNachwuchs in der Nano- und Biotech-Branchegezielt entgegengewirkt und den Jugendlichenein zukunftsträchtiges Arbeitsgebiet nähergebracht werden.

Um die Lehrkräfte über die technologischenFortschritte zu informieren, wurden daher imRahmen der Lehrerfortbildung entsprechendeModule ausgearbeitet und verschiedene nano-und biotechnologische Fortbildungen mit Hilfedes landespädagogischen Instituts durchge-führt. (Infos unter www.biokom.saarland.de undwww.nanobionet.de)

NanoBioNet e.V. möchte aber noch einenSchritt weiter gehen: Der Verein entwickelte dieNanoToolBox, die exemplarisch zeigt, welcheMöglichkeiten die Nanotechnologie bereitsheute bietet. Damit haben die Lehrkräfte vonweiterführenden Schulen die Möglichkeit unter-schiedliche Versuche zu präsentieren und prak-tische Anwendungen in den Unterricht einzube-ziehen. Alle in dem Koffer zur Anwendung kom-menden Materialien haben den Forschungs-status durchlaufen und kommen in aktuellenProdukten und Anwendungen zur Verwendung.

Einleitung

Da die Versuche in Kooperation mit Unter-nehmen aus dem NanoBioNet Netzwerk ent-wickelt wurden, spiegeln sie eindrucksvoll dieregionale Kompetenz wieder.

Aufgrund der Interdisziplinarität der Nano-biotechnologie sind die Versuche für denBiologie-, den Chemie- und bedingt auch denPhysikunterricht geeignet. Sie richten sich anSchülerInnen, die bereits über entsprechendesGrundlagenwissen verfügen (etwa ab Klassen-stufe 10).

Einige Versuche sind als Demonstrations-experimente geeignet, andere können unterAnleitung der Lehrkraft ohne aufwendige Vor-bereitungen als „learning-by-doing“-Versuche in den Unterricht integriert werden.

Es wurden einige Effekte in diesen Koffer auf-genommen, die genau genommen auch ohne„Nano“ auskommen könnten. Aber auch dieseEffekte stellen eine gute Möglichkeit dar,Wirkungen im Nanokosmos zu beschreiben und zu erklären.Wir freuen uns, wenn es uns mit der Nano-ToolBox gelingt, zu einer Bereicherung des naturwissenschaftlichen Unterrichts beizutragen.

NanoBioNet wünscht Ihnen viel Spaß beimProbieren, Zeigen und Experimentieren!

Martin MonzelGeschäftsführer NanoBioNet e.V.

Seite 6/7 // Begriffserklärung

Bislang noch unbemerkt von der breiten Öffentlichkeit ist in den vergangenen zweiJahrzehnten ein neuer technologischer Quer-schnittsbereich entstanden, von dem Expertenannehmen, dass er eine bisher nicht erreichteEntwicklungsdynamik aufweist. Die Nano-technologie, deren Bezeichnung sich aus derVorsilbe „nano“ für den milliardsten Teil einesMeters ableitet, könnte Grundlage eines enor-men industriellen Umbruchs werden, der einenumfassenden Einfluss auf sehr viele unsererLebensbereiche hätte.

Grundlage der Nanotechnologie ist dieNanostrukturforschung, die sich in den vergan-genen Jahren als stark interdisziplinäresForschungsgebiet entwickelt hat. In der Nano-strukturforschung beschäftigt man sich mit denphysikalischen, chemischen oder biologischenEigenschaften von Objekten – genauer vonFunktionseinheiten – mit geometrischenAbmessungen im Bereich von einem bis hundert Milliardstel Metern, also im Nano-meterbereich. Auf Grund ihrer minimalenAusdehnung bestehen die Funktionseinheiten,

bei denen es sich z.B. um ein größeres Molekül,um ein winziges Körnchen eines Kristalls odersogar um ein komplettes miniaturisiertesBauelement handeln kann, aus nur ver-gleichsweise wenigen Atomen, die ja denGrundstoff unserer Materie bilden. Das Entscheidende ist nun, dass sichFunktionseinheiten mit Abmessungen imNanometerbereich ganz anders verhalten alssolche, die die Grundlage unserer heutigenTechnologien bilden, und typischerweiseAbmessungen im Bereich von minimalMillionstel Metern, d.h. Mikrometern, haben. Die mit zunehmender Kleinheit verändertenphysikalischen, chemischen oder biologischenEigenschaften sind letztendlich darauf zurück-zuführen, dass das Verhalten der Materie inwachsendem Umfang durch die Gesetze derQuantenphysik bestimmt wird.

In den vergangenen Jahren haben technischeFortschritte dazu geführt, dass wir ausgehendvon der Mikrometerskala zunehmend auch

Was ist Nanotechnologie?

Begriffserklärung

großtechnisch durch Verkleinerung der geome-trischen Abmessungen auf die Nanometer-skala vordringen können („Top-down-Ansatz“).So weisen beispielsweise bereits heutigeHalbleiterbauelemente entsprechend kleineStrukturabmessungen auf. Gleichzeitig habenFortschritte in der synthetischen Chemie dazugeführt, dass es möglich geworden ist, immergrößere und komplexere Moleküle mit genaudefinierten Eigenschaften zu synthetisieren(„Bottom-up-Ansatz“). Man nähert sich damitgleichsam von oben und unten technologischder Nanometerskala. Damit wird es möglich,Werkstoffe mit völlig neuen Eigenschaften her-zustellen, elektronische Bauelemente mit bishernicht bekannter Leistungsfähigkeit zu produzie-ren und Medikamente mit hochgradig zielgerich-teter Wirkung bei Vermeidung unerwünschterNebenwirkungen zu entwickeln.Eine natürliche Form der Nanotechnologie istgleichsam durch die Evolution entstanden undin der Biologie allgegenwärtig. Proteine,Moleküle, die unsere Erbsubstanz beinhalten,oder auch Transportkanäle in der Zellmembranals wichtige biologische Funktionseinheiten

haben Abmessungen auf der Nanometerskalaund beziehen gerade hieraus ihre hoch-wirksame Funktion. Es ist daher nicht überra-schend, dass die Nanobiotechnologie alsSchnittbereich von Nano- und Biotechnologieals eine Disziplin angesehen wird, die schonkurzfristig besonders erfolgreich sein könnte.Allgemein geht es in der Nanobiotechnologiedarum, einerseits nanotechnologischeProdukte, wie etwa Nanopartikel, nanokompo-nierte Materialien oder zukünftig kompletteNanobauelemente zur Unterstützung biotech-nologischer Prozesse einzusetzen und anderer-seits darum, biologische Funktionseinheiten,wie etwa hochgradig funktionale Biomolekülezur Herstellung nanotechnologischer Produkteeinzusetzen.

Prof. Dr. U. HartmannFachrichtung Experimentalphysik, Universitätdes SaarlandesVorstandsmitglied NanoBioNet e.V.

Seite 8/9 // Die Natur als Vorbild


Die Natur bietet viele Anschauungsobjekte. AlsVorbild für neue Technologien nimmt derMensch gerne Strukturen, die die Natur imLaufe der Evolution entwickelt hat. Besonders bekannt geworden ist wegen desanmutigen Erscheinungsbildes die Lotus-pflanze mit dem schmutzabweisendenAbperl-Effekt auf der Oberfläche ihrer Blätter.Dieser Effekt, der sogenannte Lotus-Effekt, istkein zufälliges Begleitphänomen – er ist imLaufe der Evolution als Überlebensvorteil für diePflanze entstanden.Pflanzen sind von Natur aus unterschiedlichenVerschmutzungen ausgesetzt. Die meisten sindanorganischer Natur (verschiedene Stäube,Ruß), andere biologischen Ursprungs (z.B.Pilzsporen, Honigtau, Algen). Die anorganischen Stoffe haben gleich mehreremögliche negative Auswirkungen auf das leben-de Gewebe der Pflanze, beispielsweise einestärkere Erhitzung unter Sonneneinstrahlung,eine höhere Säurewirkung oder die Möglichkeitdes Verschlusses der Spaltöffnungen, über diedie Pflanze ihren Gasaustausch vollzieht.Des Weiteren spielen die organischen Partikel

wie Pilsporen, Bakterien oder Algen für diePflanzen eine wichtige Rolle. Sie können bei derPflanze zu Krankheiten oder Schäden an denBlattoberflächen führen.Der Lotus-Effekt bietet der Pflanze eine elegante Möglichkeit, sich dieser Probleme zuentledigen. Er verhindert, dass sich die Stoffeauf der Oberfläche überhaupt erst festsetzenkönnen. Der Regen wäscht die Sporen ab, undsollte es einmal längere Zeit nicht regnen, fehltden unerwünschten Besuchern das nötigeWasser, um zu keimen.Wie geht diese „biologische Reinigung“ genauvor sich? (Abb: Der Lotus-Effekt)

Im Prinzip besitzen alle pflanzlichenOberflächen (außer Wurzeln) den gleichenAufbau: Die äußerste Zellschicht (Epidermis) istvon einer Cuticula bedeckt, die aus einemPolymergerüst besteht. Darin sind Gemischeverschiedener Lipide eingelagert, die wir auchals „Wachse“ bezeichnen. Diese Wachsemachen die Cuticula wasserundurchlässig, die

Durchlässigkeit für Wasserdampf schränken sieweitgehend ein. Sie liegen in kristalliner Formvor und sind häufig makroskopisch als weiß-licher, abwaschbarer Belag erkennbar, so beispielsweise bei Weintrauben. Im elektronen-mikroskopischen Bild werden fantastisch an-mutende Mikro- oder Nanostrukturen sichtbar,

Rastersondenmikroskopische Aufnahme

eines Lotusblattes

Die Natur als Vorbild

die für bestimmte Pflanzenblätter charakteri-stisch sind. Die Blätter von Pflanzen unterscheiden sicherheblich hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit. EinigeArten besitzen Blätter, die mit Flüssigkeitennicht benetzbar sind. Auf diesen Blättern istnicht nur die Adhäsion (=Anhaftung) vonWasser an der Oberfläche verringert, sondernauch die von Schmutz.Rollt nun ein Wassertropfen über die lose auflie-genden Schmutzpartikel hinweg, bleiben diesean der Tropfenoberfläche haften. Der Tropfenreißt die Partikel mit und entfernt sie vom Blatt.Viele Menschen glauben, je glatter dieBeschaffenheit einer Oberfläche, desto leichtersei sie zu reinigen. Wenn man jedoch dasLotusblatt unter dem Rasterelektronen-mikroskop betrachtet, sieht man „unebene“Wachskristalle, die die Blattoberfläche eigent-lich rau machen. Mit bloßem Auge können wirdie Kristalle nicht sehen, und fühlen können wirsie auch nicht. Unbenetzbarkeit ist grundsät-lich immer mit einer Mikro- oder Nano-strukturierung der Oberfläche verbunden.

Die physikalische Ursache von Unbenetzbarkeitist das Verhältnis der Grenzflächenspannungenvon Wasser zu Luft, von Wasser zu Festkörperund von Festkörper zu Luft. Die jeweiligeKonstellation der Verhältnisse untereinanderbestimmt den Kontaktwinkel des Tropfens zumFestkörper. Nach der physikalischen Definitionist eine Oberfläche dann hydrophil (benetzbar),wenn der Kontaktwinkel zum Tropfen kleiner als90 Grad ist. Ist er größer als 90 Grad, so ist dieOberfläche hydrophob (unbenetzbar). Bei völliger Benetzbarkeit – hier beträgt derKontaktwinkel 0 Grad – bildet das Wasser einenmonomolekularen Film auf der Festkörper-oberfläche. Bei einem Kontaktwinkel von 180Grad, der in der Natur nicht vorkommt, würdeein Tropfen die Festkörperoberfläche theore-tisch nur an einem Punkt berühren. Für glattewasserabstoßende Oberflächen (Teflon!) liegtder maximale Kontaktwinkel bei 120 Grad. Wenn hydrophobe Oberflächen rau sind, wirdder Kontaktwinkel größer und die Benetzbarkeitkleiner. Hier kann der Kontaktwinkel 170 Grad

Der Lotus-Effekt (Foto: Nees-Institut

für Biodiversität der Pflanzen, Prof. Dr. Wilhelm

Barthlott, www.botanik.uni-bonn.de)


erreichen. Diese Oberflächen bezeichnet manals superhydrophob. Ein Wassertropfen kannauf diesen mikrorauen wasserabstoßendenOberflächen nicht spreiten. Aufgrund seinereigenen Oberflächenspannung zieht er sich zueiner Kugel zusammen. Die Blattoberflächeberührt er dadurch nur an wenigen Stellen. DieAdhäsion (Haftungskräfte), die einen Tropfenauf der Blattoberfläche halten, werden auf einMinimum reduziert. Das ermöglicht es demTropfen, bereits bei der geringsten Neigung derOberfläche über das Blatt hinwegzurollen.(Abb: Wassertropfen auf einem Blatt mit starker Tropfenbildung)

Es gibt neben dem Lotus noch zahlreiche an-dere Pflanzen, etwa die Seerose, der Kohl, derFrauenmantel oder die Kapuzinerkresse, dieüber solche hydrophoben Blattoberflächen ver-fügen. Ein ähnliches Phänomen findet manauch in der Tierwelt. Der gemeine Mistkäfer bei-spielsweise verfügt über eine Easy-to-Clean-Oberfläche. Bekanntlich leben diese Tierchen inMist- oder Erdhaufen, also in der unmittelbarenUmgebung von Ausscheidungen anderer Tiere.Man kann mit Fug und Recht behaupten: Die

Mistkäfer leben in einem nicht gerade reinli-chem Umfeld. Es wimmelt dort von tausendenund abertausenden Mikroorganismen, die denMistkäfer mit Vorliebe schädigen würden. Daswürde ihnen auch beinahe gelingen, denn seinesteifen und kurzen Beinchen und sein starresExoskelett machen den Mistkäfer ungelenk. Erhat keine Chance, seinen Panzer zu säubern.Doch die Evolution wollte es anders: Sie hatdem kleinen Krabbler die Fähigkeit verliegen,trotz seines unsauberen Lebensraums sauberzu bleiben. Und das funktioniert mit Hilfe derNanotechnologie. Betrachtet man die Ober-fläche seines Panzers durch ein Elektro-nenmikroskop, so stößt man auf eine perfekte

Oberfläche des Mistkäfers in verschiedenen

Vergrößerungen (Sarastro GmbH, Göttelborn)



Nanostruktur. Zusammen mit einem wachsarti-gen Sekret hat sich der Mistkäfer eine Easy-to-Clean-Oberfläche geschaffen, an der Schmutzund andere Mikroorganismen nicht anhaftenkönnen. Weitere Beispiele für das Vorkommenvon „Nano-Oberflächen“ in der Tierwelt findetman bei Insektenflügeln, z.B. bei Libellen oderSchmetterlingen.(Abb: Oberfläche des Mistkäfers)

Forscher versuchen, die Eigenschaften der inder Natur vorkommenden Oberflächen nachzu-bauen und zu kopieren, indem sie eine ähnlichephysikalisch-chemische Struktur realisieren und – um den gewünschten Effekt noch zu verstärken – modifizieren und weiterentwickeln.Aus diesen Forschungsansätzen entstan-den Beschichtungsmaterialien mit multifunktio-nalen Oberflächen: Die Beschichtung, die auf ein Material aufge-bracht wird, ist meist nur wenige Nanometerdick ist und besteht grundsätzlich aus einerorganischen und anorganischen Komponente.Als anorganische Matrix werden meist Silizium-, Zirkon-oderTitandioxid eingesetzt, die

Zusammensetzung einer Nanobeschichtung

(Grafik: Sarastro GmbH, Göttelborn)

Wassertropfen auf einem Blatt

mit starker Tropfenbildung

(Foto: Nees-Institut für Biodiversität der

Pflanzen, Prof. Dr. Wilhelm Barthlott,

www.botanik.uni-bonn.de)


nehmen wie einen Schatz – sie lassen es sichpatentieren und sind so zumindest für eineZeitlang vor Nachahmern geschützt. MitNanobeschichtungen kann man heute viele verschiedener Effekte erzielen. Die Grafik zeigt,in welchen Bereichen die neue Technologiebereits Anwendung findet.

Es soll hier auf die Möglichkeiten des Korrosions-schutzes auf antimikrobiellen Oberflächen (beimedizinischem Geräten, Implantaten, Sanitär-einlagen, Haushaltsgeräten etc.) hingewiesenwerden. Auch Oberflächen, die ein Zell-wachstum von eukariontischen Zellen fördernoder hemmen, sind bereits im Einsatz. Eineneuere Entwicklung sind Release-Systeme.Hierbei handelt es sich um Materialien, die nurunter besonderen Umständen einen gespei-cherten Stoff abgeben. Hierbei kann es sich

in die organische Matrix (zum BeispielAlkohole) eingebunden werden. Zusätzlich können je nach Anforderungen Nanopartikel indie Matrix eingebracht werden.(Schaubild Seite 11: Zusammensetzung einer Nanobeschichtung)

Nanopartikel stellen ein Gebilde in derGrößenordnung zwischen isolierten Atomenund einem Festkörper dar, was neue und unge-wöhnliche chemische, physikalische oder biolo-gische Eigenschaften mit sich bringt. So sinddiese Teilchen beispielsweise nicht mehr in derLage, das sichtbare Licht zu streuen – sie sindzu klein.Die Partikel spielen in pharmazeutischenWirkstoff-Positionierungssystemen, in der Produktionvon Dispersionsfarben und Kosmetika oder in derOptimierung von Katalysatoren bereits heuteeine wichtige Rolle.

Zunächst erscheint dieses System nicht sonder-lich komplex. Der Schlüssel zum Erfolg ist diegenaue Zusammensetzung der Stoffe, die jenach Mischungsverhältnis bestimmt, welcheEffekte man erzielen kann. Dieses Wissenhüten Forschungseinrichtungen und Unter-


Beschichteter Koronarstent


beispielsweise um ein Medikament handeln, dass nurunter bestimmten Bedingungen an einen definiertenWirkort abgegeben wird oder um „intelligente“ Textilien,die Duftstoffe nur dann abgeben, wenn sie mitKörperschweiß in Berührung kommen. Auf einige der in der Grafik genannten Effekte wird inden Versuchen im Detail eingegangen.(Grafik: Beispiele für Effekte in der industriellen Anwendung)

Weitere Entwicklungen mit Nanopartikeln beschränkensich nicht nur auf den Einsatz an „Oberflächen“, siegehen in den Wirkstoff hinein. Diese Technik ist beiProthesen schon im Einsatz. Bei Drug-Delivery-Systemen oder Solar- und Brennstoffzellen könnenNanopartikel selbst Transport- oder Wirkstoffe sein.

Beispiele für Effekte in der industriellen Anwendung

Seite 14/15 // Herstellungsprozess

Die Herstellung größerer Mengen von Partikelnmit Durchmessern im Nanometerbereich in definierter Größe und Aufbau ist eine großeHerausforderung für die Werkstoffchemie. Esgibt verschiedene Methoden, Nanopartikel zuproduzieren. Man unterscheidet im wesentli-chen die WCS (Wet Chemical Synthesis), dieCVS (Chemical Vapor Synthesis) und die IGC(Inert Gas Condensation). Unter den nasschemischen Verfahren zurHerstellung ragt der Sol-Gel-Prozess heraus.Hierbei können Nanopartikel in-situ durch chemische Synthese entstehen. Der Prozessberuht darauf, dass aus einer flüssigenStoffmischung (Sol) durch chemischeReaktionen ein amorphes Netzwerk entsteht,das nach Abschluss der Reaktion einen parti-kulären Festkörper (Gel) hervorbringt, denNanopartikel eben. Als Sole werden kolloidale Lösungen bezeich-net, bei denen ein fester oder flüssiger Stoff infeinster Verteilung in einem flüssigen oder gas-förmigen Stoff dispergiert ist. Ein Sol entstehtbeispielsweise bei der Kondensation vonMetallalkoxiden in wässrigem Medium. Die fort-

laufende Kondensation unter Alkoholabspaltungführt zu einem sphärischen Anwachsen derPartikel, die sich ab einer Größe von etwa 70Nanometern auf Grund der Lichtstreuung anden Partikeln (Tyndall-Effekt) nachweisen las-sen. Das gesamte System ist flüssig oder fließ-fähig. Die Partikel liegen im inkohärentenZustand vor, was bedeutet, dass sie sich nichtberühren. Durch einen als Gelierung bezeichne-ten Vorgang können Sole in Gele übergehen.Die Partikel wachsen weiter, bis sie sich berüh-ren und durch weitere Kondensation miteinan-der vernetzen. Letztlich bildet sich dabei einefeste Phase aus, die mit einer flüssigen Phasedurchdrungen ist. Als Gele werden formbestän-dige, leicht deformierbare, an Flüssigkeit reichedisperse Systeme bezeichnet, die aus einemfesten, unregelmäßigen dreidimensionalenNetzwerk und einer Flüssigkeit bestehen. Wirdden Gelen durch eine bestimmte Behandlung,etwa durch Verdampfung im Vakuum, dieFlüssigkeit entzogen, erhält man so genannteXerogele. Dabei wird das räumliche Netzwerk

Die Herstellung von Nanopartikeln am Beispiel des Sol-Gel-Prozesses

Herstellungsprozess

der festen Phase in der Weise verändert, dassdie Abstände zwischen den Strukturelementenabnehmen und die Netzwerkstruktur weitge-hend zerstört wird. Durch geschickte Wahl derTrocknungsparameter können Gele aber auchunter Erhalt des porösen Netzwerks von derflüssigen Phase befreit werden. Dabei entste-hen Aerogele, Feststoffe mit extrem niedrigerDichte.Durch die Variation der Zusammensetzung undder daraus resultierenden Struktur des sich bil-denden Netzwerks können maßgeschneiderteBeschichtungsmaterialen hergestellt werden,die eine definierte funktionelle Eigenschaftbesitzen. Als nanopartikuläre Stoffe werden oftSilber, Aluminium oder Titan eingesetzt.

Der Sol-Gel-Prozeß wird wegen dieser vielfälti-gen Anwendungen im Bereich Synthese undProcessing keramischer Materialien seit länge-rem intensiv untersucht. Eine breite technischeAnwendung erfährt er bereits seit geraumer Zeitfür die Herstellung hochreiner Gläser und

kristalliner Oxidkeramiken aus Metall-Alkoxiden.Höhere Reinheit und Homogenität der kerami-schen Produkte sowie niedrigere Prozess-temperaturen stellen die wichtigsten Vorteiledes Sol-Gel-Prozesses dar.

Fazit: Die Nanotechnologie ist unter wirtschaftli-chem Aspekt von größtem Interesse, denn dieVerfahren können in vielen Bereich eingesetztwerden, sei es in der Lebensmittel-, Umwelt-,Textil-, Pharma-, Medizintechnik- oderAutomobilindustrie.

Seite 16/17 // Versuch 1

Einleitende Experimente zum Lotus-Effekt® ohne Materialien dieses Koffers

Wasser auf hydrophilen Oberflächen

verschiedene Papiersorten (Hochglanzpapier,Schreibmaschinenpapier, Filterpapier), Lineal, Pipetten

Die Schüler lassen Wassertropfen möglichst gleichen Volumens(Pipetten benutzen!) auf Papier verschiedener Struktur tropfen. Der Tropfen- bzw. Wasserfleckdurchmesser wird gemessen.

Je glatter die Oberfläche des Papiers ist, desto geringer ist derDurchmesser des Tropfens, und desto größer ist seine Wölbung. Das Filterpapier saugt den Wassertropfen vollständig auf. Auf demHochglanzpapier ist der Tropfendurchmesser minimal, die Wölbungmaximal.

Die hydrophilen Zellstofffasern üben Adhäsionskräfte auf das Wasseraus, die umso größer sind, je größer ihre Oberfläche ist (oder je rauerdie Oberfläche des Papiers ist). Daher breitet sich der Wassertropfenüber eine mehr oder weniger große Fläche aus.

Versuch 1

Material

Durchführung

Beobachtung

Erklärung

Einleitende Experimente zum Lotus-Effekt

Lotus Habitus

Wasser auf hydrophoben Oberflächen

Verschiedene frische Blätter (Gras, Kapuzinerkresse, Kohlrabi), Pipette, Lupe (8x) oder StereolupeHinweis: Die Oberfläche der Blätter soll beim Pflücken und Transportmöglichst nicht beschädigt werden.

Wassertropfen werden mit einer Pipette auf die Blätter gegeben. GanzeBlätter oder Blattteile werden in einer kleinen Glaswanne untergetaucht(ggf. mit Objektträgern seitlich beschweren).

Die Tropfen kugeln sich extrem ab. Unterhalb des Tropfens ist mit einerLupe eine silbrige Schicht zu erkennen. Diese wird noch deutlicher,wenn das Blatt als Ganzes untergetaucht wird. Das Wasser läuft beimHerausnehmen ab, ohne die Oberfläche der Blätter dauerhaft zu be-feuchten. An Grasblättern kann man erkennen, dass einzelne Tropfensich dort rückstandsfrei lösen, wo der Spiegeleffekt am deutlichsten ist,während an manchen Stellen Wasserspuren zurückbleiben.

Zwischen den Mikrostrukturen der Blattoberflächen wird Luft einge-schlossen. An der Grenzfläche von Wasser und Luft entsteht durchTotalreflexion des Lichts ein Spiegeleffekt. Wegen der geringen Kontaktflächen zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen sind dieAdhäsionskräfte gering, ein Wassertropfen perlt nahezu vollständig von der Blattoberfläche ab. Die Gestalt des Tropfens ist überwiegenddurch die Oberflächenspannung des Wassers bestimmt.

Versuch 2

Material

Durchführung

Beobachtung

Erklärung

Wasser auf hydrophilen Oberflächen

Abperl-Effekt

Werkstoff ohne (links) und mit (rechts) Lotus-Effekt

Versuch 2



Zerstörung der Mikrostrukturen der Blattoberfläche

siehe Versuch 2

Wie Versuch 2, aber die Blattoberflächen werden zuvor partiell durchAbreiben mit einem Tuch oder Wattestäbchen beschädigt.

An den beschädigten Stellen ist kein Spiegeleffekt zu beobachten. Die Wasserabstoßung ist aufgehoben. Tropfen haften an derBlattoberfläche, obwohl ihre chemische Natur sich nicht geändert hat.Die Blattoberflächen sind benetzbar geworden.

Die intakten Mikrostrukturen sind für die Unbenetzbarkeit der Ober-fläche verantwortlich. Werden sie zerstört, so haftet das Wasser wegen der größeren Adhäsionskräfte auch an sonst hydrophobenOberflächen.

Versuch 3

Material

Durchführung

Beobachtung

Erklärung

Zerstörung der Mikrostrukturen der Blattoberfläche

Rastersondenmikroskopische

Aufnahme eines Lotusblattes

Selbstreinigung eines Blattes (hydrophile Verschmutzung)

Blätter von Gras, Kapuzinerkresse, Kohlrabi; Lehmstaub (fein zerriebener Gartenlehm)

Auf die Blätter wird Lehmstaub gegeben. Anschließend wird mit einerPipette ein einzelner Wassertropfen auf diese verschmutzte Ober-fläche gesetzt und das Blatt geneigt, so dass der Tropfen abrollt.

Die Lehmpartikel werden in den Wassertropfen aufgenommen. DerTropfen hinterlässt eine saubere Spur auf dem verschmutzten Blatt.

Die hydrophilen Lehmpartikel werden vom Tropfen aufgenommen, da ihre Adhäsion zur Blattoberfläche geringer ist als die Adhäsion zum Wasser. Erst wenn der Tropfen mit Lehm gesättigt ist, kann erkeine Reinigungswirkung mehr ausüben. Dann bleiben die übrigenLehmpartikel auf der Blattoberfläche zurück. In der Natur ist dieserLotus-Effekt verantwortlich dafür, dass Blattoberflächen fast immersauber sind (wenngleich es deutliche Unterschiede im „Reinigungs-verhalten“ gibt, die auf unterschiedliche Grade der Unbenetzbarkeit der Oberflächen zurückgehen). Eine unverschmutzte Blattoberflächebewahrt ihre volle Funktionsfähigkeit zu Photosynthese und Gas-austausch. Darüber hinaus wird die Anhaftung von pathogenenPilzsporen erschwert.

Versuch 4

Material

Durchführung

Beobachtung

Erklärung

Selbstreinigung eines Blattes

Der Lotus-Effekt

(Foto: Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen,

Prof. Dr. Wilhelm Barthlott, www.botanik.uni-bonn.de)

Versuch 4



Selbstreinigung eines Blattes (hydrophobe Verschmutzung)

Blätter wie in Versuch 4; Ruß

wie Versuch 4, aber Verunreinigung mit Ruß Vorsicht: Verschmutzungsgefahr von Haut und Kleidung!

Reinigung der Blattoberflächen wie in Versuch 4, bei genauerBeobachtung zeigt sich, dass die Rußpartikel die Oberfläche des Tropfens bedecken.

Die hydrophoben Partikel liegen auf den Spitzen der Mikrostrukturen(Wachskristalle), und daher sind die Adhäsionskräfte gering. Die Adhäsionskräfte zwischen Wassertropfen und Rußpartikeln sindgrößer, die hydrophoben Partikel haften am Tropfen und werden vonder Blattoberfläche entfernt.

Versuch 5

Material

Durchführung

Beobachtung

Erklärung

Selbstreinigung eines Blattes

Abperl-Effekt

Versuche mit NanoTools

Seite 22/23 // NanoTool 1

Behandlung von Keramik oder Glas mit einer Easy-to-Clean-Beschichtung

Pumpflasche NanoTool 1 für Glas oder KeramikGrundreiniger, Schwamm, Filztuch

Keramik (z.B. Badfliese) oder Glas (z.B. Fensterscheibe oder Spiegel)Das Material darf nicht schon beschichtet sein. Insbesondere bei ei-nigen kommerziellen Keramiken muss/kann damit gerechnet werden.

Enthält 2-Propanol (Gefahrensymbol F, Xi) und Ethanol(Gefahrensymbol F): kann Augen reizen, Dämpfe könnenBenommenheit verursachen, leicht entzündlich. Vorsichtsmaßnahmen:Explosionsbegrenzung und persönliche Schutzausrüstung. Falls vorhanden ist ein Abzug zu verwenden.

Keramik oder Glas mit dem mitgelieferten Grundreiniger (dieser ist vor Gebrauch gründlich zu schütteln) voreinigen. Hierzu Schwammbenetzen und über die zu behandelnde Fläche reiben.Sofort danach den Reiniger mit dem Fliestuch kräftig abreiben.Fläche mit Pumpflasche NanoTool 1 für Glas oder Keramik besprühenund mindestens 3 Stunden bei Zimmertemperatur oder unter zu Hilfenahme eines elektrischen Haartrockners trocknen lassen.Ausreichende Trockenzeit ist unbedingt erforderlich! Es bildet sich ein weißer Belag auf der beschichtenden Stelle aus.Dieser ist mit dem Fliestuch abzupolieren, bis die Fläche wieder klarist. Geht dies sehr leicht, war die Trockenzeit zu kurz!Zum Sichten des Effektes verschiedene Flüssigkeiten auf behandelteund unbehandelte Fläche aufbringen, z.B. mit der mitgelieferten Pipette.

NanoTool 1

Materialien

zusätzlich erforderlich

Sicherheitshinweise

Durchführung

Behandlung von Keramik oder Glas mit einer Easy-to-Clean-Beschichtung

NanoTool 1

Auf der behandelten Fläche läuft Wasser sichtlich leichter ab; Stoffe haften wesentlich schlechter daran. Eine Tropfenbildung ist festzustellen.

Eine Modifizierung von vernetzbaren Nanopartikeln mit wasserab-weisenden Molekülketten führt nach Applikation und Härtung zu abriebfesten Schichten mit erniedrigter Oberflächenenergie. Durch die Kontaktfläche des Tropfens auf der fest fixierten Oberflächekommt es zwischen den Atomen der Oberfläche und denen desWassers zu Wechselwirkungen. Die Anziehungskräfte zwischen denAtomen („van der Waals-Kräfte“) führen zu einer Reduzierung desRandwinkels und damit der Grenzflächenspannung. Durch die daraus resultierenden sehr glatten, wasserabweisendenOberflächen bildet sich ein Kontaktwinkel gegen Wasser von maximal120° aus. In der Praxis haben solche Oberflächen den Nutzen, dass auftretendeVerschmutzungen (z.B. Kalk) mit weniger Reinigungsmittel undwesentlich geringerem zeitlichen Aufwand gereinigt werden können.Achtung: Eine „Easy-to-Clean“-Beschichtung ist keine selbst-reinigende Oberfläche wie die bei der Lotuspflanze. Man kommt nichtumhin, auch diese Oberflächen hin und wieder zu putzen. Ein positiver Nebeneffekt bei der Verwendung von fluorierten Seiten-ketten im Beschichtungsmaterial ist eine Verminderung des Algen- undKeimbefalls an solchen Oberflächen.Einsatzgebiete für „Easy-to-Clean“-Beschichtungen sind heutzutageneben den bekannten Sanitär- und Fliesensystemen auch Fassaden-elemente (Graffitischutz) oder Bodenplatten (temporäre Imprägnierunggegen Algenbefall).

Beobachtung

Erklärung und technischeNutzbarkeit

Der „Easy-to-Clean“Effekt

unbeschichtet beschichtet


Behandlung von Holz oder Stein mit einer hydrophoben Beschichtung(Abperleffekt / Anti-Graffiti)

Pumpflasche NanoTool 2 für Holz oder Stein

Unbehandelte Holz- oder Steinwerkstoffe (auch saugfähiger Beton)Flüssigkeiten oder Graffiti-Farbe

Wässrige Lösung enthält aminoalkyl- und fluoroalkylgruppenhaltigePolysiloxane und Hydroformiate (Xi, R-Sätze 36/37/38; S-Sätze: 26-36) und Ameisensäure (C; R-Sätze: 36/37/38 S-Sätze: 26-36). Das Produkt enthält mindestens einen hautresorptiven Stoff.Produkt ist selbst nicht brennbar, es können aber im Brandfall durchthermische Zersetzung gefährliche Gase und Dämpfe entstehen(Stickoxide, Kohlendioxid, Chlorwasserstoff).Beim Umgang Schutzbrille, Kittel und Schutzhandschuhe tragen.Dämpfe / Aerosole nicht einatmen. Bei der Verwendung für guteDurchlüftung sorgen. Abzug verwenden!Lagerung des Produktes zwischen 15 und 25°C, vor Frost schützen.

Man nimmt einen offenporigen bzw. saugfähigen Untergrund aus Holzoder Stein, der unbehandelt ist. Die zu behandelnde Oberfläche musstrocken und sauber sein, anhaftende lose Verunreinigungen müssenentfernt werden. Der Untergrund ist nun mit NanoTool 2 satt zubesprühen.

NanoTool 2

Materialien


Sicherheitshinweise

Durchführung

Behandlung von Holz oder Stein mit einer hydrophoben Beschichtung

NanoTool 2

Erst nach vollständiger Trocknung kann die Lösung ihre volle Wirkungentfalten. Die Trocknungszeit liegt je nach Temperatur (keine Erhitzungüber 40°C!!) zwischen 4 und 6 Stunden.Nun kann die beschichtete Oberfläche mit verschiedenen Flüssigkeitengetestet werden. Zum Beispiel Schmutzwasser, Kaffee, Limonade ect.Sollen Fassadenfarben getestet werden, ist Vorsicht geboten. Es gibteinige Farben (z.B. auf Acrylbasis), welche sogar auf der Beschichtunghaften können!

Man beobachtet einen Abperleffekt mit einer deutlichen Tropfenbildung.

Es wurde beobachtet, dass nicht eine ultraglatte Oberfläche für einenselbstreinigenden Effekt optimal ist, sondern dass nur eine gewisseStruktur in der Oberfläche eine vollständige Reinigung mit bewegtemWasser erlaubt. Die Erklärung für diesen Effekt liegt, ähnlich wie beimEasy-to-Clean-Effekt, in der Anordnung der einzelnen Atome. Das Wasser hat aufgrund seiner Oberflächenspannung das Bestreben,sich zu einer Kugel (mit mininaler Oberfläche bei maximalem Volumen)zusammenzuziehen. Wie schon oben erläutert, wird dies durch die van der Waalschen-Kräfte auf glatten Oberflächen verhindert. Ist dieOberfläche nun aber wasserabweisend und zusätzlich strukturiert, wirddie Fläche der Wechselwirkungen auf ein Minimum begrenzt, wodurchdeutlich höhere Benetzungswinkel resultieren. Es bildet sich eineKugelform. Der Effekt kann vermindert werden, wenn die Strukturen zerstört oder verschlossen werden (mechanisch oder chemisch). So können Tenside oder Öle den Effekt zunichte machen.Einsatzgebiete für derartige Beschichtungen sind vorzugsweiseFlächen, die beregnet werden und keiner andauernden mechanischenBeanspruchung ausgesetzt sind. In Frage kommen neben Dachbau-stoffen Fassadenelemente oder Mauerwerke.

Beobachtung



Behandlung von Textilien mit einer hydrophoben/oleophoben Beschichtung

Pumpflasche NanoTool 3 für Textilien

Nicht bereits mit hydrophoben Schichten versehene Textilien.Ansonsten eignen sich besondere Textilien auf der Basis vonPolyester, weniger hingegen Seide oder Schurwolle.

Fluorhaltige Polymersuspension, Essigsäure < 2,5 % (C; R:10-35)Sprühnebel, Dämpfe und Aerosole nicht einatmen!Beim Umgang Schutzbrille, Kittel und Schutzhandschuhe tragen.Bei der Anwendung für Durchlüftung sorgen.

Die zu behandelnde Textilie muss trocken und sauber sein, anhaftendelose Verunreinigungen müssen entfernt werden. Die auszurüstendenArtikel müssen vor der Applikation gründlich gewaschen und gespültwerden, um alle Textilhilfs- bzw. Präparationsmittel (z.B. Netz- undGleitmittel) zu entfernen.Die Textilie ist nun mit NanoTool 3 zu besprühen. Vor Gebrauch schütteln! Die Wirkkomponente wird so aufgetragen, dass sich eindünner, gleichmäßiger Nassfilm auf der Substratoberfläche bildet. Die Trocknung erfolgt bei Raumtemperatur (mindestens 1 Stunde bzw.bis sich das Material trocken anfühlt) oder durch thermische Trocknungbis 160°C im Umluftrockenschrank.Erst nach vollständiger Trocknung kann die Lösung ihre volle Wirkungentfalten.

NanoTool 3

Materialien


Sicherheitshinweise

Durchführung

Behandlung von Textilien mit einer hydrophoben/oleophoben Beschichtung

NanoTool 3

Nun kann die beschichtete Oberfläche mit verschiedenen Flüssigkeitengetestet werden.

Die meisten Flüssigkeiten perlen von der Oberfläche ab und werdenvon der Textilie nicht aufgesaugt.

Es handelt sich um eine Imprägnierung für Textilien und Papier zurHydrophobierung (wasserabweisende Eigenschaft) und Oleopho-bierung (ölabweisende Eigenschaft). Die Produkte bilden einen nahe-zu unsichtbaren, nur wenige Nanometer dicken Oberflächenfilm um die Fasern. Durch den Hydrophobierungseffekt wird die Durchfeuch-tungsgeschwindigkeit bei Wassereinwirkung behandelter Textilien oderPapier und die Menge an Rückständen nach einer Verschmutzung z.B. mit Ruß, Kaffee oder Rotwein erheblich reduziert.

Erste serienmäßige Textilien verschiedener Hersteller sind bereits mit einem derartigen Schutz ausgestattet. Besonders interessant istdie Beschichtung für Outdoor-Stoffe oder Stoffe, die dauerhaft derWitterung ausgesetzt sind (Markisen, Schirme etc.).

Beobachtung



Zauber-Tinte (Antibeschlag-Beschichtung)

Schraubdeckelflasche NanoTool 4 „Zaubertinte“, Pinsel

Unbehandeltes Glas oder Spiegel

Enthält 2-Propanol und ist daher leicht entzündlich.Von Brennquellen fernhalten.

Schraubdeckelflasche vor Gebrauch kräftig schütteln.Mitgelieferten Pinsel zart befeuchten. Auf das Glas oder den Spiegel hauchdünn eine Nachricht schreiben oder etwas malen.Ein paar Minuten warten, um die Lösung trocknen zu lassen.Die Fläche „anhauchen“.

Mit „Anti-Fog“-Beschichtungen lassen sich auch der Badezimmer-spiegel, Brillen oder das Helmvisier vom Motorrad beschichten.Auch mit der hier vorliegenden Substanz kann das versucht werden,wobei ein Aufpolieren empfohlen wird. Industrielle Beschichtungen, die im Produktionsprozess aufgetragen werden, weisen einen besse-ren Effekt, eine erhöhte Haltbarkeit und Abriebfestigkeit auf.

Durch den Atem beschlägt die Scheibe; dort wo etwas geschriebenoder gemalt wurde, beschlägt nichts. Das Bild ist Tage und Wochen sichtbar, solange das Glas nicht geputzt wird (keine mechanische Beständigkeit).

NanoTool 4

Materialien


Sicherheitshinweise

Durchführung

Nebenversuch

Beobachtung

Zauber-Tinte (Antibeschlag-Beschichtung)

NanoTool 4

Während alle Effekte, die bisher diskutiert wurden, auf einer hydro-phoben Wirkung beruhen, nutzt diese Beschichtung eine hydrophileWirkung: Die Lösung bildet auf der Oberfläche des Glases eine Nano-schicht aus, die so hydrophil ist, dass die ankommenden Wasser-tröpfchen des Atems maximal „gespreitet“ werden. Es kann sich so nur ein hauchdünner Film an Wassermolekülen auf der Glasober-fläche „halten“, der aber nicht sichtbar ist und das einfallende Lichtnicht behindert. Die Glasfläche beschlägt nicht (anti-fogging-Effekt).

Ein solches System wird bereits serienmäßig in Autoscheinwerfern,Spiegeln oder bei medizinischen optischen Geräten, die vor Beschlaggeschützt werden müssen (z.B. Endoskope, Sonden etc.), verwendet.



Brandschutz für Papier

Pumpflasche NanoTool 5 für Brandschutz von Pappe und Papier

Papier, Feuerzeug oder Streichholz

Wässrige Lösung aus stickstoff- und phosphathaltigen Verbindungen.Keine weiteren Lösungsmittel oder halogenhaltigen Verbindungen.Auch bei der Reaktion entstehen keine toxischen Gase bzw. halogen-haltigen Substanzen.Bei der Anwendung sind die für den Arbeits- und Unfallschutz geltenden Vorschriften und die im Umgang mit Chemikalien üblichenVorsichtsmaßnahmen zu beachten.

Saugfähiges Papier, Pappe o.ä. mit der Pumpflasche dünn besprühen.Dabei mindestens 10 cm Abstand zum Objekt halten.Das Papier vollständig trocknen lassen. Mit einem Feuerzeug versuchen, das Papier zu entzünden.

Bei der Beflammung entstehen inerte Gase, und es kommt zu einerVerkohlung des imprägnierten Materials. Es entstehen keine Flammen, und es gibt keinen Brand.

NanoTool 5

Materialien


Sicherheitshinweise

Durchführung

Beobachtung

Brandschutz für Papier

NanoTool 5


Die Wirkung der vorliegenden Lösung beruht primär nicht auf derAnwesenheit von Nanopartikeln, sondern auf chemischenUmsetzungen der Ammonium- und Phosphatverbindungen mitKohlenhydraten.

Papier, Pappe oder Holz besteht maßgeblich aus Cellulose, einemKohlenhydrat. Wird die Lösung auf das Papier aufgebracht und erhitzt,so bindet das Phosphat chemisch an das Kohlenhydrat und wandeltsich in Kohle um, aber ohne dabei zu brennen. Es bilden sichPhosphorsäureester, die sich thermisch zu Phosphorsäure undKohlenstoff zersetzen. Die Stickstoffverbindungen haben folgendeFunktion: Beim Erhitzen bildet sich Stickstoff-Gas (welches selbstunbrennbar ist) und verdrängt den am Brandherd benötigten Sauerstoff(ohne Sauerstoff keine Flamme).

Was hat das nun mit „Nano“ zu tun?

Für diesen „Kinderversuch“ arbeiten wir mit dem Feuerzeug undPapier. Bei den hier auftretenden Temperaturen müssen wir nochkeine Nanopartikel bemühen. Möchte man aber einen Brandschutz bis mehrere Tausend (!) Grad erzielen, gibt man einem solchenSystem zusätzlich anorganische Nanopartikel zu, um die Reaktionweiter zu katalysieren. Für Wände, Textilien oder Dachbalken kann soein effektiver Feuerschutz erzielt werden. Dies wird beim Brandschutzbereits vielfach eingesetzt.


NanoTool 6

Materialien

Sicherheitshinweise

Durchführung

Beobachtung

Antifingerprint-Blech

Antifingerprint-Blech

Blech, NanoTool 6 „Antifingerprint“

keine

Auf blank poliertem Metall hinterlassen Finger normalerweise deutliche Spuren. Ein Teil der Oberseite des Blechs ist bereits mit einer Antifingerprint-Nanobeschichtung versehen. Sie werden schnell herausfinden, welche Fläche das ist.

Auf der behandelten Fläche sieht man wesentlich schlechter Ver-unreinigungen, wie sie durch Schweiß oder Fett verursacht werden. Dies bedeutet freilich nicht, dass auf der beschichteten Fläche keinFett aufzubringen wäre. Wenn man genau hinschaut, sieht man jenach Lichteinfall, dass auch Fingerabdrücke auf der beschichtetenSeite schimmern. Wenn man das Blech abwischt, wird man feststellen, dass die be-handelte Seite wesentlich leichter zu reinigen ist.Im Verlauf der „Lebensdauer“ des Blechs wird sich zeigen, dass diebehandelte Seite weniger verkratzt ist und weniger korrodiert als derRest des Blechs.

NanoTool 6


Positiver Nebeneffekt

Um den Effekt zu verstehen, muss man zunächst wissen, warum Fettoder Öl so gut auf Metallen sichtbar ist. Hierfür ist der Brechungs-index des Fettes verantwortlich. Es bricht das auf das Blech einfallen-de Licht auf andere Art und Weise als dies z.B. bei Wasser oder ebenbei dem sauberen Blech geschieht. Deshalb sieht man die Fingerab-drücke auf dem Blech, und sie lassen es schmutzig und „abgegriffen“erscheinen.Wissenschaftler dachten sich eine faszinierende Lösung aus: Wennman das Blech mit einer Substanz beschichtet, die denselbenBrechungsindex wie Fett besitzt, dürfte man die Abdrücke nicht mehrsehen. Doch diese Überlegung war nicht gerade neu: Schon die Ritter haben genau dies mit ihren Rüstungen gemacht und sie mit Öleingerieben, um sie ansehnlich zu halten und sie vor Korrosion undSchmutz zu schützen.Nun möchte man aber heute das Metall nicht dauernd mit Öl einreibenmüssen. Es wurde ein optimale Lösung gefunden: Auf das Blech wirdeine sehr dünne Schicht aufgetragen, die aus einem Polyesterlackund SiO2-Nanopartikeln besteht. Die optischen Eigenschaften werdenmithilfe der Nanopartikel so angepasst (eingestellter SiO2-Gehalt vonca. 70 %), dass der Brechungsindex dem des Öles identisch ist (Ähn-lichkeitsprinzip). Die Nanopartikel machen die Oberfläche kratzfester. Die industrielleAnwendung liegt nahe: Überall dort, wo Edelstähle als Werkstoffe mitHänden oder Ölen in Kontakt kommen, kann die Antifingerprint-Technologie Verwendung finden, z.B. bei der Automobilindustrie,beim Sanitär- und Haushaltsbedarf oder Maschinenbau.


NanoTool 7

Materialien


Sicherheitshinweise

Durchführung

Zusatzversuch

Beobachtung

Formgedächtniseffekt

Memorymetall

Memorymetall

Mitgelieferter Draht, NanoTool 7 „Memorymetall“

Feuerzeug oder Streichholz

Keine Gefährdungen

Verbiegen Sie den mitgelieferten Draht in eine beliebige Richtung.„Bewegen“ Sie den Draht dann über der Flamme eines Feuerzeugesoder einer anderen entsprechenden Wärmequelle. Hierbei darf dieTemperatur im Draht nicht über 80°C ansteigen, da sonst der Effektbeschädigt werden kann (deshalb nicht direkt in die Flamme halten).

Steht ein Wasserbad mit Thermometer zur Verfügung, kann man denfrei verbogenen Draht im Wasserbad fixieren und von Raumtemperaturausgehend das Wasserbad langsam erhitzen. Bei Verfolgen derTemperatur kann man mit Hilfe des Thermometers den Punkt ermitteln,bei dem der Draht in seine alte Form „zurückspringt“. Danach unbe-dingt weiteres Erhitzen einstellen.

Unabhängig davon, in welche Richtung der Draht zuvor gebogenwurde, nimmt der Draht beim Erhitzen immer wieder seine ursprün-gliche Form an, der Draht „erinnert“ sich an seine Soll-Form.

Es handelt sich hier um einen NITINOL-Draht. Als NITINOL werdennahezu alle stöchiometrisch zusammengesetzten Verbindungen ausNickel und Titan bezeichnet, die den sogenannten Formgedächtnis-effekt (Shape Memory) aufweisen. Dieser Effekt wurde Ende der fünf-ziger Jahre am Naval Ordnance Laboratory in den USA entdeckt.

NanoTool 7


Anwendungsgebiete

Die Basis für den Formgedächtniseffekt bildet eine martensitischeTransformation des Materialgefüges. Je nach den thermodynami-schen Randbedingungen – vor allem Temperatur und mechanischeSpannung – treten in Metallen zwei verschiedene Gefügestrukturenauf. Sie werden als Martensit (Niedertemperaturphase) und Austenit(Hochtemperaturphase) bezeichnet.

Die Gefügeumwandlung geschieht nicht durch Diffusion einzelnerAtome, sondern hauptsächlich durch die Verschiebung von Atom-gruppen, also einer Bewegung in der Nanometerebene.

Neben dem Erhalt der Nachbarschaftsverhältnisse zwischen denAtomen und der Verzwillingungsmöglichkeit der Martensitstruktur istein weiterer Grund für die Reversibilität der Umwandlung die Tat-sache, dass nur sehr geringe elastische Spannungen auftreten, diepraktisch keine irreversiblen plastischen Verformungen durch Ver-setzungsbewegung bewirken. Die mikroskopischen Vorgänge des Formgedächtniseffektes sind schematisch in nebenstehenderAbbildung dargestellt.

Medizintechnik (z.B. Gefäßimplantate, Führungsdrähte, Nadeln etc.)Raum- und Luftfahrt (z.B. in Kampfflugzeugen als Verbindungs-elemente) Dentaltechnik (z.B. Zahnspange: Hier ist ein Nachspannen nicht mehr erforderlich.)

Automobilbranche (z.B. Automatikgetriebe: Hier hat die Feder dieFunktion, ein Ventil bei einer bestimmten Öltemperatur zu öffnen. Indiesem Fall konnte auf eine Elektronik verzichtet werden, was eineKostenersparnis mit sich bringt.)


NanoTool 8

Materialien

Sicherheitshinweise

Durchführung

Beobachtung


Farbreaktion durch Fotokatalyse

Farbreaktion durch Fotokatalyse

Mitgelieferte Chemikalien: Titandioxid (Rutil- und Anatasmodifikation),Murexid-Farbstoff, 2 leere Rollrandgläser (50 ml), Spatel, Kunststoff-Pipette

Sorgfältiger Umgang mit Titandioxid und Murexid. Geringste Mengendieser Verbindungen verursachen starke Verfärbungen. Deshalb Hand-schuhe, Schutzbrille und Kittel tragen.

Beide Rollrandgläser (bitte beschriften!) werden je zu einem Viertel mitWasser gefüllt. In eines der Gläser gibt man eine Spatelspitze Rutil, indas andere die gleiche Menge an Anatas. Damit keine Verschleppungdurch den Spatel entsteht – diesen nach jedem Arbeitsgang reinigen!Gläser verschließen und schütteln, bis sich eine gleichmäßig weißeMischung gebildet hat. Anschließend gibt man zu jeder Mischung einewinzig-kleine Menge (1/8 Spatelspitze) des Farbstoffs Murexid undschüttelt erneut, bis sich die Mischung zartrosa eingefärbt hat. Mit derPipette füllt man die beiden Deckel der Rollrandgläser mit den jeweili-gen Mischungen und stellt sie nun für mehrere Stunden in die Sonne.Die Reaktionszeit ist abhängig von der Intensität der UV-Einstrahlungund der Menge des verwendeten Murexid.

Im durchgeführten Versuch bewirkt nur die Anatas-Modifikation desTitandioxids eine Entfärbung des Farbstoffs Murexid. Der Rutil zeigtdagegen keine Reaktion mit Murexid.

Titandioxid ist heute das wichtigste weiße Pigment und findet eine viel-fältige Anwendung, z.B. in Farben und in Textilien. Aufgrund der Un-giftigkeit findet es auch vielfache Anwendung in Kosmetik wie etwa inLippenstiften, Cremes, Pudern und Sonnencremes mit extrem hohemLichtschutzfaktor.

NanoTool 8

Titandioxid liegt in zwei Formen vor: alsRutil und Anatas. Die beiden Modifika-tionen unterscheiden sich in ihrer Elektro-nenbandstruktur. Die Bandlücken-Energiebeträgt bei Anatas 3,2 eV (dies entsprichteiner UV-Wellenlänge von 388 nm) undbei Rutil 3,0 eV (dies entspricht einer UV-Wellenlänge von 413 nm).

Die Rutilform wird oft als Weißpigment in Wandfarben, Druckfarben und zurFärbung von Kunststoffen verwendet. Die Anatasform benutzt man bevorzugt in der Textilindustrie.In photokatalytischen Versuchen wird aufgrund der hohen Fotoaktivität ebensoam häufigsten TiO2 in der Anatas-Formeingesetzt. Bei der Fotokatalyse wird ein Katalysatorvom Licht angeregt, und die Umwandlungeiner Substanz wird ermöglicht.Titandioxid kann solche Prozesse bewir-ken, da es auf seiner Oberfläche eineSchicht von labilen Elektronen gibt. Wenndiese Elektronen von UVA-Strahlung(künstliche UV-Lampen mit Wellenlängenzwischen 320 und 400 nm oder dieSonne) angeregt werden und genügendEnergie aufnehmen, können sie ihre

2 Stunden

2 Tage

Plätze im Valenzband verlassen und ener-giereichere Stellen im Leitungsband beset-zen. Dadurch entstehen positiv geladene„Lücken“, sogenannte Valenzbandlöcher. Die Löcher sind in der Lage, mit Wasserzu sehr reaktiven Hydroxylradikalen (OH)zu reagieren. Die Löcher als auch die Hydroxylradikalesind sehr starke Oxidationsmittel, die inder Lage sind, die meisten organischenVerbindungen zu oxidieren. Diese bewirken in dem vorliegendenVersuch die Entfärbung des Lebensmittel-farbstoffs Murexid.Die fotokatalytischen Reaktionen des TiO2kann man sich zu Nutze machen, umKeime oder organische Moleküle (z.B.Ruß) oxidativ abzubauen, so dass dieOberfläche gereinigt und desinfiziert wird.Eingesetzt werden solche Titandioxide beispielsweise in der Wasseraufbereitung,um als Zugabe im Wasser oder als statio-näre Phase durch Einstrahlung von ultra-violetter Strahlung Bakterien und organi-sche Verschmutzung zu beseitigen.


NanoTool 9

Materialien


Sicherheitshinweise

DurchführungSchritt 1:

Schritt 2:

Eigenbau einer Solarzelle


Krokodilkabel, Taschenrechner, 6 beschichtete Glasplatten, 6 unbeschichtete Glasplatten, getrocknete Hibiskusblüten, Elektrolyt

möglichst weicher Bleistift, Büroklammern, Schale (100 ml genügen), Achtung! Es ist unbedingt ein Multimeter erforderlich! Optional: Föhn

Vorsicht ist beim Umgang mit dem Elektrolyten gegeben.Er enthält Jod. Bitte Schutzkleidung tragen!

Aufbau der „Plus“-Elektrode aus den durchsichtigen GlasplattenDie durchsichtigen Glasplatten müssen sauber und trocken sein. Sie können mit Wasser und einer Bürste gereinigt und danach gut getrocknet werden. Eine der Seiten besitzt eine elektrisch leitende (TCO) Oberfläche. Sie kann nicht mit dem bloßen Auge erkannt werden. Sie muss mitdem Multimeter bestimmt werden: Multimeter auf „Ohm“ stellen. Bei der nicht leitfähigen Seite wird ein unendlich großer Widerstandangezeigt. Bei der TCO wird ein Wert kleiner als ein Ohm angezeigt.Auf die elektrisch leitende Seite wird mit einem Bleistift Graphit ange-bracht. Die Glasoberfläche sollte dunkel und vollkommen eingeschwärztsein. Überflüssige Graphitteilchen können weggeblasen werden.

Einfärben der „Min“-ElektrodeA. EinfärbenDie beschichteten Glasplatten müssen mit der Titandioxidschicht nachoben weisend eingefärbt werden. Das Vorbereiten der Farbstofflösungdauert ungefähr 5 bis 15 Minuten. Dazu werden die getrockneten

NanoTool 9

Schritt 3:

Hibiskusblüten in einer Schale mit kochend heißem Wasser übergos-sen. Es muss genügend Flüssigkeit in der Schale sein, um die ange-fertigten Elektroden (Glasplatten) zu bedecken. Man erhält eine rot-vio-lette Farbstofflösung. Die Hibiskusreststoffe können in der Flüssigkeitbleiben und brauchen nicht gefiltert zu werden. Man benötigt nur etwadie Hälfte der getrockneten Hibiskusblüten für das Experiment. Der Rest kann für Wiederholungs-experimente verwendet werden.Die Farbstofflösung muss die Glasplatte vollkommen bedecken. Nach ungefähr fünf Minuten hat die Farbstofflösung die Titandioxid-schicht durchdrungen und diese rot-violett gefärbt.

B. Reinigen der Min-Elektrode vom RestfarbstoffVorsichtig wird der überflüssige Farbstoff mit Wasser abgespült.

C. Trocknen der eingefärbten Min-ElektrodeMit dem Föhn wird die nasse Elektrode getrocknet. Das Trocknen ander Luft ist auch möglich, dauert aber etwas länger. Die Elektrode isttrocken, wenn die Farbintensität schwächer erscheint.

Montage der SolarzelleFür jede Solarzelle werden zwei Büroklammern benötigt, die gemäßder Abbildung zu biegen sind. Weder dürfen die Büroklammern imungebogenen Zustand über die Platten geschoben werden (Splitter-gefahr), noch dürfen die Platten mit Tesafilm verklebt werden (UV-Abschirmung). Plus- und Min-Elektrode werden aufeinander gelegt.Die eingefärbte Titandioxidseite muss die mit Graphit beschichteteSeite berühren. Für den Anschluss der Kabel werden die Elektrodenversetzt montiert, so dass auf jeder Seite ein Rand für dasKrokokabel bleibt. Mit den zwei gebogenen Büroklammern könnendie Plus- und Min-Elektroden aneinander befestigt werden.


Schritt 4:


Die angefertigte Solarzelle kann mit einem Tropfen Elektrolyt aktiviertwerden, der sich durch die Kapillarwirkung automatisch zwischen diePlatten zieht. Während sich die Zelle mit Elektrolyt füllt, kann mit Hilfedes Multimeters der elektrische Strom (oder Spannung) gemessenwerden. Dazu werden die Krokokabel an die Plus- und Min-Elektrodeangeschlossen. Selbst in einem halbdunklen Raum können 60 mV mitder Zelle gemessen werden. Wird sie von einer Bürolampe beschie-nen, können leicht 150 mV erreicht werden. Bei optimaler UV-Ein-strahlung können leicht Spannungen bis 300 mV erreicht werden.

Reihenschaltung von mehreren SolarzellenWenn alle sechs Solarzellen mit Elektrolyt gefüllt sind, können diese inReihe geschaltet werden, um den Taschenrechner zu betreiben. Zudiesem Zweck werden die Solarzellen hintereinander gelegt. Die Min-Elektrode (eingefärbte Titandioxidseite) weist nach oben und wird mit Licht bestrahlt. Zuerst wird ein Krokokabel an die Plus-Elektrode(Graphitseite) angeschlossen und mit der Min-Elektrode der näch-sten Zelle verbunden. Das Anschließen wird wiederholt, bis alle sechsZellen in Reihe geschaltet sind.

Die Solarzellen sind richtig verschaltet, wenn sich an der Min-Elektro-de der ersten und der Plus-Elektrode der letzten Zelle kein Kroko-kabel befindet. Mit dem Multimeter kann man sehr leicht die Zunahmeder Spannung verfolgen. Je mehr Zellen in Reihe geschaltet werden,umso höher geht die Spannung. Bei guter Ausleuchtung und richtiger6-Zellen-Verschaltung werden Spannungen über 1,5 V erzielt. Die Min-Elektrode der ersten und die Plus-Elektrode der letzten Zelle könnenjetzt mit Krokokabeln an eine 1,5 V LED oder (für fortgeschrittenereBastler) an den mitgelieferten Solartaschenrechner angeschlossenwerden.

NanoTool 9

Werden die angefertigten Solarzellen kühl und dunkel gelagert, dannkönnen die Zellen mindestens eine Woche aktiv bleiben. Die Solarzellen sind funktionstüchtig, bis die Elektrolytflüssigkeit aus-getrocknet ist. Unter dem Wärmeeinfluss von starken Lichtquellen(Overhead-Projektor) werden die Solarzellen schneller austrocknen.Ausgetrocknete Zellen können mit einem Tropfen Elektrolyt wiederbe-lebt werden. Dies kann mehrmals wiederholt werden. Jedoch werdendie Zellen altern und mit der Zeit ihre Leistung verlieren.

Nachdem die Solarzellen demontiert sind, können die Plus- und Min-Elektroden wieder verwendet werden.Zum Entfärben werden die eingefärbten Elektroden in eine Schale(Petrischale) mit Wasser gelegt. Die gefärbte Schicht der Elektrodenmuss mit Wasser bedeckt sein. Danach die Schale einige Tage auf die Fensterbank stellen. Die Ultraviolettstrahlung des Tageslichts sorgtfür die Entfärbung, da die organischen Bestandteile des Farbstoffs oxidiert werden. Wenn die Titandioxidschicht weiß ist, kann dieElektrode aus dem Wasser genommen werden. Nach dem Trocknenmit einem Föhn können die Elektroden wieder eingefärbt werden.

Bei der Reinigung der Graphit-Elektrode (Plus-Elektrode) sollte nur derElektrolyt, nicht aber das Graphit abgewaschen werden. Wird dasExperiment wiederholt, sollte man auf den Graphitrückständen derPlus-Elektrode eine neue Schicht Graphit anbringen.

Haltbarkeit

Reinigung


Lagerung

Beobachtung



Für die Lagerung der Elektroden ist es wichtig, dass Min- und Plus-Elektroden getrennt aufbewahrt werden. Die unterschiedlichenElektroden dürfen unter keinen Umständen vertauscht werden.

Mit Hilfe einer Reihenschaltung ist es möglich, mit selbstgebautenSolarzellen einen Taschenrechner zu betreiben. Es fließt ein Strom.

Es handelt sich hier um eine „nanokristalline Farbstoff Solarzelle“, welche auch „organische“ oder, nach ihrem Erfinder Prof. Grätzel, die„Grätzelzelle“ genannt wird. Diese neuartige Solarzelle überspringt die Fotosynthese und wandeltdie Solarenergie unmittelbar in Strom um; diesen Vorgang nennt manPhotovoltaik.Das Innenleben dieser Solarzelle besteht, wie das Blattgrün der Pflan-zen, aus Chlorophyll-Molekülen. Im Falle einer direkten Umwandlungvon Sonnenlicht in Fotostrom ist es jedoch besser, andere Farbstoffezu verwenden. Prof. Grätzel hat hierbei einen synthetischen Farbstoffentwickelt, der einen großen Teil des Sonnenlichtes in Strom umwan-delt. Außer den synthetischen Farben kann man auch Chlorophyll und viele weitere Naturfarbstoffe verwenden. Die besten bis heute be-kannten Naturfarbstoffe sind „Anthocyane“. Anthocyane findet man als roten Farbstoff in Brombeeren, Himbeeren, Kirschen und Hibiskus-blüten.

NanoTool 9

Die Zielsetzung ist es, diese geniale Farbstoffsolarzelle in ihrer natürli-chen Form erscheinen zu lassen. Solar-Century hat die Bestandteileder Grätzelzelle so angepasst, dass mit Hilfe von Hibiskusblüten,Brombeersaft, Himbeersaft, dem Zahnweiß „Titandioxid“, einem Blei-stift, etwas Jod und elektrisch leitendem Glas eine Solarzelle gebautwerden kann. Am besten können frische Brombeeren oder Himbeerenverwendet werden. Mit Fruchtsäften aus dem Supermarkt funktioniertes auch. Aus Haltbarkeitsgründen wurden für das Experiment getrock-nete Hibiskusblüten mitgeliefert.

Die Zelle selbst besteht aus zwei aufeinander liegenden beschichtetenGlasplättchen: Das Glassubstrat mit einer leitenden Schicht (TCO), auf die der Halbleiter Titandioxid (TiO2) in einem Ofen bei 450 GradCelsius „aufgebacken“ wird, ist die negative Elektrode der Solarzelle.Statt mit Chlorophyll fängt die Grätzel-Zelle die Solarenergie mit einerauf der rund zehn Mikrometer dicken TiO2-Schicht liegenden syntheti-schen Farbstoffschicht ein. Die als positive Elektrode wirkende zweiteGlasplatte ist auch mit einer dünnen TCO-Schicht belegt; sie ist abergleichzeitig noch mit Platin beschichtet.

Trifft nun Licht auf die Solarzelle, lösen sich negativ geladene Teilchen(Elektronen) aus dem Farbstoff und streben im Titandioxid geradewegsauf die Elektrode zu. Ein elektrischer Strom fließt aber erst, wenn derStromkreis geschlossen ist. Die Elektronen fließen also, nachdem sieihre Energie an ein elektrisches Gerät abgegeben haben, über diepositive Elektrode in die Solarzelle zurück. Eine Elektrolytlösung trans-portiert die Elektronen dann zu den positiv geladenen Farbstoffatomen,wobei das Platin als Katalysator diesen Prozess beschleunigt.

Zielsetzung


NanoTool 10

Materialien

Sicherheitshinweise

Durchführung

Variante

Beobachtung

Versuch zum Tyndall-Effekt

Versuch zum Tyndall-Effekt

Nur zusätzliche Materialien:2 Becher- oder Schnappdeckelgläser, eine konzentrierte Lichtquelle,z.B. Laser oder kleine, lichtstarke Taschenlampe oder Dia-Projektor,Kochsalz, Tensidlösung (z.B. Geschirrspülmittel), 1 Hühnerei, verdünnte Salzsäure

Beim Arbeiten mit verdünnter Salzsäure ist persönlicheSchutzausrüstung zu tragen (Kittel, Handschuhe, Schutzbrille).

In einem Becherglas etwas Kochsalz in Wasser lösen. In einem abge-dunkelten Raum mit einer punktförmigen Lichtquelle in die Lösungleuchten. Gibt man nun zusätzlich Seife oder Geschirrspülmittel hinzuund mischt die Flüssigkeit, wird ein Lichtgang sichtbar, obwohl dieLösung weiterhin durchsichtig ist.

Variante des Versuchs mit biologischem Material: Das Eiweiß in ca. 300 ml 1%iger Kochsalzlösung lösen. Bei seitlicherBetrachtung zeichnet sich der Lichtstrahl als heller Streifen ab(Tyndall-Effekt). Wird zu der Eiweiß-Lösung verdünnte Salzsäuregegeben, fallen die Proteine aus: Es bildet sich ein weißlicherNiederschlag, den man absetzen lässt. Im Oberstand kann man nunkeinen Lichtstrahl mehr erkennen.

Richtet man einen Lichtstrahl seitlich auf ein Becherglas mitKochsalzlösung, so ist er nicht zu erkennen. Wird der Lichtstrahl dagegen durch eine Tensidlösung geleitet, so ist er sichtbar, da das Licht an den gelösten Teilchen gestreut wird.

Experiment ohne Materialien dieses Koffers

John Tyndall, 1820-1896

NanoTool 10

Der Tyndall-EffektDen Tyndall-Effekt nennt man die von dem irischenPhysiker John Tyndall (*1820, +1893) entdeckte Streu-ung des sichtbaren Lichtes (400-800 nm Wellenlänge) an suspendierten mikroskopisch kleinen Teilchen, derenTeilchendurchmesser in der Größenordnung des sicht-baren Lichtes liegen und bei der Erscheinungen (Polari-sation, Färbung u.a.) auftreten.

Dieser von Tyndall 1868 erstmals untersuchte Effekt trittimmer dann auf, wenn Teilchen vorliegen, deren Größeetwa der Wellenlänge des Lichtes entsprechen. SolcheTeilchen haben einen Durchmesser von 1 bis 1000 nm. Systeme, die den Tyndall-Effekt zeigen, nennt manKolloide, die Teilchen in einem solchen System kolloidaleTeilchen. In der Tensidlösung liegen als kolloidale Teil-chen Micellen aus Tensidmolekülen vor. Da Micellen relativ große Teilchenassoziate sind, verhal-ten sich Tensidlösungen wie kolloidale Lösungen.In kolloiden Lösungen liegen Teilchen mit einem Durch-messer von nur 10-5 bis 10-7 cm feinst verteilt (disper-giert) in einer Flüssigkeit vor. Die nanoskaligen Kolloid-teilchen sind so klein, dass sie von Papierfiltern nichtzurückgehalten werden können und man sie selbst untereinem Mikroskop nicht erkennen kann. Der Effekt ermöglicht die Unterscheidung zwischenSuspensionen und echten Lösungen und wird heute u.a.beim Ultramikroskop angewendet. Andere Kolloide sind

makromolekulare Lösungen (z.B. Proteinlösung oderStärkelösung) und disperse Systeme wie Emulsionen(z.B. Milch) oder Suspensionen (z.B. Tonerde in Wasser)oder Aerosole (z.B. Zigarettenrauch). Für alle diese Kolloidsysteme ist der oben beschriebeneTyndall-Effekt ein schneller und sicherer Nachweis.

Weitere Anwendungen der Physik mit Lichtstreuung - Sternpunkte am Himmel sind eigentlich

Streuscheibchen. - Sinnvollerweise soll man als Nebellicht rotes oder

gelbes Licht verwenden. Ein perfektes, praktisch streuungsfreies Licht ist Infrarotlicht, mit dem man durch Nebel hindurchleuchten kann. Darauf beruhen einige moderne Infrarottechniken.

- Man kann mit Hilfe von LichtstreuungsmessungenTeilchengrößen von Kolloidteilchen messen (z.B. zur Molmassebestimmung gelöster makromolekularer Moleküle).

- Eine vereinfachte Lichtstreuungsmethode ist die von Tyndall entwickelte Nephelometrie, die Streulicht-intensitäten als Maß der Konzentration an gelösten Kolloidteilchen oder an schwebenden Aerosolpartikeln bestimmt.


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Danksagung

NanoBioNet e.V. dankt folgenden Personen und Firmen für die Kooperation bei der Erstellung der NanoToolBox:

• Prof. Dr. U. Hartmann, Fachrichtung Experimentalphysik, Universität des Saarlandes, Vorstandsmitglied NanoBioNet e.V.

• Dr. Rainer Hanselmann, Vorsitzender NanoBioNet e.V., Geschäftsführer der Sarastro GmbH

• StD Roman Paul, Referat Biologie, Landesinstitut für Pädagogik und Medien des Saarlandes

Sarastro GmbH, GöttelbornK n o w - h o w / E i n s a t z g e b i e t eOptimierte Oberflächen für Medizintechnik und BiologiOptimised surfaces for medical devices and biologyBeschichtungsmaterialien: z.B. easy to clean, biokompatibel, hämokompatibel, antimikrobiell, nanoporös, gleitfähig, verstärkter Röntgenkontrast u.v.m. für den Einsatz in Medizin, Medizintechnik, Life Science, Kosmetik- und LebensmittelindustrieNanopartikel: Diagnostika, Therapeutika, Additive für den Einsatz in Medizin, Pharma,Medizintechnik, Life Science, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie, Bulkmaterialien, dreidimensionale Matrices für Medizin, Tissue Engineering, Life Science Medizintechnik,Kosmetika und Lebensmittel.

Sarastro GmbHDr. Rainer HanselmannZum Schacht 7D-66287 Quierschied-Göttelborn+49 (0) 68 25 / 8 00 89 -0+49 (0) 68 25 / 8 00 89 [email protected]

Danksagung

Die Sarastro GmbH ist ein Unternehmen der chemischen Nanotechnologie und Nanobio-technologie. Besonderes Augenmerk und strategische Ausrichtung der sarastro liegt in denMarktbereichen, bei denen über das Maß der Materialentwicklung, Physik und Chemie hinausauch Aspekte der Biologie und Medizin beachtet werden müssen (Medizin, Medizintechnik, Life Science, Kosmetik und Lebensmittel).Zu diesem Zweck befinden sich in den Räumen der sarastro neben chemischen, material-wissenschaftlichen Labors und Produktionsanlagen auch ein zellbiologisches und ein mikro-biologisches Labor.

NANO-X GmbHK n o w - h o w / E i n s a t z g e b i e t ePhotokatalytisch aktive Oberflächen, Anpassung an unterschiedliche Substratmaterialien undApplikationsverfahren, selbstreinigende Schichten für Außenanwendungen, Korrosionsschutz für Aluminium, Magnesium, Stahl, z.B. als Primersystem für Pulverlackierung.

Die NANO-X GmbH entwickelt und produziert innovative Beschichtungswerkstoffe mit einergroßen Vielfalt an Eigenschaften. Die Dienstleistung des Unternehmens reicht dabei vonInnovationsberatung über zielgerichtete Anpassungsentwicklung bis hin zur Produktion undApplikation der gewünschten Systemlösungen.Die NANO-X GmbH entwickelt ihre Produkte auf der Basis der chemischen Nanotechnologie –einem Verfahren, mit dem man Werkstoffe, etwa für die Beschichtung von Oberflächen, ausNano-Bausteinen, die nur Millionstel Millimeter klein sind, aufbauen kann, wobei sich völlig neueFreiheiten im Werkstoffdesign ergeben.Auf dieser Basis wurden unterschiedlichste Produkte entwickelt wie etwa leicht zu reinigende(»Easy-to-Clean«), Antihaft und selbstreinigende Oberflächen, kratz- und abriebfeste Beschicht-ungen für Kunststoffe, Korrosionsschutzüberzüge für Metalle, Antifingerprintschichten für Edel-stahl, Antibeschlagbeschichtungen und vieles mehr.

NANO-X GmbHDr. Stefan SepeurReimund Krechan

Theodor-Heuss-Str. 11aD-66130 Saarbrücken / Güdingen

+49 (0) 681/ 9 59 40 - 0+49 (0) 681/9 59 40 -15

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Danksagung

Nanogate Technologies GmbHDr. Michael Jung-ForsterGewerbepark EschbergerwegD-66121 Saarbrücken+49 (0) 681/9 80 52-0+49 (0) 681/9 80 [email protected]

Nano4You K n o w - h o w / E i n s a t z g e b i e t eDie Nano4You ist ein junges dynamisches Unternehmen das sich mit dem Vertrieb und derForschung von nanobasierenden Oberflächenversiegelungen beschäftigt. Ziel ist es, mit unsereninnovativen Nano4You-Produkten weltweit einen neuen Standard in der Oberflächenveredelungzu definieren. Die täglichen Anforderungen des Straßenverkehrs, der Arbeitswelt und im allge-meinen Lebensraum der gewerblichen und privaten Kunden werden unkomplizierter, günstigerund zeitsparender.Fachliche Kompetenz, Ideenreichtum und Flexibilität sind die Grundlage des Marktvorsprungs.

Nanogate Technologies GmbHBeteiligt durch zwei zusätzliche Sachets Glas/Keramik-Versiegelung und Ski-WachsK n o w - h o w / E i n s a t z g e b i e t eEtablierter Systempartner in den IndustriebereichenGlas / Keramik, Metall, Endanwender, Marktorientierte Produktentwicklung in den Technologiebereichen:Nanopulver, Kratzfestsysteme.

Die Nanogate Technologies GmbH konzentriert sich im Bereich der chemischenNanotechnologie auf anorganisch-organische Nanokomposite und selbstorganisierendeNanostrukturen, insbesondere auf werkstoffbasierte Verfahren zur Entwicklung, Produktion und Vermarktung multifunktionaler Materialien.Diese Materialien besitzen, je nach Anforderung, vielfältige Funktionen wie beispielsweiseTransparenz, Easy to Clean, Kratzfestigkeit, Korrosionschutz oder elektrische Leitfähigkeit.Je nach Anforderungen entwickelt die Nanogate Technologies GmbH spezifische Komplett-lösungen für Industriekunden oder Endanwender.

Nano4You Frank Matvos, Alain NeumannKleinottweilerstr. 75D-66450 Bexbach+ 49 (0) 6826 965 290+ 49 (0) 6826 965 [email protected]

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Campus GmbH & Co. KGEntenmühlstraße 48

D-66424 HomburgTel. +49 (0) 68 41 / 17 39 – 42Fax +49 (0) 68 41 / 17 39 – 47

www.campusgmbh.de/

Campus Medizin K n o w - h o w / E i n s a t z g e b i e t eKunststoff-Technik Nitinol-Technik „Lean“-Entwicklung Dienstleistungen: Beratung, Entwicklung, Fertigung im Reinraum, Prüfungen, TechnischeZeichnungen (CAD)

ENDOTHERM GmbHK n o w - h o w / E i n s a t z g e b i e t eENDOTHERM GmbH ist ein junges innovatives Unternehmen, das moderne, umweltverträgli-che Flammschutzmittel und Brandschutzbeschichtungen entwickelt, herstellt und vermarktet.Die seit einigen Jahren bereits bewährten Produkte EUCAM® ermöglichen es, leicht ent-flammbare Materialien wie Holz, Textilien, Pap sb. im Bereich von Versammlungsstätten(Theatern, Schulen, Gaststätten, Krankenhäusern, Kindergärten, Messen usw.) einen Brand zuverhüten bzw. zur Einhaltung der bauaufsichtlichen Verordnungen bezüglich des Brandschutzesbeizutragen.

Besonderen Wert legt das Unternehmen darauf, daß die Produkte, die in eigener Forschung ander Universität des Saarlandes ständig weiterentwickelt und verbessert werden, besonders leichtzu verarbeiten, umweltverträglich (halogen-/ lösungsmittelfrei) und dennoch preiswert sind.

Man SolarPostfach 1

NL-1755 ZG PettenNiederlande

Fax: 0031 22456 3399Email: [email protected]

www.mansolar.com/deutsch.htm

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Kontaktadressen

Wir freuen uns über Anregungen und Kritik. Wenn Sie Fragen haben oder Infomaterial benötigen, stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

NanoBioNet e.V.Science Park SaarStuhlsatzenhausweg 69D-66123 Saarbrücken+49 (0) 681-6857364e-mail: [email protected] Internet: www.nanobionet.de

Infos zu Schülerlaboren unter www.biokom.saarland.de oder:

Mach-Mit-Labor Biotechnologie / Biochemie, Universität des Saarlandes:http://bernhardt.biochem.uni-sb.de/machmit/mml.htmlNanoBioLab / Physikalische Chemie, Universität des Saarlandes: http://www.uni-saarland.de/fak8/hempelmann/Zentrum für Nanoanalytik / Experimentalphysik, Universität desSaarlandes: http://www.uni-saarland.de/fak7/hartmann/cfn/Schnupperpraktikum Mikrobiologie und Bioverfahrenstechnik / Hochschulefür Technik und Wirtschaft: Für weitere Informationen wenden sie sich bittean Prof. M. Brunner von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (e-mail: [email protected]).

Infos über Lehrerweiterbildungen unter http://www.lpm.uni-sb.de/biologie/

Dieses Projekt wurde unterstützt durch:

Bundesministerium für Bildung und ForschungMinisterium für Wirtschaft und Arbeit, Saarland

Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Landwirtschaft und Weinbau, Rheinland-Pfalz

Projektleitung: Kompetenzzentrum CC-NanoBioTech, Kaiserslautern

HerausgeberNanoBioNet e.V.

Science Park SaarStuhlsatzenhausweg 69

D-66123 Saarbrückenwww.nanobionet.de

e-mail: [email protected]

GestaltungNina Petersen

www.ninap-myself.de

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NanoTools und Chemikalien - ph-freiburg.de · Seite 4/5 // Einleitung Pädagogische Vorbereitung auf das Jahrhundert der Bio- und Nanotechnologie In den vergangenen Jahren entstand