Hier findest du alle Inhalte zur Unterrichtseinheit
Einstieg: Was ist Nanotechnologie?
Definition der Nanotechnologie - Größenvergleich
Ziele und Realisierungen
- Kohlenstoff: sehr vielseitig
Anwendungen im Alltag
Ansätze für Entwicklungen im Nanometerbereich
Gefahren durch Nanotechnologie
Die vier fundamentalen Wechselwirkungen
Licht: Welle-Teilchen-Dualismus
Spektroskopische Verfahren
- IR-Spektroskopie
- Molekülschwingungen
- Raman-Spektroskopie
- UV-VIS-Spektroskopie
- EDX-Spektroskopie
Mikroskopische Methoden
- Raster-Tunnel-Mikroskop (STM)
- Rasterkraftmikroskop (AFM)
- Rasterelektronenmikroskop (REM)
- Transmissionselektronenmikroskop (TEM)
Die hier angebotenen Themenseiten fassen die grundlegenden Inhalte, Informationen und Hefteinträge zu den Unterrichtsinhalten von verschiedenen Themenbereichen der Fächer Mathematik, Physik und dem Wahlpflichtfach MINT/Technik zusammen. Diese sind online, kostenlos und ohne Registrierung verfügbar und sollen zur besseren Selbstorganisation der Schüler beitragen.
Die im Internet bereitgestellten Materialien bieten aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten: Sie sollen den Schülern einen Leitfaden zur Vorbereitung auf Kursarbeiten, aber auch bei Fehlstunden zur Nacharbeit der versäumten Unterrichtsinhalte dienen und weiterhin den Eltern die Möglichkeit zur Unterstützung bei den unterrichtsbegleitenden Hilfestellungen geben. Die Zusammenfassungen zu den Unterrichtsinhalten auf den Themenseiten werden dabei jeweils ergänzt durch Lernvideos, Infotexten, Aufgaben, Bildergalerien und interaktiven Tools. Diese sollen dabei helfen selbstständig eigene Ergebnisse zu überprüfen oder zusätzliche Informationen zu den Inhalten erhalten. Bei den Lernvideos handelt es sich teilweise um die YouTube-Video des YT-Kanals Mathe-Physik-Technik. Weiterhin sind bei den einzelnen Folien zusätzliche Videovorschläge von anderen YouTube-Kanälen zugeordnet. Der jeweilige Link leitet dann ggf. direkt auf die YouTube-Video-Seite weiter.
Bei den klassischen physikalischen Themenbereichen sind die jeweiligen Folien für den digitalen Unterricht weitestgehend angepasst und optimiert worden. Insbesondere durch die Corona-Krise rückt der digitale und eigenverantwortliche Unterricht immer mehr in den Fokus. Zu den einzelnen Folien sind deshalb jeweils passende Videos zu den Inhalten zugeordnet und zu vielen Folien auch passende Aufgaben eingearbeitet worden. Dadurch sind die Themenbereiche in Teilabschnitten strukturiert und für die Arbeit mit Wochenplänen optimiert worden. Sie ermöglichen den Schülern so die selbstständige Arbeit daheim und geben jedem Schüler die Möglichkeit die Lernziele auch unter den gegebenen Umständen bestmöglich zu erreichen. Dabei können Schüler dann sogar die positiven Seiten des digitalen Unterrichts (Eigenes Lerntempo festlegen, optimale Anpassung von Lernzeit und Zeitpunkt an den eigenen Biorhythmus zum effizienten Lernen, etc.) für sich besonders gut nutzen.
Siehe hierzu auch: → Konzept - mathe-physik-technik.de
Skript → Publikationen
Der Sammelbegriff Nanotechnologie, oft auch Nanotechnik (altgriechisch nános ‚Zwerg‘), gründet auf der allen Nano-Forschungsgebieten zu Grunde liegenden gleichen Größenordnung der
Nanopartikel vom Einzel-Atom bis zu einer Strukturgröße von 100 Nanometern (nm): Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10−9 m). In der Nanotechnologie stößt man also zu
Längenskalen vor, auf denen besonders die Größe die Eigenschaften eines Objektes bestimmt. Man spricht von „größeninduzierten Funktionalitäten“.
Mit dem Begriff wird heute die entsprechende Forschung in der Oberflächenphysik, der Oberflächenchemie sowie in Teilbereichen des Maschinenbaus und der Lebensmitteltechnologie (Nano-Food)
bezeichnet.
Schon heute spielen Nanomaterialien eine wichtige Rolle. Sie werden zumeist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt. Einige davon sind kommerziell verfügbar und
werden in handelsüblichen Produkten eingesetzt, andere sind wichtige Modellsysteme für die physikalisch-chemische und materialwissenschaftliche Forschung.
Ebenfalls bedeutend ist die Nanoelektronik. Deren Zugehörigkeit zur Nanotechnologie wird in der wissenschaftlichen und forschungspolitischen Praxis nicht einheitlich gesehen. Unklar und
unerforscht sind in vielen Bereichen die Wirkungen und der Einfluss der meist künstlich hergestellten Teilchen auf die Umwelt.
Eine Entwicklungsrichtung der Nanotechnologie kann als Fortsetzung und Erweiterung der Mikrotechnik angesehen werden, doch erfordert eine weitere Verkleinerung von Mikrometerstrukturen meist
völlig unkonventionelle neue Ansätze. Die Chemie folgt in der Nanotechnologie oft dem entgegengesetzten Ansatz. Chemiker, die üblicherweise in molekularen arbeiten, bauen aus einer Vielzahl
von einzelnen Moleküleinheiten größere nanoskalige Molekülverbunde auf.
Ein kleiner Zweig der Nanotechnologie beschäftigt sich mit Nanomaschinen (siehe molekulare Maschine) oder Nanobots.
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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.
1) → Nanotechnologien – Wie wir die Grundbausteine unserer Welt verändern können
2) → Experimente zur Nanotechnologie
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2) → Die Geschichte von Carbon Nanotubes
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Zusatzfolie:
1) → Top 5 Nanotechnologie Erfindungen
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Anwendungen: Nanopartikel [8:38]
Es werden Anwendungen im Bereich der Nanotechnologie und Untersuchungsmethoden (REM) gezeigt.
Wilhelm Ostwald war ein deutschbaltischer Chemiker. Er gilt als einer der Begründer der Physikalischen Chemie und lehrte an der Universität Leipzig. Er stellte die folgende und noch heute
gültige Definition der Katalyse auf:
„Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Re-aktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden […].“
Anwendungen: In der lebenden Zelle spielen beispielsweise Enzyme, die biochemische Prozesse katalysieren, eine fundamentale Rolle im Stoffwechsel. Im Umweltbereich haben sowohl natürlich ablaufende katalytische Prozesse wie die Bildung von Smog eine große Bedeutung als auch die katalytische Reduzierung von Schadstoffen im Automobil- und Kraftwerksbereich.
Bedeutung der Katalyse (allgemein)
Derzeit wird geschätzt, dass etwa 80 % aller chemischen Erzeugnisse eine katalytische Stufe in ihrer Wertschöpfungskette durchlaufen. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würde die jeweilige chemische Reaktion sehr viel langsamer oder gar nicht erfolgen. Deshalb sind Katalysatoren heutzutage kaum noch aus der Chemietechnik wegzudenken.
Photokatalyse
Das Phänomen der Photokatalyse beschreibt jede durch Licht ausgelöste chemische Reaktion. Das beinhaltet auch die Änderung
der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion mittels eines bestimmten Stoffs (Katalysators) mit dem Ziel, sie beispielsweise überhaupt erst in Gang zu bringen oder zu
beschleunigen. Licht (UV-Strahlung) und Sauerstoff aktivieren den Vorgang.
Dies lässt aber ein Problem erkennen: Das Licht selbst kann nicht als Katalysator betrachtet werden, da es während der Reaktion „verbraucht“ wird und danach nicht in „unverändertem Zustand“ wieder zur Verfügung steht. Allerdings ist eine Vielzahl von Reaktionen bekannt, die bei Raumtemperatur nur mäßig oder gar nicht ablaufen, bei Lichteinstrahlung jedoch beträchtlich beschleunigt werden. Als Beispiel hierfür sei die Photosynthese der Pflanzen genannt, bei der die vom Sonnenlicht aufgenommene photonische Energie übertragen wird auf die katalytische Reaktion von Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenhydraten und Sauerstoff.
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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.
1) → Der FAP erklärt Photokatalyse
2) → Titandioxid als Klimaschützer Nadicare Solution
3) → Abbau von Luftschadstoffen durch Photokatalyse
4) → Photokatalyse Experiment / Zersetzung von Rauch
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Fragen zum Exkurs - Thema: Katalyse und Photokatalyse:
Der Tyndall-Effekt [ˈtɪndl-] beschreibt die Streuung von Licht an weniger als 1 μm großen Schwebeteilchen in einem transparenten Medium, die Farberscheinungen hervorrufen, wenn sie kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, und das Medium weißlich trüb erscheinen lassen, wenn sie größer sind.
Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von ca. 400 bis 750 nm. Der Tyndall-Effekt tritt üblicherweise in Dispersionen1 (Suspensionen2) mit Teilchengrößen von etwa 40 bis 900 nm auf. Licht längerer Wellenlänge (Rottöne) wird dabei weniger gestreut als kurzwelliges bläuliches Licht. Gerichtetes Licht erscheint dadurch in Richtung des Lichtstrahls eher rötlich, während das Streulicht quer zum Strahl eher bläulich wirkt.
Der Effekt ist nach seinem Entdecker John Tyndall benannt, der die Streuung von Licht in kolloiden 3 Lösungen untersucht hat. Als Messgerät dient ein Tyndalloskop.
Prinzip
Durch Streuung von Licht an kleinen Objekten deren Größe etwa der Wellenlänge des Lichts entspricht werden Strahlenbündel seitlich heraus gestreut. Dadurch wird der gesamte Lichtstrahl auch von der Seite her sichtbar. So nimmt man beispielsweise bei Sonnenschein im Dunst oder Nebel sogenannte Strahlenbüschel wahr oder sieht nachts die Lichtkegel (Tyndall-Kegel) von Scheinwerfern in Nebel oder Wolken.
Anwendungen
Optische Rauchmelder nutzen den Tyndall-Effekt, indem bei Anwesenheit von Rauch-Partikeln Licht aus einem Lichtbündel heraus auf einen lichtempfindlichen Sensor gestreut wird. Bei reiner Luft findet keine Streuung statt und der Sensor kann dementsprechend kein Streulicht detektieren. Ein Alarm wird ausgelöst, sobald das Sensorsignal einen definierten Schwellenwert überschreitet.
1 Eine Dispersion zu lat. dispergere ‚verteilen‘, ‚ausbreiten‘, ‚zerstreuen‘ ist in der Kolloidchemie und in der
Verfahrenstechnik ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden.
2 Eine Suspension (lateinisch suspendere ‚aufhängen‘, ‚in der Schwebe lassen‘) ist ein Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern (Partikeln).
3 Als Kolloide werden Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die in einem Feststoff, Gas oder Flüssigkeit fein verteilt sind.
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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.
Infos zum Thema:
Nanotechnologie (planet-wissen)
1) → Nanotechnologien – Wie wir die Grundbausteine unserer Welt verändern können
2) → Nanobots werden Wirklichkeit - Roboter im eigenen Körper! - Science & Fiction
3) → GLOBALFOUNDRIES Fab 1 Dresden- Vom Sand zum Chip
4) → Herstellung von Prozessoren / CPUs / Chips / Transistoren (Animation)
5) → Bionik: Wie uns die Natur zu technischen Lösungen inspiriert | Watts On
6) → Wie sich Bionik die Natur als Vorbild nimmt
7) → Selbstorganisation und Nanotechnologie: Transregio 61
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Welchen Zusammenhang gibt es zwischen der Bionik und der Nanotechnologie?
Was versteht man unter "selbstorganisierenden Strukturen"?
Was ist ein "Nanobot" und ein "Nano-Auto" und welche Funktion sollen sie erfüllen?
Was ist ein "Wafer"?
Wie erreicht man bei der Herstellung von Mikroprozessoren die notwendigen Strukturen für die elektrischen Leiterbahnen? (Stichwort: "Fotolithografie" - Was ist das?)
Wie wird das Ergebnis und die Qualität von fertigen Prozessoren überprüft?
1) → Wie gefährlich Nano wirklich ist | Mai Thi Nguyen-Kim
2) → Nanotechnologie-Unsichtbare Gefahr
3) → «Nano» in Produkten: mögliche Gefahren
Zusätzlich interessante Videos:
1) → Nanomedizin – Kleine Partikel, große Wirkung
2) → Nanopartikel – Der Weg vom Baustein zum Wirkstofftransportsystem
3) → Wie Nanomedizin das Immunsystem im Kampf gegen Krebs unterstützen kann
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Schau dir die drei Videos im Video-Ordner an ...
1) → Wie gefährlich Nano wirklich ist | Mai Thi Nguyen-Kim
2) → Nanotechnologie-Unsichtbare Gefahr
3) → «Nano» in Produkten: mögliche Gefahren
... und beantworte die Fragen:
1) → Teilchenzoo: Quarks - Bausteine der Atomkerne
2) → 06D Was sind die vier Grundkräfte ?
3) → Materie besteht nicht aus Materie | Harald Lesch
4) → Alpha.Centauri.-.153.-.Was.sind.Quarks
(Hinweis zu Video 4: Die Alpha-Centauri-Sendung beinhaltet bereits viele weiterführende Informationen und geht inhaltlich über die Thematik zur Folie [07] in vielen Bereichen hinaus)
Exkurs / Zusätzliche Videoempfehlung:
(Kosmologie und fundamentale Wechselwirkungen)
5) → Harald Lesch • Die 4 Grundkräfte | Kosmologie (9)
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1) → Die Physik Einsteins - Teil 1: Der Photoeffekt (mit Harald Lesch)
2) → Licht = Welle, Strahl oder Teilchen?!?
3) → Der Welle-Teilchen-Dualismus
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Optik: Interferenz - Moiré-Effekt [1+2]
Gezeigt werden interferenzähnliche Muster (Moiré-Effekt) durch Überlagerung konzentrischer Kreise, Punktmuster und anderen periodischen Strukturen.
(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung des DEUTSCHEN MUSEUMS München)
2) → Spektroskopie - Sternenlicht zerlegen
3) → How does a spectrophotometer work?
4) → Resonanz - Resonanzkatastrophe
Hier siehst du ein Anwendungsbeispiel aus der Praxis (Spektrometer im Einsatz):6) → Chemistry Visualizations: IR-Spektroskopie mit ATR
Animation der Atom-Schwingungen bei Anregung durch IR-Strahlung:7) → Types of Molecular Vibrations in IR Spectroscopy
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1) → Erfolgreiche Auswertung einer EDX Analyse von einem Mineral
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Mehr Infos zum Thema:
Mikroskopie (planet-wissen)
2) → Nanotechnologie: Wissenschaft der Zukunft oder moderne Alchemie? (NZZ Format 1999) [STM und AFM]
3) → Das Rastertunnelmikroskop
4) → Rastertunnelmikroskop: JohanneumSTM (Schulprojekt) (deutsche Version)
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Produktplatzierungen
Auf seiner bundesweiten Tour zeigt der InnoTruck, wie Innovationen unser Leben positiv verändern können.
2) → Wie funktioniert STM, TEM, SEM & AFM Mikroskopie? [Compact Physics]
3) → Das magnetische Rasterkraftmikroskop, Teil 1
4) → 3DIT | Rasterkraftmikroskopie (AFM) von Zeiss
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1) → Videos aus dem Rasterelektronenmikroskop
2) → Wie ein Elektronenmikroskop das Unsichtbare sichtbar macht
3) → Wie ein Elektronenmikroskop funktioniert - Winzlingen auf der Spur - Planet Schule - SWR
4) → Das Rasterelektronenmikroskop
5) → Was lebt in deinem Bett? Mikroskop im Einsatz REM - Rasterelektronenmikroskop | Phil's Physics
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1) → Transmission Electron Microscope TEM demo session
2) → Transmission Electron Microscopy (TEM) basics
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Optik: Das Mikroskop [5:53]
Bildentstehung bei der Sammellinse (4)
Es werden die grundlegenden Eigenschaften der Bildentstehung am Mikroskop dargestellt. Die Bildentstehung ähnelt dabei den Vorgängen im Transmissionselektronenmikroskop (TEM)
Ziel ist es, das für viele Menschen abstrakte Thema Physik anfassbar zu machen und das Interesse Jugendlicher und Erwachsener für diesen faszinierenden Bereich der Naturwissenschaften zu wecken.
Planet Schule
Planet Schule bietet Schulfernsehsendungen zum Ansehen und Herunterladen so wie weitere Lernangebote für Lehrer, Schüler und natürlich alle Bildungsinteressierten.
Alle von mir erstellten Materialien stehen für Bildungszwecke frei zur Verfügung, dürfen allerdings nicht von jemand anderem kommerziell vertrieben werden.
Hinweis: Es werden keine Bücher oder sonstige, hier benannte Materialien im Unterricht verwendet oder benötigt.
Dieser Text basiert auf dem Artikel Nanotechnologie aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Dieser Text basiert auf dem Artikel Tyndall-Effekt, Kolloid, Dispersion_(Chemie), Suspension_(Chemie) und Licht aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Dieser Text basiert auf den Artikel Katalysator, Katalyse, Photokatalyse und Wilhelm_Ostwal aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
Hintergrundbild: Eigenes Bild (A. Rueff)