Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Struktur-Eigenschafts-Beziehungen: Neues aus der Nanotechnologie

Vor genau 64 Jahren, am 1. Oktober 1951, gründete Dr. Manfred Flad, der Vater des jetzigen Schulleiters, das Institut. Passend zur Geburtstagsfeier hatte Wolfgang Flad im Rahmen der 17. Stuttgarter Chemietage zwei hochkarätige Referenten auf den Campus der Universität Stuttgart (Vaihingen) eingeladen. Er bedankte sich bei der Dekanin der Fakultät Chemie, Frau Prof. Dr. Stubenrauch, für die Gastfreundschaft, die die Universität seit vielen Jahren gewährt.

Wolfgang Flad bedankte sich bei Frau Prof. Dr. Stubenrauch, Dekanin der Fakultät Chemie an der Universität Stuttgart

Den Auftakt zur Veranstaltung am World Teachers' Day machte Frau Prof. Dr. Ilka Parchmann, Direktorin der Abteilung Didaktik der Chemie am Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik in Kiel. Seit langem ist es ihr ein besonderes Anliegen, Interesse an der Chemie zu wecken. Oft ist vielen gar nicht bewusst, dass die Chemie unser Alltagsleben durch und durch prägt. Dies gilt auch für die Nanotechnologie. Jüngste Forschungsergebnisse auf diesem Gebiet, basierend auf Arbeiten von Dr. Stefan Schwarzer, standen im Mittelpunkt des Vortrages. Frau Prof. Parchmann zeigte auch die praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie auf.

Zu Beginn ihrer Ausführungen machte sie einen Ausflug in die Geschichte. Unseren Vorfahren blieb Jahrtausende nichts anderes übrig, als auf die Stoffe zurückzugreifen, die die Natur in Reinform bot. Doch im Laufe der Menschheitsgeschichte änderte sich dies. Der berühmte Mann aus dem Eis, Ötzi, trug vor 5 000 Jahren ein Kupferbeil bei sich - ein Paradebeispiel für die Kombination von Chemie und Materialwirtschaft, die heute unverzichtbar ist. Kenntnisse über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bilden das Fundament für den Einsatz im Alltagsleben.

Generell können diese Beziehungen auf unterschiedlichen Ebenen analysiert werden: Wie verhält es sich mit den

• Eigenschaften von Stoffen
• den Eigenschaften von Bausteinen
• den Eigenschaften von Bindungen
• den Eigenschaften von Systemen?

Am praktischen Einsatz einer Windel verdeutlichte Frau Prof. Parchmann, wie man über die Stufen Beobachten, Untersuchen, Theorie-und Modellbildung sowie interdisziplinärer Kommunikation den vielfältigen Eigenschaften eines Produktes auf die Spur kommt.

Mit einer solchen Vorgehensweise lassen sich auch Antworten finden auf folgende Fragen: "Weshalb klebt ein Gecko an der Wand? Weshalb haften zwei mit Wasser benetzte Glasplatten aufeinander? Wie funktioniert eine Saugglocke?"

Es sind physikalische-chemisch Wechselwirkungen (u.a. Kapillarkräfte des Wassers, Van-der-Waals-Kräfte...), die die Haftwirkung auf bestimmten Oberflächen hervorrufen.

Des Weiteren zeigte die Referentin auf, wie im schulischen Experiment verschiedene Oberflächen auf ihre hydrophoben, hydrophilen oder allgemeinen Eigenschaften untersucht werden können und somit auch die Frage beantwortet werden kann, wie der Lotuseffekt funktioniert.

Für den Einsatz im Chemieunterricht eignet sich Kupferblech. Zum einen bleibt die Kupferoberfläche unbehandelt, zum anderen wird ein Wassertropfen aufgebracht, sie wird angeschmirgelt und schließlich wird Laurinsäure aufgetragen. Je nach Oberflächenbehandlung hat man es mit hydrophilen, superhydrophilen oder superhydrophoben Eigenschaften zu tun.

Der Lotuseffekt kommt durch mikro- und makrostrukturierte Wechselwirkungen zustande; er bewirkt, dass anhaftender Schmutz auf einer Oberfläche durch Wasser abgespült wird.

Die Wasserstrahlreflexion findet im Alltag vielfältige Anwendung: Selbstreinigungsprozesse bei Textilien, bei Fassaden, bei "Pinkelecken", wie die Referentin schmunzelnd anmerkte. Wie das Prinzip funktioniert, demonstrierte Frau Prof. Parchmann am Beispiel von Kapuzinerkresse. Benetzt man deren Blätter mit Wasser, perlt dieses ab, vorausgesetzt, man trifft den richtigen Winkel.

Abschließend wurde noch auf eine innovative Methode der Synthese von Nanopartikel, die Leidenfrost-Synthese, eingegangen. Fast jeder hat schon beobachtet, dass ein Wassertropfen auf einer Herdplatte "tanzt." Im Schulexperiment kann man mit einfachen Mitteln, z.B. einer Bratpfanne, das Rätsel "schwebender Tropfen" lösen und dabei erkennen, welche Temperatur für den Effekt verantwortlich ist.

Die Quintessenz am Ende des Vortrages von Frau Prof. Parchmann:
Mit unkomplizierten Experimenten, mit relativ wenig Aufwand können im Chemieunterricht Kenntnisse über Oberflächenstrukturen sowie deren Bedeutung für unser Alltagsleben vermittelt werden.

Zum Nachlesen: www.forschungs-werkstatt.de

Angela Schmitt-Bucher

Prof. Dr. Ilka Parchmann

Direktorin der Abteilung Didaktik der Chemie am Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik, Vizepräsidentin und Professorin an der Christian- Albrechts-Universität zu Kiel. Sprecherin im Vorstand der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik.