Strukturen nach Maß - Neues aus den Kieler Nanolaboren
Prof. Dr. Ilka Parchmann
Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik, Kiel
Beinahe wäre der abschließende Vortrag der 18. Stuttgarter Chemietage dem Sturmtief "Xavier" zum Opfer gefallen, das Anfang Oktober den Bahnverkehr im Norden Deutschlands für mehrere Tage komplett zum Erliegen gebracht hatte. Von dort wollten Professorin Ilka Parchmann, Direktorin der Abteilung Didaktik der Chemie am IPN Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik sowie Vizepräsidentin für das Lehramt, für Wissenschaftskommunikation und für Weiterbildung an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, und Tobias Plöger, seit einem Jahr wissenschaftlicher Mitarbeiter am IPN, anreisen. Dankenswerterweise hatten sich beide dann mit einem kurzfristig organisierten Dienstwagen trotzdem auf den langen Weg nach Stuttgart gemacht, auch um die "Lehrkräfte nicht zu enttäuschen", wie im Gästebuch zu lesen ist. Im Gepäck für den Vortrag mit anschließendem Workshop hatten Sie Neues aus den Kieler Nanolaboren: Strukturen nach Maß.
Kenntnisse über Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bilden die Grundlage für den Einsatz von Funktionsmaterialien im Alltag. Und der Alltagsbezug ist für Parchmann ein zentraler Aspekt bei ihrer (Forschungs-)Arbeit. Sie möchte Unterrichtseinheiten so gestaltet sehen, dass den SchülerInnen die Bedeutung der Chemie für das tägliche Leben bewusst wird. Erst aus diesem konkreten Kontext heraus sollten dann chemische Fachinhalte entwickelt und durch möglichst große methodische Vielfalt vermittelt werden. Beispiele für diese Vielfalt zeigten Professorin Parchmann und Herr Plöger später auch im Verlauf des Vortrags.
Zunächst erinnerte Parchmann die Zuhörer aber an unsere menschlichen Vorfahren, die mit den in der Natur vorkommenden (Werk-)Stoffen wie Stein oder Holz, mit ihren spezifischen Eigenschaften, zurechtkommen mussten und diese kaum funktionalisieren, also nutzbar machen konnten. Aber schon Ötzi, der Mann aus dem Eis, trug vor 5000 Jahren ein Kupferbeil bei sich - vielleicht eines der ersten Beispiele für die Kombination von Chemie und Materialwissenschaften. Seit der Zeit ist in der Chemieforschung und -entwicklung natürlich viel passiert. Insbesondere Kunststoffe bieten heute eine große Zahl an Einsatzmöglichkeiten. Allein die vielfältigen Anwendungen im Auto mit ganz unterschiedlichen Anforderungen - hart, weich, hitzebeständig -, aber auch bei Verpackungs- oder Baumaterialien sind beeindruckend. Ihr großer Vorteil, die Beständigkeit, ist allerdings zugleich ihr großer Nachteil: sie sind in der Natur nur schwer abbaubar. An dieser Stelle verwies Professorin Parchmann auf die gravierende Problematik der stark zunehmenden Verunreinigung unserer Fließgewässer und Meere mit Plastikmüll sowie auf interessante Projekte, wie z.B. die Plastikpiraten, die bei Kindern und Jugendlichen ein größeres Bewusstsein für dieses Thema schaffen wollen. Problematisch bleibt außerdem die Herstellung von Kunststoffen aus dem fossilen Rohstoff Erdöl. Mit Blick in die Zukunft stellt sich deshalb die Frage, wie Werkstoffe mit guten, aber auch problematischen Eigenschaften ersetzt werden können.
In zwei Kieler Sonderforschungsbereichen, "Magnetoelektrische Sensoren" und "Funktion durch Schalten", arbeiten je circa 150 ForscherInnen in multidisziplinären Teams daran, Eigenschaften nach Maß zu erzeugen und zu verändern. Man spricht dabei auch von Funktionalisierung. Die ChemikerInnen in den Teams verändern Moleküle so, dass sie nach Wunsch und Bedarf "geschaltet" werden können, indem sie z.B. die Teilchenstruktur und Partikelgröße ändern oder funktionelle Gruppen herstellen. Die Material- und IngenieurwissenschaftlerInnen sind dann gefordert, aus diesen "schaltbaren" Molekülen sinnvolle Anwendungen und Produkte zu entwickeln. In einer dritten Stufe erfolgt die Funktionalisierung durch die Nutzung, den kritischen Gebrauch der entwickelten Produkte. Im medizinischen Bereich sind hierbei beispielsweise Ärzte involviert. Die beteiligten Fachbereiche stehen in einem ständigen Austausch.
Warum Dinge bestimmte Eigenschaften haben, lässt sich auf verschiedenen Ebenen betrachten. Sie lassen sich zunächst grundsätzlich auf die Eigenschaften der enthaltenen beziehungsweise verwendeten Stoffe zurückführen, auf die Eigenschaften der chemischen Bausteine als Resultat aus Atomen, Bindungen und Strukturen. Ganz wesentlich für die Eigenschaften sind auch die spezifischen Oberflächen, die stark von der Größe der Teilchen abhängen, sowie der Einfluss bestimmter Umgebungen auf die Systeme. Bei dieser Aufzählung wird bereits deutlich, dass man sich häufig in die Nanowelt begeben muss, um die Funktionalität zu verstehen und zu beeinflussen.
In den Kieler Schülerlaboren beschäftigen sich SchülerInnen sowohl mit den Nano-Grundlagen, mit ihren Methoden und Verfahren als auch mit verschiedenen molekularen Schaltern. Wie dort das Thema Funktionalität den Kindern und Jugendlichen näher gebracht wird, zeigten Professorin Parchmann und Herr Plöger anhand von sechs Beispielen und Experimenten.
Zunächst präsentierten sie als Beispiele für schaltbare Moleküle verschiedene Alltagsgegenstände, die auf externe Reize reagieren: sich bei Wärmeänderung verfärbende Tassen, Strohhalme, Bleistifte oder Bade-Enten (thermochrom) ; Perlen, die unter UV-Licht bunt werden, oder Brillengläser, die bei Sonneneinstrahlung ihre Farbe ändern (photochrom); einen sich mit elektrischer Spannung abdunkelnden Autorückspiegel (elektrochrom).
Die Untersuchung chemischer Schalter demonstrierte Herr Plöger am Beispiel von Spiropyran und Merocyanin, zwei Isomeren, die aus denselben Atomen in unterschiedlicher Struktur bestehen und die sich durch Licht bestimmter Wellenlängen ineinander überführen lassen, was durch einen Farbwechsel der Lösung sichtbar wird. Mitentscheidend ist, dass ausreichend Energie zugeführt wird. Blaues und rotes Licht sind zu energiearm. Erst mit energiereichem UV-Licht gelingt das Experiment. Mit Hilfe der Solvatochromie zeigte Plöger außerdem, dass die Wahl des Lösungsmittels ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist. Andere Lösungsmittel führen zu anderen Farben und haben zugleich Einfluss auf die Dauer der spontanen Rückreaktion, von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden, abhängig von der Stärke der Wechselwirkung zwischen dem gewählten Lösungsmittel und der Merocyanin-Form.
Mit den dann folgenden zwei Versuchen sollte das grundlegende Verständnis, wie Nanostrukturen wirken, vertieft werden. Zunächst wurde am Beispiel der Spaltung von Wasserstoffperoxid durch Katalase aus der Kartoffel untersucht, wie sich die Reaktivität von Teilchen im Verhältnis zur Partikelgröße verändert. Hierzu wurden drei etwa gleich große Kartoffelstücke auf drei Bechergläser verteilt. Das erste Stück blieb ganz, das zweite Stück wurde in 10 Teile geschnitten und das dritte Stück in sehr viele kleine Teile. Nach der Zugabe von Wasserstoffperoxid zeigte das große Kartoffelstück, das die kleinste Gesamtoberfläche hat, die geringste Schaumbildung, also die geringste Reaktivität. Der meiste Schaum bildete sich bei den vielen kleinen Kartoffelstückchen. Die höchste Reaktivität lag also bei der größten Gesamtoberfläche vor.
Das anschließend gezeigte Modell-Experiment zur Diffusion von Zinkoxid-Nanopartikeln, die inzwischen Bestandteil einer Vielzahl von Alltagsprodukten, wie beispielsweise Kosmetika, sind, eignet sich sehr gut, auch das Gefahrenpotenzial nanoskaliger Partikel einmal kritisch zu reflektieren. Es ist nicht abschließend geklärt, welchen Einfluss Nanopartikel auf den menschlichen Körper haben und wie stark sie durch Zellwände diffundieren. Medizinisch ist diese Frage deshalb äußerst relevant.
Der fünfte Versuch war eine eindrucksvolle "Green Chemistry"-Synthese von Gold- oder Silber-Nanopartikeln auf einer Heizplatte, wie sie problemlos auch in der Schule durchgeführt werden kann. Unter Verwendung von Natriumcitrat- und Tetrachlorogold (III)-säure bzw. Silbernitrat-Lösung können mit Hilfe des Leidenfrost-Effekts (dem "tanzenden" Tropfen auf einer sehr heißen Heizplatte) Gold- bzw. Silber-Nanopartikel hergestellt werden. Sehr gut beobachten lassen sich dabei die Farbveränderungen bei den Nanopartikeln verschiedener Partikelgröße, die sich durch die Partikel-Agglomeration während der Synthese ergeben, bis zuletzt ein Goldener oder Silberner Tropfen entsteht.
Der letzte Versuch beschäftigte sich mit der Erzeugung und Veränderung nanoskaliger Oberflächen am Beispiel einer kleinen Kupferplatte. Zunächst wurde die Kupferoberfläche auf ihre Wechselwirkung mit Wasser untersucht. Dabei war festzustellen, dass Kupfer, wie die meisten Metalle, hydrophil ist, also stark mit Wasser wechselwirkt: Wassertropfen zerflossen auf der Kupferplatte. Durch Oxidation mit Natronlauge und wässriger Kaliumperoxodisulfat-Lösung wurde die Oberfläche in einem ersten Schritt sogar superhydrophil, die Wechselwirkung mit Wasser also noch stärker. In einem zweiten Schritt erfolgte dann die Hydrophobierung mit ethanolischer Laurinsäure. Nun zeigte die Oberfläche den sogenannten Lotos-Effekt, ließ Wasser also einfach abperlen. Sie war damit sogar superhydrophob geworden. Entscheidend für diesen Effekt und die daraus resultierende Selbstreinigungsfähigkeit ist das funktionierende Zusammenspiel von mikro- und nanostrukturierter Oberfläche. Genutzt wird das inzwischen beispielsweise bei Wandfarben für den Außenanstrich von Häusern.
In einem kurzen Ausblick betonte Professorin Parchmann noch einmal, dass sie auch zukünftig aktuelle Forschungs- und Entwicklungsthemen sowie das Verständnis dafür in die Bildung und in die Gesellschaft bringen möchte, zum Beispiel durch die Umsetzung in Schülerexperimente. Ihre abschließenden Worte verband sie mit der Einladung an alle zuhörenden Flad-Schüler zum Studium in Kiel und der Mitarbeit an diesen spannenden Projekten.
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.
Prof. Dr. Ilka Parchmann