Lernende stellen im Schülerexperiment Nano-Goldpartikel her und erkennen die Farbe der Goldsole als größenabhängige Eigenschaft der Nanopartikel. Interaktive Lernumgebungen visualisieren die Reaktionen auf der Teilchenebene und ermöglichen die Untersuchung der Nanopartikel im virtuellen Elektronenmikroskop.Der erste Teil der fächerübergreifenden Unterrichtseinheit (Chemie und Physik) findet im Schul- oder Schülerlabor statt. Die Lernenden präparieren mithilfe einer Versuchsvorschrift unterschiedlich große Gold-Nanopartikel in Dispersion (Kolloidchemie). Die verschiedenen Größen der Goldpartikel werden schon bei der Präparation an der unterschiedlichen Farbe erkennbar. Der zweite Teil der Unterrichtseinheit findet im Rechnerraum statt. Die Schülerinnen und Schüler wiederholen die Präparation der Gold-Nanopartikel noch einmal im Rahmen eines virtuellen Experiments und können dabei beobachten, was auf der Teilchenebene passiert. Mithilfe eines interaktiven Lernmoduls lernen sie zudem Schritt-für-Schritt die Funktion und Betriebsweise eines Elektronenmikroskops kennen: Sie können ein virtuelles Transmissionselektronenmikroskop bedienen, die (virtuell und/oder real) hergestellten Partikel anschauen und sich davon überzeugen, dass den verschiedenfarbigen Goldsolen unterschiedlich große Nanopartikel zugrunde liegen. Kombination von Realexperiment und Computereinsatz Die Nanotechnologie und speziell die chemische Nanotechnologie bieten Schülerinnen und Schülern keinen unmittelbaren Zugang. Nanoplättchen, Nanostäbchen oder Nanopartikel lassen sich im Schülerexperiment zwar leicht herstellen, zum Beispiel durch Fällungen, jedoch lichtmikroskopisch nicht sichtbar machen. Ein Elektronenmikroskop wäre dafür erforderlich, aber eine solche Hochtechnologie-Apparatur ist für Schule und Schülerlabor viel zu teuer und zu empfindlich. Aus diesem Dilemma heraus entstand die vorliegende Unterrichtseinheit: Für die Präparation von Nanopartikeln sollen die Schülerinnen und Schüler vorzugsweise selbstständig experimentieren und damit die Faszination des Experiments erleben. Die Untersuchung der Produkte im virtuellen Elektronenmikroskop einer interaktiven Lernumgebung erfolgt nach dem Realexperiment im Rechnerraum der Schule. Eine Alternative: Außerschulische Lernorte Falls die räumlichen Möglichkeiten für das Schülerexperiment in der Schule nicht gegeben sind, kann dieser Teil der Unterrichtseinheit in einem außerschulischen Schülerlabor, zum Beispiel an einer Universität, stattfinden. Alternativ kann die Lehrperson den Versuch als Demonstrationsexperiment vorführen. In jedem Fall können die Schülerinnen und Schüler den Versuch am Rechner multimedial durchführen beziehungsweise wiederholen. Teil 1: Kolloidale Systeme Nach der (optionalen) Herstellung von Nano-Goldpartikeln werden die Vorgänge auf der Teilchenebene mithilfe einer Lernumgebung visualisiert. Teil 2: Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Schülerinnen und Schüler lernen die Funktionsweise eines Elektronenmikroskops kennen und untersuchen virtuell die Größe von Nano-Goldpartikeln. Materialien Hier finden Sie Hinweise zum Einsatz der klassischen Arbeitsblätter und der Lernumgebungen sowie detaillierte Handreichungen zu den virtuellen Experimenten. Fachkompetenz - kolloidale Systeme Die Schülerinnen und Schüler sollen die Begriffe Kolloid und Nanopartikel und ihren Zusammenhang kennen. die Dimension nanoskaliger Materialien kennen und zu bekannten Materialien anderer Dimensionen in Beziehung setzen können. den Begriff kolloidale Dispersion kennen und kolloidale Dispersionen in Zweistoffsystemen je nach Aggregatzustand der dispersen Phase und des Dispersionsmittels klassifizieren können. Methoden zur Unterscheidung zwischen "echten" Lösungen, kolloidalen Dispersionen und grobdispersen Systemen kennen. die Synthese von Goldkolloiden durchführen. wissen, dass die optischen Eigenschaften der hergestellten Goldkolloide im Zusammenhang mit der Größe der Kolloide stehen. den Begriff Koagulation/Aggregation kennen. Fachkompetenz - Transmissionselektronenmikroskop Die Schülerinnen und Schüler sollen das TEM als Werkzeug zur Visualisierung von Nanopartikeln kennen. begründen, warum Nanopartikel nicht mithilfe eines Lichtmikroskops beobachtet werden können. den Aufbau und den Strahlengang des Elektronenstrahls im TEM kennen. wissen, warum im Vakuum gearbeitet werden muss. die Bilderzeugung im TEM als Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Probe kennen. elastisch und unelastisch gestreute Elektronen als Ursache für die verschiedenen Kontraste im elektronenmikroskopischen Bild kennen. Thema Herstellung und Untersuchung von Nano-Goldpartikeln Autoren Katrin Prete, Dr. Walter Zehren, Prof. Dr. Rolf Hempelmann Fächer Chemie, Physik Zielgruppe ab Klasse 9 Technische Voraussetzungen Möglichkeit für chemisches Experimentieren (optional); Rechner in ausreichender Anzahl (Partnerarbeit), mindestens ein Präsentationsrechner mit Beamer, Flash-Player 9 Dr. Walter Zehren ist Studienrat an der Saarbrücker Marienschule und teilabgeordnet an die Universität des Saarlandes. Dort leitet er das Schülerlabor NanoBioLab und hat zum Thema Forschendes Experimentieren im Schülerlabor promoviert. Rolf Hempelmann ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher des Saarländischen Schülerlaborverbunds SaarLab. Umrechnung von Maßeinheiten Die Schülerinnen und Schüler müssen in der Lage sein, verschiedene Maßeinheiten (Meter, Millimeter, Nanometer) ineinander umzurechnen. Diese Kompetenzen werden im Fach Mathematik in Klasse 5 erworben. Aggregatzustände Die Lernenden benötigen Kenntnisse über Aggregatzustände und über die verschiedenen Typen chemischer Stoffgemische. Diese Kompetenzen werden im Fach Chemie in Klasse 8 erworben. Redox-Reaktionen Zum Verständnis der Synthese der Gold-Nanopartikel müssen die Schülerinnen und Schüler den erweiterten Redox-Begriff kennen: Redox-Reaktionen müssen als Elektronenübertragungsreaktionen bekannt sein. Dies wird im Fach Chemie in Klasse 9 thematisiert. Der erste Teil der Unterrichtseinheit behandelt einige Aspekte der Kolloid- und Nanochemie und besteht aus einem Experimentalteil und einer interaktiven Lernumgebung zur Herstellung von Goldsol, also einer Suspension von Gold-Nanopartikeln. Gold- und auch Silber-Nanopartikel zeigen einen interessanten Farbeffekt im sichtbaren Spektralbereich: Die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen führt dazu, dass sich die Farbe des Metalls in Abhängigkeit von der Größe und Form der Nanoteilchen stark verändert (Abb. 1). Zum Beispiel sehen Suspensionen von kleinen Gold-Nanopartikeln in Wasser rot aus (im Gegensatz zu dem gelblichen Schimmer, den Gold normalerweise zeigt). Aggregiert man diese Partikel teilweise, so ändert sich die Farbe zu dunkelblau bis violett. Einstieg und Schülerexperiment Der erste Teil der Unterrichtseinheit gliedert sich in zwei Abschnitte. Zunächst erfolgt eine Einführung in das Thema kolloidale Systeme. Durch geeignete Aufgabenstellungen wird den Schülerinnen und Schülern zunächst die Dimension, also der Größenbereich, der Nanochemie nahe gebracht, und es werden die Begriffe Nanopartikel beziehungsweise Kolloid geklärt. Danach folgt eine Reihe von Experimenten, welche die Schülerinnen und Schüler mit den bis zur Klasse 9 erworbenen Vorkenntnissen in Eigenarbeit durchführen können. Der Einfluss des Zerteilungsgrades (des Dispersionsgrades) auf die Eigenschaften von Stoffen und die Unterscheidung zwischen echten Lösungen und kolloidalen Dispersionen können im Experiment selber entdeckt werden. Zum Abschluss werden Goldkolloide verschiedener Größen hergestellt. Die Herstellung von Goldkolloiden ist gleichzeitig die Überleitung zum zweiten Abschnitt des ersten Teils der Unterrichtseinheit, der Multimedia-Anwendung. Virtuelles Experiment, Visualisierung der Teilchenebene Die interaktive Lernumgebung zeigt zunächst noch einmal den zuvor durchgeführten Versuch zur Herstellung von Goldkolloiden. Dabei werden die Schritte der Reaktion auf der Teilchenebene visualisiert (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken), und den Schülerinnen und Schülern wird schließlich die unterschiedliche Farbe der Goldsole erklärt (Abb. 3). An die Animation zum Versuch schließt sich eine Wiederholungsphase an, in der die Lernenden interaktiv den Zusammenhang zwischen Partikelgröße und Farbe der Goldsole bearbeiten können (Abb. 4). Weiter geht es mit einer Übungsphase, in der Schülerinnen und Schüler das Gelernte anwenden. Methodenvielfalt Im ersten Teil der Unterrichtseinheit wird also mit verschiedenen Medien gearbeitet: Arbeitsblätter, Schülerexperimente und Multimedia-Anwendungen. Durch diese Methodenvielfalt wird auf die Heterogenität der Lernvoraussetzungen und der Interessen der Schülerinnen und Schüler eingegangen, wodurch möglichst viele Lernende erreicht und für die Beschäftigung mit dem Nanobereich motiviert werden sollen. Die einzelnen Schritte und Inhalte des gesamten virtuellen Experiments werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_virtuelles_experiment.pdf) ausführlich beschrieben und mit zahlreichen Screenshots dargestellt. Glühelektrischen Effekt, Kondensator Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über den Glühelektrischen Effekt und das Prinzip eines Kondensators besitzen (Physik, Oberstufen-Grundkurs). Linke-Hand-Regel Die Lernenden müssen in der Lage sein, mithilfe der Linke-Hand-Regel die magnetischen Feldrichtungen einer Spule zu bestimmen (Physik, Klasse 9). Lorentzkraft Die Schülerinnen und Schüler müssen Kenntnisse über die Bewegung von elektrischen Ladungsträgern im magnetischen Feld besitzen. Sie müssen die Richtung der Kraftwirkung der Lorentzkraft mit der Drei-Finger-Regel bestimmen können (Physik, Klasse 9). In einem interaktiven Lernmodul werden der Aufbau und die Funktionsweise des TEM Schritt-für-Schritt erläutert. Damit wird eine wichtige Methode der Nanotechnologie eingeführt. Sie erlaubt es, die zuvor im (realen und/oder) virtuellen Experiment hergestellten Nanopartikel zu visualisieren. Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, welches das Innere oder die Oberfläche einer Probe mithilfe von Elektronen abbilden kann. Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben und die Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (etwa 1 Nanometer; mit einem einem Höchstleistungs-TEM bis zu 0,1 Nanometer) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (typischerweise etwa 1 Mikrometer, im Extremfall bis zu 200 Nanometer). Die einzelnen Seiten, Inhalte und Funktionen der Lernumgebung zum Transmissionselektronenmikroskop (TEM) werden in einer Handreichung (tutorial_goldsole_TEM.pdf) ausführlich beschrieben und mit Screenshots dargestellt. Tutorielles System zur Funktion des TEM Die Lernumgebung erlaubt es, die hergestellten Gold-Nanopartikel "virtuell" zu untersuchen. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, wie die zuvor bereits verwendeten TEM Aufnahmen (vergleiche Abb. 4 ) entstehen. Dabei kommt eine Multimedia-Anwendung im Stil eines tutoriellen Systems zum Einsatz. Auf der Startseite wird das Thema dargestellt, und den Lernenden wird ein motivierender Einstieg in das Thema geboten. Außerdem wird auf dieser Seite ein Einblick gegeben, welche Lerninhalte nachfolgend bearbeitet werden. Informationsseiten An die Startseite knüpfen dann Informationsseiten an, auf denen den Schülerinnen und Schülern Lerninhalte durch Texte, Animationen oder Bilder präsentiert werden, die in individueller Geschwindigkeit bearbeitet werden können (Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). Sie können dabei auch zu vorangegangenen Lerninhalten zurückzuspringen, um nicht Verstandenes zu wiederholen. Übungen und Ergebnissicherung Die Informationsseiten bilden Themenblöcke oder "Bausteine". Nach jeweils einem Baustein schließen sich Übungsseiten an, mit deren Hilfe das Gelernte überprüft und die Lernergebnisse gefestigt werden (Abb. 6). Dabei kommen in der Regel recht kurz gehaltene Multiple-Choice-Aufgaben, Lückentexte oder Wortpuzzles zum Einsatz, an einigen Stellen allerdings auch komplexere Aufgabenstellungen. Die Übungen bieten auch die Möglichkeit zur Differenzierung - leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler, die schneller mit dem Programm fertig werden, können zusätzliche Aufgaben lösen. Den Abschluss des Programms bildet eine Lückentextübung zum TEM. Anwendungssimulation Im Anschluss an das tutorielle System folgt eine kleine Simulation. Hier haben die Schülerinnen und Schüler ein virtuelles TEM vor sich, in dem sie die Goldsole virtuell untersuchen können. Hierbei handelt es sich um eine Anwendungssimulation. Die Lernenden sollen die Handhabung des TEM prinzipiell verstehen. Dabei führen sie dieselben "Handgriffe" aus, die sie auch im Umgang mit einem realen TEM ausführen müssten (Abb. 7). Bei Fehlern - wenn zum Beispiel vergessen wird, in der Probenkammer ein Vakuum anzulegen - gibt das Programm eine entsprechende Rückmeldung ("Vorsicht, überprüfe dein Vorgehen"). 1. Partikel mit Potenzial: Nanoteilchen und Kolloide Das erste Arbeitsblatt (1_nanoteilchen_groessenvergleiche.pdf) führt die Begriffe Nanoteilchen und Kolloide ein. Der Text beginnt mit den Begriffsbestimmungen. Daran knüpfen sich fünf Aufgaben an, die den Schülerinnen und Schülern helfen sollen, sich die Dimensionen der Nanowelt in Relation zur Lebenswelt zu veranschaulichen: Die Lernenden sollen die Dimension des Nanometers durch Vergleiche mit Gegenständen aus ihrem alltäglichen Erfahrungsbereich erfassen. Nur durch diese Vergleiche ist es möglich, die winzigen Dimensionen zu verdeutlichen. Unbekanntes wird auf Bekanntes zurückgeführt und kann besser gelernt und verstanden werden. Aufgabe 3 ermöglicht es den Lernenden mit einem kleinen Experiment, sich selbst die Größe zu veranschaulichen und die Ergebnisse direkt zu sehen. Die Dimension des Nanometers wird im Experiment natürlich nicht erreicht, dennoch wird sie erlebbar und besser vorstellbar. 2. Eigenschaften von Nanopartikeln und Kolloiden Das zweite Arbeitsblatt (2_eigenschaften_nanoteilchen_kolloide.pdf) soll die Veränderung der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Stoffs in Abhängigkeit von seinem Zerteilungsgrad veranschaulichen. Die Verkleinerung eines Stoffes in nanoskalige Dimensionen führt zu völlig neuen Werkstoffeigenschaften. In der ersten Aufgabe wird zunächst veranschaulicht, dass mit zunehmendem Zerteilungsgrad die Oberfläche eines Stoffes wächst und somit eine viel größere Oberfläche reagieren kann. Die Auswirkung einer größeren Oberfläche auf die Reaktionsgeschwindigkeit kennen die Schülerinnen und Schüler aus Standard-Experimenten des Chemieunterrichts, wie zum Beispiel der Verbrennung eines Eisennagels gegenüber der Verbrennung von Stahlwolle. In einem Versuch sollen die Lernenden nun entdecken, dass sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad auch physikalische Eigenschaften verändern, wie zum Beispiel das magnetische Verhalten eines Stoffs. Die Reaktionsgleichung wird auf den Arbeitsblättern angegeben, da sie mit dem den Schülerinnen und Schülern zu Verfügung stehenden Vorwissen nicht aufgestellt werden kann, von diesen aber zum Verständnis der Reaktion benötigt wird. Zusätzlich wird der Begriff des Hydrats kurz vorgestellt, da als Ausgangsstoffe Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat und Eisen(II)-Chlorid-Tetrahydrat eingesetzt werden und der Hydrat-Begriff aus dem Unterricht in dieser Form nicht geläufig ist. 3. Unterscheidung zwischen echten und kolloidalen Dispersionen Mit dem dritten Arbeitsblatt (3_dispersionen.pdf) lernen die Schülerinnen und Schüler den Tyndall-Effekt als eine Möglichkeit kennen, zwischen echten Lösungen und kolloidalen Systemen zu unterscheiden. In einem Versuch werden verschiedene Lösungen beziehungsweise Dispersionen mithilfe des Tyndall-Effektes identifiziert. Mit der Aufgabe, für die Dispersionen das Dispersionsmittel und die disperse Phase anzugeben, wird an das Vorwissen der Lernenden angeknüpft, da die Einteilung von Stoffgemischen bereits in Klasse 8 erlernt wird. 4. Herstellung von Goldkolloiden Das vierte Arbeitsblatt (4_goldkolloide.pdf) beschreibt einen Versuch zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln unterschiedlicher Größe. Zum Einstieg werden Verwendungsmöglichkeiten von Gold-Nanopartikeln aufgezeigt und hervorgehoben. Durch die Herstellung von Gold-Nanopartikeln wird mit der Farbe eine weitere spezifische Stoffeigenschaft angesprochen. Sie ändert sich mit zunehmendem Zerteilungsgrad von dem charakteristischen Goldgelb bis hin zu Rot. Hierbei handelt es sich um einen Größenquantisierungseffekt (englisch "quantum size effect"): sehr kleine Teilchen unterliegen mit abnehmender Teilchengröße zunehmend den Gesetzen der Quantenmechanik, woraus sich die Änderung der Eigenschaften von Nanopartikeln im Vergleich zu grobkristallinen Stoffen der gleichen chemischen Zusammensetzung erklärt. Die einführenden Texte dienen zur Motivation der Schülerinnen und Schüler, in einem Experiment selbst Gold-Nanopartikel herzustellen. 5. Arbeitsblatt und interaktive Lernumgebung Für die Bearbeitung der Aufgabenstellungen des fünften Arbeitsblatts (4_2_goldkolloide.pdf) kann die Flash-Lernumgebung zur Herstellung von Goldkolloiden herangezogen werden. Die Aufgabe greift auf bereits vorhandenes Wissen zurück, wie zum Beispiel den erweiterten Redox-Begriff, und fungiert auch als Ergebnissicherung für neu erlernte Inhalte. Die Fragen können nach der Arbeit mit der Lernumgebung beantwortet werden. Teilweise müssen Lerninhalte aus den vorangegangenen Arbeitsblättern angewendet werden, sodass durch zusätzliche Wiederholung eine Festigung des Gelernten gewährleistet werden kann. Einsatzmöglichkeiten Das virtuelle Experiment zur Herstellung verschiedenfarbiger Goldsole veranschaulicht die Vorgänge auf der Teilchenebene. Mit ihm wird auch erarbeitet, dass die Farbe der Goldsole von der Größe der Nano-Goldpartikel abhängig ist. Die Lernumgebung kann flexibel eingesetzt werden: Schülerexperiment und virtuelles Experiment Nach der experimentellen Herstellung von Goldsolen im Schülerversuch (im Chemielabor der Schule oder in außerschulischen Schülerlaboren) kann die Lernumgebung zur Herstellung von Goldsolen zur "virtuellen Wiederholung" und insbesondere zur Darstellung der Vorgänge auf der Teilchenebene genutzt werden. Lernende experimentieren nur "virtuell" Besteht keine Möglichkeit, den Versuch als Schülerexperiment durchzuführen, können die Lernenden die Herstellung von Goldsolen auch ausschließlich am Rechner durchführen - im Idealfall in Partnerarbeit im Computerraum der Schule. Präsentation per Beamer Alternativ oder zusätzlich zur Bearbeitung im Computerraum kann die Lehrperson die Flash-Animationen zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs im Fachraum per Beamer einsetzen. Die Lehrperson oder einzelne Schülerinnen und Schüler können den Prozess dann noch einmal für alle beschreiben. Einsatzmöglichkeiten Dieses Lernmodul ist für die Einzel- oder Partnerarbeit am Rechner konzipiert. Alternativ können die Animationen und interaktiven Übungen aber auch zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs (Beamerpräsentation) genutzt werden. Die Lernumgebung zum TEM kann natürlich auch in anderen unterrichtlichen Zusammenhängen - unabhängig von der Herstellung von Goldsolen - zum Einsatz kommen. Prete, Katrin Visualisierung von Nanopartikeln mittels TEM und STM, aufgearbeitet als eine mediengestützte Unterrichtseinheit, Wissenschaftliche Staatsexamensarbeit, Saarbrücken 2009 Zehren, Walter Forschendes Experimentieren im Schülerlabor , Dissertation, Saarbrücken 2009 Sepeur, Stefan Nanotechnologie - Grundlagen und Anwendungen, Vincentz Network, Hannover 2008 Dörfler, Hans-Dieter Grenzflächen und kolloid-disperse Systeme, Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg 2002 Hempelmann, Rolf; Zehren, Walter; Mallmann, Matthias Nanotechnologie im Schulunterricht, NanoBioNet Newsletter II/2008, nanotechnologie aktuell 2, 88-91 (2009) Walter Zehren ist Studienrat an der Saarbrücker Marienschule und teilabgeordnet an die Universität des Saarlandes. Dort leitet er das Schülerlabor NanoBioLab und hat zum Thema Forschendes Experimentieren im Schülerlabor promoviert. Rolf Hempelmann ist Professor für Physikalische Chemie und Geschäftsführender Leiter des Transferzentrums Nano-Elektrochemie an der Universität des Saarlandes. Er ist Betreiber des Schülerlabors NanoBioLab und Sprecher des Saarländischen Schülerlaborverbunds SaarLab.