HEFT 3 / 64. JAHRGANG / 2015 KURZFASSUNGEN / PdN PHYSIK in der Schule Nanotechnologie für neue Materialien M. Kamp Einsatz eines Rasterkraftmikroskops in der Schule T. Claußen u. A. Bergmann Unter Nanostrukturen versteht man Strukturen, die in mindestens einer Raumrichtung Abmessungen im Bereich von 1-100 nm aufweisen. Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit, Farbe oder Härte können im Nanobereich durch Form und Abmessungen beeinflusst werden, was zusätzliche Freiheitsgrade bei der Entwicklung neuartiger Materialen ermöglich. Des Weiteren weisen Nanostrukturen und vor allem Nanopartikel ein extrem großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen auf. Der Artikel beschreibt Herstellungsverfahren von Nanostrukturen durch Lithographie (top-down) und Selbstorganisation (bottom-up), und deren Anwendungen in Materialien und Bauelementen. Ein wichtiges Instrument im Bereich der Nanotechnologie ist das Rasterkraftmikroskop (AFM = atomic force microscope). Mit einem AFM können Oberflächenstrukturen mit einer Auflösung im Nanometerbereich abgetastet werden, es übersteigt damit das Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen deutlich. In diesem Artikel werden der Aufbau und die Funktionsweise eines einfachen und für den Schulbetrieb geeigneten Rasterkraftmikroskops erläutert. Es wird aus Erfahrungen mit dem AFM in einem Schülerlabor berichtet und es werden Hinweise für die Integration des Themas Rasterkraftmikroskpie in den Physikunterricht der Sekundarstufe II gegeben. PdN-PhiS 3/64, S. 24 PdN-PhiS 3/64, S. 5 Der Mikro-Nano-Kosmos im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe A. Kraynova u. M. Komorek Nanoswitches – kleine Schalter, große Zukunft? F. Leiß, R. Detemple, M. Salinga u. H. Heinke Die Physik der Strukturen und Phänomene, die sich zwischen 10-3 m und 109 m abspielen, ist im Physikunterricht unterrepräsentiert. Das aufstrebende interdisziplinäre Feld der Nanophysik kann dazu beitragen, die komplementären Zusammenhänge zwischen Mikro-/Nanostrukturen und makroskopischen Eigenschaften aufzuklären. Es wird eine Elementarisierung grundlegender Prinzipien der Nanophysik als Grundlage eines Unterrichts vorgeschlagen. Weitere Grundlage stellt ein empirisch angelegtes „teaching experiment“ dar, bei dem Oberstufenschüler/innen entlang von Nanophänomenen, Abbildungen und Analogmodellen zu ihren mentalen Modellen vom Mikro-Nano-Kosmos befragt wurden. Insbesondere Zwischenräume, Poren und Höhlungen haben für sie ein größeres Erklärungspotential als für die Wissenschaft. Analytische und empirische Ergebnisse führen zum hier diskutierten Unterrichtskonzept. Durch ein neuartiges Speicherprinzip haben sogenannte Nanoswitches das Potenzial, die elektronischen Speichertechnologien zu revolutionieren. Hierfür können auch Phasenwechsel-Materialien zum Einsatz kommen, die bereits als optische Speichermedien in wiederbeschreibbaren CDs, DVDs und Blu-Ray-Discs verwendet werden. Das Prinzip dieser Materialien wird in diesem Artikel erläutert und eine mögliche Einbettung in den Unterricht mit einfachen Analogieexperimenten aufgezeigt. PdN-PhiS 3/64, S. 12 Ein besonderer Forschungszweig der Nanotechnologie beschäftigt sich mit der Entwicklung von magnetischen Flüssigkeiten - den Ferrofluiden. Im vorliegenden Artikel werden einige physikalische Aspekte dieser Flüssigkeit beleuchtet und eine Anleitung vorgestellt, wie man selbst ein solches Fluid herstellen kann. Außerdem werden einige Versuche mit den Flüssigkeiten vorgestellt, wie man Ferrofluide beim Thema Magnetismus im Unterricht einbinden kann. Hineinhorchen in die Nanowelt – Modelle zur Mikroskopie mit Rastersonden und bioakustische Analogien M. Euler Der Artikel beschreibt Modellversuche zur Rastertunnelmikroskopie, die auf der partiellen Analogie von Materie- und Schallwellen beruhen. Die akustischen Experimente machen die bildgebenden Verfahren mit einem Minimum an theoretischen Vorkenntnissen transparent. Darüber hinaus verweisen sie auf analoge Prinzipien der Nahfeldabbildung, die unser Gehör bei der Lokalisation von Schallquellen nutzt. Auch bei der Verarbeitung der Schallsignale im Innenohr ergeben sich insofern enge Bezüge zur Nanosensorik, als die Haarzellen ähnlich einem System von Rasterkraftmikroskopen arbeiten. Eine Diskussion dieser produktiven Analogien verankert die Rastersondenmikroskopie in Alltagserfahrungen und gibt Einblicke in unsere eigene biomechanische Sensorik, die im weitesten Sinne dynamische Bilder aus der Nanowelt generiert. PdN-PhiS 3/64, S. 20 PdN-PhiS 3/64, S. 29 Herstellung und Anwendungen von Ferrofluiden S. Reuß u. T. Wilhelm PdN-PhiS 3/64, S. 33 Nanomedizin im Schuluntericht S. Thalhammer u. M. Funke Warum benötigen wir die Nanotechnologie in der Medizin? Alle Lebensprozesse spielen sich auf der Nanometerebene ab – von den Zellen und den darin befindlichen Organellen bis hin zu den Biomolekülen. Die Nanotechnologie insbesondere die Nanomedizin bieten für einen zeitgemäßen Unterricht hervorragende Voraussetzungen. Anwendungen halten immer mehr Einzug in unseren Lebensalltag und haben damit einen hohen motivierenden Effekt. Hier zeigen wir am Beispiel von Gold-Nanopartikeln wie in einfachen Experimenten der fächerverbindende Ansatz gelingen kann. PdN-PhiS 3/64, S. 36 HEFT 2 / 64. JAHRGANG / 2015 Moment mal ... (15): Wie sind die Abstände der Strommaxima in der IA-UKurve beim Franck-Hertz-Experiment richtig zu interpretieren? M. Hildebrandt u. R. E. Robson Das Franck-Hertz-Experiment zeigt anschaulich die quantisierten Eigenschaften der Atome und bestätigt damit das Bohr’sche Atommodel. Leider ist die traditionelle Lehrbuchinterpretation nicht ausreichend und wird dem bedeutenden Experiment nicht gerecht. Der Vergleich des Messwertes in Quecksilberdampf oder Neon mit den Anregungsniveaus dieser Atome macht deutlich, dass entgegen der bisherigen Interpretation der jeweils gemessene Abstand der Strommaxima in der IA-U-Kurve nicht nur durch ein Anregungsniveau, das durch monoenergetische Elektronen angeregt wird, bestimmt wird. Rechnungen mit den Methoden der elementaren kinetischen Gastheorie bestätigen, dass alle Anregungsniveaus mit ihren Anregungswahrscheinlichkeiten und eine breite Energieverteilung der Elektronen berücksichtigt werden müssen. PdN-PhiS 3/64, S. 42 Fliegen: Entscheidung in der Auftriebsfrage Ch. Rühenbeck Viele Fachleute sind der Meinung, die beiden seit 25 Jahren konkurrierenden Erklärungen zur Ursache des aerodynamischen Auftriebs, das Druck- und das Rückstoßmodell, seien mathematisch und physikalisch äquivalent und damit zum Zweck einer Verwendung in der Schule austauschbar. Mithilfe einer einfachen von beiden Erklärungsmodellen unabhängigen Beobachtung sowie der zugehörigen Interpretation kann jedoch entschieden werden, welcher der beiden Erklärungen die Zukunft gehören wird: Dem Druckmodell. PdN-PhiS 3/64, S. 46 Rätsel „Zustandsformen“ H. Rössel Mit dem Kreuzworträtsel kann man im Physik- und Chemie-Anfangsunterricht (und eventuell auch im Nawi-Unterricht der Klassen 5/6) die Zustandsformen und Zustandsänderungen von Stoffen wiederholen, noch bevor ein erstes, einfaches Teilchenmodell erarbeitet wird. PdN-PhiS 3/64, S. 49 KURZFASSUNGEN / PdN PHYSIK in der Schule