Herstellung und Untersuchung von Nano-Goldpartikeln

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.

Kompetenzen

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.

Kurzinformation

Didaktisch-methodischer Kommentar

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 für den Unterricht
  Hier finden Sie Hinweise zum Einsatz der klassischen Arbeitsblätter und der Lernumgebungen sowie detaillierte Handreichungen zu den virtuellen Experimenten.

Download

Arbeitsmaterialien

Lösungsvorschläge

• nano_goldpartikel_loesungen.zip
  Lösungen zu den Aufgaben im PDF- und RFT-Format. Bei den Beobachtungsaufgaben zur Goldsol-Herstellung wird auf das virtuelle Experiment verwiesen.

Zusatzinformationen

• Links und Literatur
  Hier finden Sie Internetadressen von Schülerlaboren sowie Literatur zum Thema Nanotechnologie im Schulunterricht.

Informationen zu den Autoren

Katrin Prete absolvierte das Lehramtsstudium für die Fächer Mathematik und Chemie an der Universität des Saarlandes. Ihre wissenschaftliche Staatsexamensarbeit hat sie im Schülerlabor NanoBioLab angefertigt.

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.

Kommentare zu dieser Unterrichtseinheit

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