Nano verstehen: Forschende entwickeln einfache Experimente für komplexe Konzepte

26. November 2024

Foto: Sarodi Jonak Dutta

Beim Übergang von Bulk- zu Nanomaterialien bleibt das Material gleich, aber es verändert sich die Oberfläche.

Foto: Sarodi Jonak Dutta

Beispiele für einfache Experimenten sind der Bau von Würfeln, um das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu veranschaulichen, oder die Beobachtung der Schmelzraten von größeren und kleineren Eiswürfeln.

Foto: Sarodi Jonak Dutta

Einfache, praktische Lernmittel machen komplexe Konzepte zugänglich.

Bei der Verkleinerung von Bulk-Materialien auf die Nanometerskala vergrößert sich vor allem das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen drastisch. Forschende vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg haben einfache Experimente für Bachelor-Studierende, Schülerinnen und Schüler entwickelt, um dieses Konzept im Laborunterricht zu veranschaulichen. In der Zeitschrift Chemical Education stellen sie diese Experimente vor und beschreiben auch, wie sich so die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Materialien demonstrieren lassen.

Eine der auffälligsten Eigenschaften von Nanomaterialien ist das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis. „Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass beim Übergang von Bulk- zu Nanomaterialien das Material selbst gleich bleibt. Es gibt keine chemische Reaktion, keine Veränderung der Atome, aber es gibt eine neue Oberfläche“, sagt Sarodi Jonak Dutta, die für ihre herausragenden wissenschaftlichen Leistungen mit einem Fellowship des Exzellenzclusters „Cui: Advanced Imaging of Matter“ ausgezeichnet wurde. Als Forscherin in der Gruppe von Professor Wolfgang Parak und aufgrund ihres Interesses an der Lehre und der Vermittlung von Wissen, engagiert sie sich stark für die Ausbildung junger Menschen. In einem gerade veröffentlichten Video beschreibt sie verschiedene Förderprogramme des Clusters und teilt ihre Begeisterung für die Wissenschaft: „Wenn du die Wissenschaft liebst, werde Teil der Wissenschaft. Es ist wunderschön."

Die Idee, die der Publikation zugrunde liegt, bestand in der Konzeption von Experimenten, die in einem Bildungsumfeld vielfältig eingesetzt und evaluiert werden können, um die Effektivität in unterschiedlichen Altersgruppen zu analysieren. Die Experimente richten sich an ältere Schülerinnen und Schüler oder Bachelor-Studierende, die bereits mit dem Begriff „Nano" vertraut sind und ein Interesse daran haben, mehr darüber zu erfahren. 

Die Gruppe stellt das Konzept des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses anhand mehrerer einfacher, aber effektiver Experimente vor und erläutert anschließend, wie die Verkleinerung von Materialien auf die Nanoskala ihr Oberflächen-Volumen-Verhältnis deutlich erhöht. Als Folge dessen weisen Nanomaterialien einzigartige Eigenschaften auf, wie höhere Reaktivität, schnellere Auflösung und niedrigere Schmelzpunkte im Vergleich zu ihren größeren Gegenstücken.

Diese Konzepte sind weithin bekannt und für das Verständnis von Nanomaterialien unerlässlich. Das Team wollte daher einfache, praktische Lernmittel entwickeln, mit denen diese komplexen Konzepte zugänglich und einprägsam werden. Beispiele für einfache Experimenten sind der Bau von Würfeln, um das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu veranschaulichen, oder die Beobachtung der Schmelzraten von größeren und kleineren Eiswürfeln.

„Wir hoffen, dass eine weitere Vereinfachung oder Standardisierung dieser Experimente dazu beitragen kann, sie in einen Standardlehrplan zu integrieren und so die Zugänglichkeit und das Verständnis in der Materialwissenschaft und Nanotechnologieausbildung zu verbessern“, sagt Sarodi Jonak Dutta.

 Video mit Sarodi Jonak Dutta

Publikation:

Maria Pozzi, Sarodi Jonak Dutta, Mia Kuntze, Jeannette Bading, Johanna S. Rüßbült, Cornelius Fabig, Malte Langfeldt, Florian Schulz, Patricia Horcajada, and Wolfgang J. Parak

Visualization of the High Surface-to-Volume Ratio of Nanomaterials and Its Consequences

J. Chem. Educ. 101, 3146−3155 (2024)

DOI: 10.1021/acs.jchemed.4c00089