snc nanochemie modul
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Datum:
Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen
Tel. +41 (0) 71 274 72 66, [email protected]
www.swissnanocube.ch
Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere
Fachschulen
Nanochemie Modul
3. Dezember 2010
Modulsponsor:
© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St.Gallen
Inhaltsübersicht
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1. Pyrophores Eisen
2. Ferrofluid 3. Flüssigkristalle
4. Goldrubinglas 5. Nanogold
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1. Pyrophores Eisen
Spontane Oxidation von Eisen-Nanopartikeln
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Spontane Verbrennung von Eisen-Nanopartikeln
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Pyrophore Eisen-Nanopartikel
Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Pyrophores Eisen“ zu finden.
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Inhalt
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Einführung
Experimentelle Durchführung
Materialien, Chemikalien, Vorgehen
Sicherheitshinweise
Theoretische Grundlagen
Oberflächeneffekt
Repetition: Oxidation/Verbrennung
Herstellung Pyrophores Eisen
Lernziele/Kontrollfragen
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Einführung
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Auflösen von Zucker in Wasser
Wie kann man das Auflösen eines Zuckerwürfels im Tee beschleunigen?
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Einführung
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Auflösen von Zucker in Wasser: Pulver löst sich schneller als grosse Kristalle.
Nach 1 min Nach 3 min
Vergleich: Kandis-Zucker mit Kristall-Zucker
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Experimentelle Durchführung
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Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen
Herstellung von Ammoniumeisenoxalat:
Di-Ammoniumoxalat
Ammoniumeisen(II)-Sulfat
Destilliertes Wasser
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Experimentelle Durchführung
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Video Pyrophores Eisen
Video: Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen
www.swissnanocube.ch
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Experimentelle Durchführung
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Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
© 2010 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St.Gallen12.04.23
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Theoretische Grundlagen
Oberflächeneffekt
Spezifische Oberfläche = Oberfläche / Kubikmeter
Kantenläng =1 cmVolumen = 1 cm3
Fläche = 1 cm2
Kantenlänge =0.5 cmGesamtvolumen = 1 cm3
Gesamtfläche = 6 cm2
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Theoretische Grundlagen
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Kleiner Exkurs in die Biologie:
Warum sind alle einzelligen Lebewesen so winzig?
Einzeller, Quelle: Wikipedia
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Theoretische Grundlagen
Einzellige Organismen nehmen ihre Nahrung aus-schliesslich über ihre äussere Hülle (Zellmembran) auf.
Je grösser das Volumen, desto geringer das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen:
1 cm3 = >1 cm2 Verhältnis: 1/1
8 cm3 = >4 cm2 Verhältnis: 1/2
64 cm3 = >16 cm2 Verhältnis: 1/4
Einzellige Organismen sind begrenzt in ihrer Grösse.
Die einzige Schnittstelle zur Umgebung ist immer nur die Oberfläche!
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Kleiner Exkurs in die Biologie:
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Theoretische Grundlagen
Oberflächeneffekt
Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität
Je kleiner ein Partikel, desto höher der relative Anteil der Atome/Moleküle, die sich direkt an der Oberfläche befinden.
Zudem: Die Atome an der Oberfläche sind einer geringeren Bindungskraft aus dem Inneren des Partikels ausgesetzt.
Nur die Atome/Moleküle an der Oberfläche können mit der Umgebung interagieren.
Folglich: Stärkere Wechselwirkungen der Atome des Partikels mit der Umgebung des Partikels.
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Theoretische Grundlagen
Oberflächeneffekt bei Eisen-Nanopartikeln
Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität
Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit der Umgebung.
Zum Beispiel: Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit Sauerstoff aus der Umgebung.
Verbrennung bereits „spontan“ bei Raumtemperatur: Pyrophores Eisen.
Pyrophor = leicht entzündlich
Bei makroskopischem Eisen: Oxidation/Verbrennung auch bei Temperaturen von mehr als 600 °C nur sehr langsam.
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Theoretische Grundlagen
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Repetition: Oxidation/Verbrennung
Was ist der Unterschied zwischen einer Oxidation und einer Verbrennung?
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Theoretische Grundlagen
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Repetition: Oxidation/Verbrennung
Oxidation
Ursprünglich: Elektronenübertragung auf Sauerstoff
Heute: Gängiger Begriff für die Abgabe von Elektronen an das Oxidationsmittel (Elektronenakzeptor = Oxidationsmittel)
Verbrennung: Merkmale
Oxidation mit Sauerstoff als Oxidationsmittel
Exotherme Redoxreaktion
Abgabe von Energie (Wärme, Licht)
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Theoretische Grundlagen
Herstellung Pyrophores Eisen
Herstellung Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat
2 (NH4)2C2O4 + (NH4)2FeII(SO4)2 (NH4)2FeII(C2O4)2 + 2 (NH4)2SO4
Thermolytische Zersetzung: Herstellung der Eisen-Nanopartikel
(NH4)2FeII(C2O4)2 Fe + CO + 3 CO2 + 2 NH3 + H2O
Spontane Verbrennung der Eisen-Nanopartikel bei Raumtemperatur
4 Fe + 3 O2 2 FeIII2O3
RT
+ ΔT
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Lernziele/Kontrollfragen
Oberflächeneffekt beschreiben können. Wissen, was man unter der spezifischen Oberfläche
versteht. Erklären können, warum die Reaktivität von Stoffen
zunehmen kann, wenn sie als Nanopartikel vorliegen. Wissen, was „pyrophor“ bedeutet.
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2. FerrofluidSuperparamagnetische Nanopartikel
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Magnetische Flüssigkeiten mit erstaunlichen Eigenschaften
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Ferrofluid aus Magnetit-Nanopartikeln
Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Ferrofluid“ zu finden.
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Inhalt
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Einführung
Experimentelle Durchführung
Materialien, Chemikalien, Vorgehen
Sicherheitshinweise
Theoretische Grundlagen
Grundlagen Magnetismus
Oberflächenfunktionalisierung
Anwendungen
Lernziele/Kontrollfragen
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Einführung
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Video: Krebs bekämpfen mit Ferrofluiden
Video Magforce
www.magforce.de
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Experimentelle Durchführung
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Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids
Video Ferrofluid
www.swissnanocube.ch
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Experimentelle Durchführung
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Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld
Quelle: Swiss Nano-Cube
Feldlinie
Nordpol
Südpol
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Quellen des Magnetfeldes
Elektronen in der Atomhülle: Bewegte Punktladungen
Repetition: Aufbau der Elektronenhülle von Atomen.
Atome können Elementarmagnete sein.
Elektronen bewegen sich um den Atomkern herum und erzeugen ein „schwaches“ Magnetfeld.
Elektronen, die in entgegengesetzte Richtungen drehen, heben ihre Magnetfelder gegenseitig auf.
Wenn über alle Elektronen im Atom die Drehrichtung (=Spin) nicht ausgeglichen ist, ist das Atom ein Elementarmagnet.
Elektromagnete
Stromdurchflossene Spulen
Künstliche Erzeugung von bewegten Ladungen
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung
Magnetisieren heisst, alle Elementarmagnete gleich ausrichten
Bestimmte Materialien können, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, selber magnetisch werden. Sie werden magnetisiert.
Magnetisieren heisst, dass die einzelnen Elementarmagnete bezüglich ihrem Nord- und Südpol alle gleich ausgerichtet werden.
Magnetisierung
Einzelne Elementarmagnete
nicht magnetisch stark magnetisch
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung
Nicht alle Materialien können magnetisiert werden.
Nur jene Materialien, welche aus Elementarmagneten bestehen, können magnetisiert werden.
Ob ein Material aus Elementarmagneten besteht oder nicht, hängt von dem Aufbau der Elektronenhülle des Atoms ab.
Ferromagnete, Paramagnete, Diamagnete.
Materialien, die stark und dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Ferromagnete (z.B. Eisen, Zink, Kobalt).
Materialien, die nur schwach und nicht dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Paramagnete (z.B. Sauerstoff).
Materialien, die gar nicht magnetisiert werden können, nennt man Diamagnete (z.B. Wasser).
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Theoretische Grundlagen
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Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung
Superparamagnete
Materialien, die stark und aber nicht dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Superparamagnete.
Nanopartikel aus ferromagnetischen Materialien sind superparamagnetisch.
In Nanopartikeln sind nicht genügend Atome (=Elementarmagnete) vorhanden, um die Magnetisierung aufrechtzuerhalten.
Durch die thermische Bewegung der einzelnen Atome wird die Ausrichtung wieder aufgehoben, sobald kein äusseres Magnetfeld mehr vorhanden ist.
Ferrofluide bestehen aus superparamagnetischen Nanopartikeln.
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Theoretische Grundlagen
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Igelstrukturen im Ferrofluid
Quelle: Swiss Nano-Cube
Rosensweig Instabilität
Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächen-spannung der Flüssigkeit.
Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser Kräfte.
Starker Magnet
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Theoretische Grundlagen
Flüssige Magnete
Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, um ein Ferrofluid zu erhalten?
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Theoretische Grundlagen
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Ferrofluide sind nicht das selbe wie geschmolzene Ferromagnete!
Bei hohen Temperaturen wird durch die Thermische Energie der Atome die Magnetisierung aufgehoben.
Durch die Verflüssigung ferromagnetischer Materialien verlieren diese ihre ferromagnetischen Eigenschaften und werden paramagnetisch.
Paramagnete können nur schwach und nicht permanent magnetisiert werden.
Im Gegensatz dazu können Ferrofluide stark und nicht permanent magnetisiert werden.
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Theoretische Grundlagen
Flüssige Magnete
Warum verklumpen die einzelnen magnetischen Nanopartikel nicht miteinander?
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Theoretische Grundlagen
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Oberflächenfunktionalisierung verhindert das Verklumpen!
Durch das Erzeugen einer positiv geladenen Oberfläche der einzelnen Nanopartikel kann erreicht werden, dass diese sich gegenseitig abstossen und nicht verklumpen.
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Theoretische Grundlagen
Oberflächenfunktionalisierung
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie
Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting)
Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen
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Anwendungen
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Lernziele/Kontrollfragen
Den Unterschied zwischen Ferromagneten, Paramagneten, Diamagneten und Superparamagneten verstehen.
Verstehen, warum Nanopartikel andere magnetische Eigenschaften besitzen als grössere Partikel.
Erklären können, warum man Ferrofluide nicht einfach durch Schmelzen von Eisen herstellen kann.
Verstehen, was die Oberflächenfunktionalisierung der magnetischen Nanopartikel bewirkt und welchen Nutzen sie hat.
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3. FlüssigkristalleEin Thermometer aus Flüssigkristallen
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Thermotrope Flüssigkristalle ändern ihre Farbe in Abhängigkeit der Temperatur
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Flüssigkristall im WasserbadDetaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Flüssigkristalle“ zu finden.
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Inhalt
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Einführung
Experimentelle Durchführung
Materialien, Chemikalien, Vorgehen
Sicherheitshinweise
Theoretische Grundlagen
Sichtbares Licht
Thermotrope Flüssigkristalle
Lernziele/Kontrollfragen
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Einführung
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Verwendung von Flüssigkristallen in LCD Bildschirmen
Flüssigkristalle können auf Veränderungen ihrer Umgebung mit einer Farbveränderung reagieren.
Elektrische Spannung
Magnetfelder
Temperatur
LCD Bildschirm: „Liquid Crystal Display“
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Experimentelle Durchführung
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Video Flüssigkristalle
Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Flüssigkristall-Thermometers
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Experimentelle Durchführung
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Flüssigkristallthermometer bei Raumtemperatur
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Experimentelle Durchführung
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Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
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Theoretische Grundlagen
Repetition: Wellen und sichtbares Licht
Zu welcher Art von Wellen gehören Lichtwellen?
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Theoretische Grundlagen
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Elektromagnetische Wellen
Quelle: Swiss Nano-Cube
0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km
sichtbares Licht
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Theoretische Grundlagen
Repetition: Wellen und sichtbares Licht
Wie werden Lichtwellen charakterisiert?
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Theoretische Grundlagen
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Wellenlänge λ
Amplitude A
Repetition: Wellen und sichtbares Licht
Quelle: Swiss Nano-Cube
Wellenlänge sichtbares Licht: 400 nm bis 700 nm
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Theoretische Grundlagen
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Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen
Thermotrope Flüssigkristalle sind Überganszustände zwischen der festen (kristallinen) und der flüssigen Phase.
Je „flüssiger“ eine Substanz, desto weniger Ordnung weisen die Moleküle auf.
Je nach Temperatur sind die Moleküle im Überganszustand unterschiedlich stark geordnet.
FlüssigkeitKristall Flüssigkristall
Temperaturzunahme
Hohe Ordnung Molekülordnungs-GradAbnehmende Ordnung Keine Ordnung
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Theoretische Grundlagen
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Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen
Flüssigkristalle können nur entstehen, wenn die Moleküle bestimmte Symmetrieeigenschaften haben: Mesogene Eigenschaften.
Flüssigkristalle bestehen aus mehreren Molekülschichten.
Die Längsachsen der Moleküle einer Schicht zeigen alle in die gleiche Richtung.
Die Längsachsen der übereinander gelegenen Moleküle sind leicht gegeneinander verschoben. Es entsteht eine wendeltreppenförmige Anordnung, eine sogenannte Helix.
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Theoretische Grundlagen
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Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen
Helix/Pitch (Ganghöhe)
Quelle: Swiss Nano-Cube
Längsachse eines Moleküls
Molekülebene im Flüssigkristall
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Theoretische Grundlagen
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Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen
Die Ganghöhe ist abhängig von der Temperatur und liegt im Bereich von 400 bis 700 nm.
Wenn die Temperatur zunimmt, driften die Moleküle auseinander und die Ganghöhe wird grösser.
Quelle: Swiss Nano-Cube
400-700 nm
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Theoretische Grundlagen
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Die Wellenlänge von sichtbarem Licht liegt zwischen 400 und 700 nm und damit im Bereich der Ganghöhe der Helix von Flüssigkristallen!
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Theoretische Grundlagen
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Flüssigkristalle und sichtbares Licht
Flüssigkristalle können mit Lichtwellen wechselwirken.
Jene Lichtwellen, deren Wellenlängen der Ganghöhe der Helix entsprechen, werden reflektiert.
Flüssigkristalle verändern das Spektrum des sichtbaren Lichtes.
Je nach Temperatur ist die Ganhöhe verschieden und andere Wellenlängen des Spektrums werden reflektiert.
Die Farbe der Flüssigkristalle ist somit abhängig von der Temperatur.
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Theoretische Grundlagen
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Flüssigkristalle und sichtbares Licht
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
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Anwendungen
LCD = Liquid Crystal Display = Flüssigkristallbildschirm
Farben werden durch Flüssigkristalle erzeugt.
Die Ordnung der Moleküle der Flüssigkristalle wird in LCD- Bildschirmen durch Veränderung der elektrischen Spannung beeinflusst.
Je nach Ordnungsgrad besitzen die Flüssigkristalle eine andere Farbe.
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Lernziele/Kontrollfragen
Den Unterschied zwischen einem Flüssigkristall und einem festen Kristall verstehen.
Verstehen, was ein thermotroper Flüssigkristall ist. Verstehen, was eine Flüssigkristall-Helix ist und wie die
Eigenschaften der Helix (Ganghöhe) durch die Temperatur beeinflusst werden.
Verstehen, warum Flüssigkristalle bei Temperatur-veränderungen ihre Farbe ändern können.
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4. GoldrubinglasGlas färben mit Nanogold
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Nanogold-Partikel erzeugen schillernde Farben in Glas.
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Goldrubinglas-Perlen aus der Mikrowelle
Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Goldrubinglas“ zu finden.
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Inhalt
Einführung
Experimentelle Durchführung
Materialien, Chemikalien, Vorgehen
Sicherheitshinweise
Theoretische Grundlagen
Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln
Mikrowellen
Grafit-Suszeptor-Element
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Einführung
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Mittelalterliche Kirchenfenster in der Kathedrale von Metz (Frankreich). Die kräftigen Rot- und Blautöne der Goldrubinglaser werden durch Gold-Kolloide im Glas hervorgerufen.
Goldrubinglas im Mittelalter
Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.
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Einführung
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Goldrubinglas im Mittelalter
Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.
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Experimentelle Durchführung
Glasausgangsgemisch vorbereiten:
Quarz
Borsäure
Calciumcarbonat, Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat
Ein „Körnchen“ Goldchlorid Aquat zugeben.
Im Mörser zerkleinern und in einen Porzellantiegel geben.
Tiegel im Grafit-Suszeptor-Technik Element (GST Element) platzieren.
Glasgemisch mit GST Element in der Mikrowelle erhitzen.
5-10 min im Mikrowellenofen bei mehr als 1000 °C
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Vorgehen bei der Herstellung von Goldrubinglas
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Experimentelle Durchführung
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Herstellung des GST Elements
Quellen: Swiss Nano-Cube
GST Element
T > 1000 °C
Glasherstellung im Mikrowellenofen
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Experimentelle Durchführung
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Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
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Theoretische Grundlagen
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Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat
Oxidation:
[O2C+II-C+IIOH-C4H4O4]3- [OC+II-C4H4O4]2- + H+ + C+IVO2 + 2 e-
Reduktion:
HAu+IIICl3 + 2 e- Au+ICl + 2 Cl- (3x)
Disproportionierung
3 AuCl 3 C5H4O52- 2 Au0 + AuCl3
Gesamt:
2 AuCl3 + 3 C6H5 O73- 3 C5H4O5
2- + 3 H+ + CO2 + 6 Cl- + 2 Au0
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Theoretische Grundlagen
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Quelle: Swiss Nano-Cube
0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km
sichtbares Licht
Elektromagnetische Wellen
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Theoretische Grundlagen
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Oberflächen-Plasmonen-Resonanz
Bei Edelmetallen wie Gold beträgt die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen ca. 1/4 bis 1/10 der Wellenlänge.
Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 nm werden von sichtbarem Licht (400–700 nm) vollständig durchdrungen.
Anregung -> Elektrisches Wechselfeld -> Höheres Energieniveau
Beim „Rückschwingen“ wird Energie in Form von Streulicht frei
Absorption/Transmission der einfallenden Lichtwellen je nach Grösse der Partikel.
Partikel mit 20–30 nm Durchmesser absorbieren vorwiegend kurzwelliges blaues Licht und transmittieren rotes Licht. Sie erscheinen daher rot.
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Theoretische Grundlagen
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Oberflächen-Plasmonen-Resonanz
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Theoretische Grundlagen
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Zusatzfrage
Was kann in einem Mikrowellenofen erhitzt werden?
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Theoretische Grundlagen
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Mikrowellen und flüssiges Wasser
Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge.
Anregung von Dipolmolekülen wie Wasser -> Moleküle werden in Bewegung versetzt.
Nur im flüssigen Zustand: Guter Ausgleich zwischen Beweglichkeit der Moleküle und Dichte.
Durch dichte Anordnung entsteht bei der Bewegung Reibungswärme.
Flüssiges Wasser und hauchdünne Metall- oder Grafitschichten können durch Mikrowellen angeregt werden.
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Theoretische Grundlagen
12.04.23
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Mikrowellen und Grafit
Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge.
Mikrowellen dringen nur einige Mikrometer tief in Grafit ein.
Anregung von Elektronen an der Oberfläche des Grafit. Die Elektronen beginnen zu schwingen.
Bei sehr dünnen Grafitschichten können dabei sehr hohe Temperaturen entstehen, so dass die Schicht verdampft wird.
Im GST Element liegt der Porzellantiegel so dicht auf der dünnen Grafitschicht, dass diese zwar sehr heiss wird, jedoch nicht verdampft.
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Theoretische Grundlagen
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Grafit-Suszeptor-Element: Mehr als 1000 °C in der Mikrowelle
Quelle: Swiss Nano-Cube
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5. NanogoldOptische Eigenschaften von Gold in der Nanodimension
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Nanogold-Partikel verändern ihre Farbe in Abhängigkeit ihrer Grösse
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Goldkolloide unterschiedlicher Grösse in wässriger Lösung
Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Nanogold“ zu finden.
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Inhalt
Einführung
Experimentelle Durchführung
Herstellung von Nanogold-Partikeln (kolloidales Gold)
Phasentranspher von Nanogold-Partikeln
Sicherheitshinweise
Theoretische Grundlagen
Kolloide
Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat als Reduktionsmittel
Repetition: Elektromagnetische Wellen und sichtbares Licht
Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln
Oberflächenfunktionalisierung
Anwendungen
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Einführung
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Mittelalterliche Kirchenfenster in der Kathedrale von Metz (Frankreich). Die kràftigen Rot- und Blautöne der Goldrubinglaser werden durch Gold-Kolloide im Glas hervorgerufen.
Goldrubinglas im Mittelalter
Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.
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Einführung
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Goldrubinglas im Mittelalter
Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.
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Experimentelle Durchführung
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Video: Vorgehen bei der Herstellung von Nanogoldpartikeln:
Video Nanogold
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Experimentelle Durchführung
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Vorgehen beim Phasentranspher:
Chemikalien:
Goldkolloide in wässriger Lösung
Natriumchlorid
Dodecan (hydrophobe Phase)
Kaliumoleat (Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel)
Die Nanopartikel in der wässrigen Phase mit Dodecan überschichten.
Kaliumoleat dazugeben.
Einige Minuten mit einem Magnetrührer heftig rühren.
Übergang der Nanopartikel von der wässrigen in die hydrophobe Phase (Dodecan) kann beobachtet werden.
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Experimentelle Durchführung
82
Quellen: Swiss Nano-Cube
wässrige Phase
hydrophobe Phase
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Experimentelle Durchführung
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Sicherheitshinweise
Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
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Theoretische Grundlagen
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Kolloide:
Was ist der Unterschied zwischen einer Lösung und einer Dispersion?
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Theoretische Grundlagen
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In einer Lösung sind alle Atome vollständig gelöst und von Molekülen des Lösungsmittels umgeben.
In einer Dispersion sind „Kleinstpartikel“ (Nanopartikel) eines bestimmten Materials im Dispersionsmittel fein verteilt. Die Partikel bestehen aus mehr als nur einem Atom .
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Theoretische Grundlagen
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Kolloide:
Goldkolloide sind 2 bis 100 nm grosse Nanopartikel aus elementarem Gold.
Goldkolloide sind im Lösungsmittel fein verteilt und bilden eine Dispersion.
Wichtig: Eine Dispersion darf nicht mit einer Lösung verwechselt werden, denn in einer Lösung sind die einzelnen Atome vollständig im Lösungsmittel gelöst.
Eine Dispersion aus Nanogold-Partikeln wird Goldsol genannt.
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Theoretische Grundlagen
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Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat:
Oxidation:
[O2C+II-C+IIOH-C4H4O4]3- [OC+II-C4H4O4]2- + H+ + C+IVO2 + 2 e-
Reduktion:
HAu+IIICl3 + 2 e- Au+ICl + 2 Cl- (3x)
Disproportionierung:
3 AuCl 3 C5H4O52- 2 Au0 + AuCl3
Gesamt:
2 AuCl3 + 3 C6H5 O73- 3 C5H4O5
2- + 3 H+ + CO2 + 6 Cl- + 2 Au0
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Theoretische Grundlagen
88
Quelle: Swiss Nano-Cube
0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km
sichtbares Licht
Repetition: Elektromagnetische Wellen und Sichtbares Licht
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Theoretische Grundlagen
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Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln:
Bei Edelmetallen wie Gold beträgt die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen ca. 1/4 bis 1/10 der Wellenlänge.
Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 nm werden von sichtbarem Licht (400–700 nm) vollständig durchdrungen.
Anregung -> Elektrisches Wechselfeld -> Höheres Energieniveau
Beim „Rückschwingen“ wird Energie in Form von Streulicht frei
Absorption/Transmission der einfallenden Lichtwellen je nach Grösse der Partikel.
Partikel mit 20 – 30 nm Durchmesser absorbieren vorwiegend kurzwelliges blaues Licht und transmittieren rotes Licht. Sie erscheinen daher rot.
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Theoretische Grundlagen
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln
Oberflächen-Plasmonen-Resonanz
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Theoretische Grundlagen
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Oberflächenfunktionalisierung:
Je nach der Beschaffenheit der Partikel-Oberfläche lassen sich die Nanopartikel in unterschiedlichen Medien dispergieren.
Die Moleküle, mit welchen die Partikel an der Oberfläche bestückt sind, bilden eine Nanosphäre um die Partikel.
Durch eine Veränderung der funktionalen Oberfläche lassen sich die Nanopartikel in verschiedenen Phasen dispergieren: Phasentranspher.
Polare, wässrige Phase: Citrat-Moleküle
Hydrophobe Phase (Dodecan): Kaliumoleat-Moleküle
Die Nanosphäre der Partikel hat auch Auswirkungen auf die Farbe.
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Theoretische Grundlagen
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Oberflächenfunktionalisierung
O
O
OH
OO- O-O-O
O(CH2)7
(CH2)7
CH3-
Kaliumoleat
(hydrophob)
Citrat
(hydrophob)
Quellen: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
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Anwendungen: Schwangerschaftstest
Quelle: Swiss Nano-Cube