ENTDECKERKARTEN - deutsches-museum.de · Virus: 20–100 nm groß kleinstes Schaltelement eines...

INFO

LÖSUNGEN UND ZUSATZINFORMATIONEN

Die Themen der Karten:• Nano ist überall • Den Nanokosmos erschließen • Erbinformationen entziffern • Die Gene allein sind s nicht • Selbstorganisation • Zellen umprogrammieren • Biotechnologisch produzieren • Nanopartikel im Einsatz• Nanosysteme und Nanomaterialien herstellen• Auf die Größe / die Form kommt es an

Die Informationen auf den folgenden Seiten sind in der Regel Auszüge aus den Texten in der Ausstellung.

für Schulklassen und Familienab 7. Klasse / 10 Jahren

Mit Entdeckerkarten erkunden – in drei Phasen

Einführung: Thema bzw. Schwerpunkt vorstellen, Ablauf erklären, Zeiten für die einzelnen Phasen sowie Treffpunkte etc. vereinbaren.

Erkundungsphase: Die Gruppe bildet (je nach Gesamtgröße) 2er oder 3er Teams. Jedes Team erhält eine Karte, sucht das abgebildete Objekt und Antworten auf die Fragen. Dann holt sich jedes Team eine neue Karte. Wie viele Karten ein Team bearbeitet, hängt von der insgesamt zur Verfügung stehenden Zeit ab, aber auch von der Arbeitsgeschwindig-keit der jeweiligen Teams. Solange eine intensive Auseinandersetzung mit dem Objekt erfolgt, sollte das Team selbst entscheiden, wie lange es an einem Objekt bleibt.

Gemeinsamer Rundgang: Nach Erkundungsphase; die Teams stellen ausgewählte Objekte vor. Die Auswahl kann den Teams überlassen bleiben oder von der Begleitperson/Lehrkraft vorgegeben werden.

Für den Besuch mit der Schulklasse

ENTDECKERKARTEN NANO IST ÜBERALL

WAS IST EIN NANOMETER?

ZNT_RZ_Lernkarten_DM_A5.indd 3 07.06.17 13:18

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

1.1

Was ist ein Nanometer?

Nano ist überall

NANO IST ÜBERALL


FRAGEN & LÖSUNGEN

Lotusblatt: Finde heraus, warum das Wasser an der Oberfläche einfach abperlt.

Die Oberfläche des Blattes ist mit mikro- feinen Noppen überzogen, die wiederum aus winzigen Wachskristallen bestehen. Wasser kann sie nicht benetzen.

Morphofalter: Woran liegt es, dass er im Licht blau schimmert?

Nanofeine Rillen in den Schuppen, mit einer speziellen Form und Dicke, reflektieren nur blaues Licht. Dadurch erscheint der Schmetterling blau.

Goldrubinglas: Finde heraus, wodurch es seine rote Farbe erhält!

Im Glas sind sehr kleine Goldpartikel (6-8 nm) fein verteilt. Diese nehmen den blauen und grünen Anteil des sichtbaren Lichts auf (absorbieren), reflektieren aber den roten Anteil.

00

FRAGEN & LÖSUNGEN

Stell dich auf die Steinplatte: Sie wird sich unter deinem Gewicht etwa 50 bis 100 Nanometer durchbiegen. Was ist das überhaupt, ein Nanometer?

Ein Nanometer ist ein milliardstel Meter – also ein millionstel Millimeter bzw. tausendstel Mikrometer.

Welchen Größenvergleich findest du am interessantesten?

Auswahl: menschlicher DNA-Strang: 2 nm dick – 2 m lang Virus: 20–100 nm groß kleinstes Schaltelement eines Mikroprozessors: 30 bis 60 nm breit kleinstes Loch der Welt: 0,316 nm

INFO

Manche Phänomene aus Natur und Technik lassen sich heute mit Nanotechnologie wissenschaftlich erklären.

Viele altbekannte Phänomene in Natur und Technik erklären sich nicht aus den allgemeinen chemischen und physika- lischen Eigenschaften der Stoffe. Sie beruhen auf einer unsichtbaren Strukturierung der Materie auf der Größenskala von wenigen Nanometern: extrem fein, aber gröber als die darunter liegenden atomaren oder molekularen Strukturen der Materie.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

INFO

Das Rastertunnelmikroskop machte 1981 erstmals einzelne Atome von Oberflächen sichtbar. Nur wenig später gelang es, einzelne Atome zu bewegen und zu neuen Strukturen zusammen zu fügen.

Strukturen des Nanokosmos sind prinzipiell zu klein, um sie mit Licht sichtbar zu machen – sie können nur indirekt „sichtbar“ gemacht werden. Für eine regelmäßig sich wieder-holende Nanostruktur wie das Gitter eines Kristalls gelingt dies seit langem. Seit den 1980er Jahren stehen aber auch Instrumente zur Verfügung, die einzelne Oberflächenstruk-turen auf ein Atom genau abbilden und sogar manipulieren. Heute dringen immer mehr mikroskopische Techniken in den Nanokosmos vor.

2.1

1.2

DEN NANOKOSMOS ERSCHLIESSEN RASTERTUNNELMIKROSKOP


NANO IST ÜBERALL


FRAGEN & LÖSUNGEN

Gecko: Beobachte den Gecko im Film und sieh seine Füße genau an. Wie schafft er es, an Wänden und Decken zu laufen?

An ihren Beinen haben Geckos Milliarden feinster Nano- härchen. Zwischen den Härchen und dem Untergrund gibt es schwache elektrische Anziehungskräfte. Die Füße bestehen aus Lamellen, die aus noch viel feineren Strukturen aufgebaut sind. (Die wirksame Fläche wird damit stark vergrößert)

Finde heraus, was dem Damaszenerstahl seine besondere Schärfe und Bruchzähigkeit verleiht.

Untersuchungen mit dem Transmissions-Elektronen-mikroskop zeigen in antikem Damaszenerstahl mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren von bis zu 50 nm Länge und 10-20 nm Durchmesser. Sie sind z.T. mit Zementit gefüllt, einer Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff.

Knochen: Nanostrukturen in uns selbst! Was macht sie so widerstandsfähig?

Kollagenfibrillen (dünne Fasern) mit einem Durchmesser von etwa 90 nm sind mit wenige Nanometer großen Kristallen aus Hydroxylapatit belegt und untereinander durch eine Art Proteinkleber verbunden. Hydroxylapatit macht die Knochen druckfest, Kollagen macht sie zugfest.

Rastertunnelmikroskop

Nano ist überall

FRAGEN & LÖSUNGEN

Glasschwamm: Seine filigranen Skelette sind fast unzerbrechlich. Finde heraus, was Nano damit zu tun hat.

Silikat-Nanopartikel sind mit Proteinen zu Glasfasern verklebt. Mehrere Glasfasern verschiedener Dicke werden zu starken Konstruktionsstäben gebündelt, diese wiederum zu einem dichten Netz verwoben. Spiralförmige Rippen stärken die Struktur.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Finde heraus, wie ein Rastertunnel- mikroskop funktioniert.

Das Gerät tastet mit einer sehr feinen Spitze die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes ab – Zeile für Zeile. Aus den Mess-daten wird ein Höhenlinien-Bild errechnet.

Will man einzelne Atome sichtbar machen, darf das Gerät nicht schwingen. Wie haben die Erfinder das Problem gelöst?

Der Kern des Geräts schwebt magnetisch auf einer supraleitenden Bleischale.

Überlege, warum man mit Lichtmikros- kopen keine Nanostrukturen sehen kann.

Das Bild im Lichtmikroskop entsteht durch Lichtbrechung; Nanostrukturen sind zu klein (kleiner als die Wellenlänge des Lichtes) und daher nicht unterscheidbar.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN

Probiere den Versuch aus. Was geschieht, wenn du eine Spannung anlegst?

Flüssigkeit fließt die Spirale hinauf, bildet an der Spitze eine Art Krone/Blumenkohl.

Finde heraus, warum sich die Flüssigkeit verändert.

Sie reagiert stark auf äußere magnetische Felder; hier bringt ein Elektromagnet die Flüssigkeit dazu, nach oben zu fließen.

INFO

Ein Ferrofluid ist eine Flüssigkeit, in der nanometergroße Eisenteilchen in Öl schweben.

KLEINE TEILCHEN – GROSSE WIRKUNG!

Für manche Eigenschaften eines Materials zählt weniger seine chemische Zusammensetzung, sondern ob es als Kristall, feiner Sand oder gar nanofeines Pulver vorliegt. Liegt ein Material in Form winziger Nanopartikel vor, so haben diese Partikel (im Vergleich zu ihrem Rauminhalt) eine extrem große Oberfläche. Bei solch kleinen Teilchen kommen überdies auch die merkwürdigen Gesetze der Quantenphysik ins Spiel.

3.1

2.2

AUF DIE GRÖSSE KOMMT ES AN FERROFLUIDE


DEN NANOKOSMOS ERSCHLIESSEN ERSTES RASTERKRAFTMIKROSKOP


INFO

Rasterkraftmikroskope gehören zur Familie der Rastermikros- kope. Sie alle „tasten“ Oberflächen mit feinen Spitzen ab. Computer setzen die Messwerte in Bilder um.

Das Kernstück eines Rasterkraftmikroskops ist die Spitze, die an einem feinen Biegebalken (Cantilever) befestigt ist. Dieser verbiegt sich, wenn man die Probe abtastet. Leuchtet man nun mit einem Laser auf die Rückseite des Cantilevers, wird der Strahl reflektiert und wandert auf dem Detektor auf und ab – in Abhängigkeit der Krümmung des Cantilevers.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Finde heraus, wie die feine Tastspitze befestigt ist.

Sie ist an einem feinen Metallstreifen befestigt.

Finde heraus, was ein Cantilever ist. Wofür braucht man ihn? Tipp: Video anschauen „Funktionsweise eines Rasterkraftmikroskops“Cantilever = Hauchdünner Biegebalken, an dem die Tastspitze befestigt ist. Sie verbiegt sich, wenn die Spitze die Oberfläche abtastet, je nach Höhe der Oberfläche.

Ferrofluide

Erstes Rasterkraftmikroskop

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

4.1

3.2

AUF DIE FORM KOMMT ES AN ANTIKÖRPER/ANTIGEN


AUF DIE GRÖSSE KOMMT ES AN SILIZIUMDIOXID


INFO

Atome, Moleküle und daraus gebildete Strukturen sind die auf der Nanoebene prägenden Bausteine der Materie. Moleküle bilden komplexe räumliche Formen, durch die sie bestimmte Funktionen erfüllen können.

MOLEKULARE FORM IST FUNKTION

Atome, Moleküle und daraus gebildete Aggregate sind die prägenden Bausteine der Materie auf Nanoebene. Sie wirken nicht nur durch ihre Größe, sondern auch durch ihre spezi-fische Form. Moleküle können komplexe räumliche Formen bilden, die damit spezielle Funktionen im Nanokosmos ausüben. Sie können sich dann wie Formteile einer Maschine zu regelrechten molekularen Maschinen zusammenfügen.

INFO

DIE NANOWELT IST ANDERS

Kleine Teilchen haben eine relativ große Oberfläche: Atome an der Oberfläche, die sich anders verhalten als Atome im Inneren, bestimmen dann zunehmend die Stoffeigenschaften. Daher verhält sich nanofeines Pulver z.B. wie eine Flüssigkeit. Nanoteilchen aus wenigen Atomen gehorchen bereits den Gesetzen der Atomphysik, also der Quantenphysik. Das beeinflusst besonders optische Eigenschaften, weshalb Nanopartikel ein und desselben Materials verschieden farbig leuchten können. Der Nanokosmos ist chaotisch: Alles bewegt sich in ihm aufgrund der Wärmebewegungen wild durcheinander.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Drücke den Knopf und beobachte, wie sich das Siliziumdioxid in den beiden Röhren bewegt. Erstaunt? Was steckt dahinter?

Das nanofein gemahlene Pulver verhält sich fast wie eine Flüssigkeit: Kleine Teilchen haben (im Vergleich zu ihrem Rauminhalt) eine relativ große Oberfläche. Atome an der Oberfläche des Pulvers verhalten sich daher anders, als Atome im Inneren und bestimmen zunehmend die Eigenschaften des Stoffes.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Trillionen von Antikörpern kreisen im Blut und bekämpfen Fremdkörper. Finde heraus, welche Rolle ihre Form dabei spielt.

Die Enden der Antikörper-„Arme“ sind speziell geformt, so dass nur ein bestimmtes Molekül hineinpasst und festgehalten wird. Beladene Antikörper passen dann an bestimmte Oberflächenmoleküle von Immunzellen, die sie mitsamt ihrer „Beute“ verschlingen.

Antikörper/Antigen

Siliziumdioxid

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN Was macht die DNA zu so einem einzigartigen Molekül?

Die DNA speichert die gesamte Erbinformation in jeder einzelnen Zelle.

Finde heraus, welche Rolle die DNA-Sequenz bei einem Vaterschaftstest spielt.

Je näher zwei Lebewesen miteinander verwandt sind, desto ähnlicher ist ihre DNA-Sequenz. Bei Vater und Kind müssen mindestens 50% der genetischen Information identisch sein.

Genome Sequencer 20 System: Welche Rolle spielt bei dieser DNA -Sequenzierung eine Kamera?

Die in Einzelsträngen vorliegenden unbekannten DNA- Stücke werden im Gerät sukzessive zu Doppelsträngen ergänzt. Dabei werden die jeweils eingebauten Bausteine direkt über einen Lichtblitz – unter Verwendung eines Pyrophosphat-Moleküls – von einer Kamera registriert: pro Lauf bis zu 20 Millionen Bausteine.

(Weil sich nur bestimmte Basen paaren, kann man daraus die Basenfolge, die Sequenz, der unbekannten DNA-Stücke erschließen.)

FRAGEN & LÖSUNGEN

Aktin und Myosin sind Strukturproteine, die eine wesentliche Rolle bei der Kontraktion von Muskeln spielen.

DIE NANOWELT IST ANDERS

Kleine Teilchen haben eine relativ große Oberfläche: Atome an der Oberfläche, die sich anders verhalten als Atome im Inneren, bestimmen dann zunehmend die Stoffeigenschaften. Daher verhält sich nanofeines Pulver z.B. wie eine Flüssigkeit. Nanoteilchen aus wenigen Atomen gehorchen bereits den Gesetzen der Atomphysik, also der Quantenphysik. Das beeinflusst besonders optische Eigenschaften, weshalb Nanopartikel ein und desselben Materials verschieden farbig leuchten können. Der Nanokosmos ist chaotisch: Alles bewegt sich in ihm aufgrund der Wärmebewegungen wild durcheinander.

ERBINFORMATIONEN ENTZIFFERN DNA-MOLEKÜLE SEQUENZIEREN


AUF DIE FORM KOMMT ES AN AKTIN UND MYOSIN


5.1

4.2Aktin und Myosin

DNA-Moleküle sequenzieren

INFO

Die DNA sieht fast aus wie eine Strickleiter. Vier verschiedene Moleküle, die sog. Basen, bilden die Sprossen. Ihre Abfolge ist für jedes Lebewesen charakteristisch.

INFO

Finde heraus, welche Rolle die Form des Myosins bei diesem Vorgang spielt. Tipp: Infos findest du am Bildschirm an der Vitrine mit den Modellen.Myosin kann an Aktin-Filamenten entlang- laufen: Im Muskel wird dabei chemische Energie in Kraft und Bewegung umgewandelt. Der Myosinkopf nimmt ein energiereiches ATP-Molekül auf, spaltet es, verbindet sich mit dem Aktin-Filament und schiebt es beim Ausstoß der Spaltprodukte hinter sich. Dies bewirkt ein Ineinandergleiten der Moleküle, das den Muskel verkürzt.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN

Fruchtfliege: Sie wurde schon 1901 zum Versuchstier der Genetiker. Finde heraus, warum!

Sie hat nur vier Chromosomenpaare, Folgen genetischer Veränderun-gen sind oft mit bloßem Auge erkennbar, und sie bekommt schon nach 10 Tagen bis zu 400 Nachkommen. Ihr im Jahr 2000 komplett entziffertes Erbgut besteht aus 180 Millionen Bausteinen und 13500 Genen, 60% davon finden sich auch im Menschen.

Mutanten der Fruchtfliege: Welche Veränderungen kannst du erkennen?

Unterschiedliche Farbe der Augen, des Körpers oder verkürzte Flügel. Durch Bestrahlung wird die Erbsubstanz geschädigt, Mutationen treten auf; oft ist nur ein Gen defekt, dann sind Veränderungen besonders gut zuzuordnen.

Ackerschmalwand: Die Versuchspflanze für Genetiker! Was macht sie zu einem super Modellorganismus?

Die einjährige Blütenpflanze wurde wegen ihrer nur fünf Chromo- somenpaare schon 1907 in die Pflanzengenetik eingeführt. Die Sequenzierung ihres Erbguts wurde im Jahr 2000 abgeschlossen. Es besteht aus 125 Millionen Bausteinen und rund 25000 Genen. Um Genfunktionen aufzuklären, verändert man Arabidopsis (Acker- schmalwand) gentechnisch mit Hilfe des Bakteriums Agrobacterium tumefaciens.

INFO

Wissenschaftler haben das Erbgut von Schimpansen, einem Neandertaler und einem heutigen Menschen verglichen.

FORSCHUNG BEI MAX PLANCK: WAS MACHT DEN MENSCHEN ZUM MENSCHEN?

Was ist „typisch menschlich“ in unseren Genen? Diese Frage untersucht Svante Pääbo mit seiner Abteilung am Max-Planck-Institut für Evolutionäre Anthropologie in Leipzig mit Hilfe modernster DNA-Technologien. Die Wissenschaftler entzifferten und rekonstruierten das Genom eines 40.000 Jahre alten Neandertalers und verglichen es mit dem von Mensch und Schimpanse. Das „Menschliche“ steckt nicht nur in typischen Genen, sondern auch in einer typischen Aktivität: Schimpanse und Mensch benutzen gleiche Gene oft unterschiedlich intensiv.

6.1

5.2

DIE GENE ALLEIN SIND´S NICHT LEBEWESEN ALS INSTRUMENTE DER WISSENSCHAFT


ERBINFORMATIONEN ENTZIFFERN WAS MACHT DEN MENSCHEN ZUM MENSCHEN?


Was macht den Menschen zum Menschen?

Lebewesen als Instrumente der Wissenschaft

FRAGEN & LÖSUNGEN

Schimpanse und Mensch haben sehr viele gemeinsame Gene. Finde einen entscheiden-den Unterschied.

Unterschiedliche Aktivität der Gene.

Was hat die Forscher beim Neandertaler- Genom überrascht?

Es enthält ein „Sprachgen“.

Maus: Die gentechnisch veränderte Maus trägt ein menschliches Gen für Sprechen. Finde heraus, was sich dadurch verändert hat.

Maus mit menschentypischem FoxP2-Gen: Die Jungtiere piepsen in einer tieferen Ton-lage nach ihrer Mutter. Veränderungen auf zellulärer und molekularer Ebene werden untersucht. Das FoxP2-Gen reguliert im Embryo etwa 1000 Gene und ist besonders dort aktiv, wo sich später das Kleinhirn entwickelt.

INFO

Wie funktionieren Gene? Um das zu verstehen, erzeugt man in Modell- organismen Genveränderungen und erforscht ihre Wirkung. Das Erbgut der Modellorganismen kennt man schon genau.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

INFO

Bottom-up: Nanoforscher wollen Strukturen herstellen, die so komplex sind wie lebende Zellen. In der Natur entstehen Strukturen von alleine: In der Form bestimmter Bauelemente ist die Information über die Struktur schon enthalten.

TOP-DOWN ODER BOTTOM-UP: WIE KOMPLEXE SYSTEME ENTSTEHEN

In der Natur bilden sich große, komplexe Strukturen „Bottom-Up“, aus vielen kleinen Einheiten. So fügen sich Atome zu Molekülen zusammen und Moleküle zu Zellen, Zellen zu Organismen und Organismen zu Schwärmen. Was in der Natur von alleine geht, muss in der Technik Teil für Teil nach einem Plan zusammengefügt werden. Oder man geht „Top-Down“ vor, wie ein Bildhauer, und formt aus einem großen Stück eine kleinteilige Struktur. Das Verfah-ren wird heute bei Computerchips eingesetzt. So hergestellte technische Geräte sind immer noch extrem einfach im Ver-gleich etwa zu einem Lebewesen. Man forscht aber daran, Dinge zukünftig wie in der Natur über Selbstorganisation, also „Bottom-Up“, herzustellen.

FRAGEN & LÖSUNGEN Embryonale Stammzellen (Monitor): Finde Vor- und Nach- teile einer Behandlung mit Stammzellen.

Vorteil: Sind rasch und unbegrenzt vermehrbar und können sich in jede Art von Körpergewebe umwandeln. Problema-tisch: Embryonen sterben durch Entnahme der Stammzellen ab, Gefahr einer Tumorbildung oder Abstoßung der fremden Stammzellen durch das Immunsystem des Patienten.

Adulte Stammzellen (Monitor): Finde Vor- und Nachteile der adulten Stammzellen

Sind während des ganzen Lebens im Körper vorhanden.

Können sich aber nur in bestimmte Zelltypen umwandeln, z.B. Blutstammzellen in alle Arten von Blutzellen. Bei Behandlung mit diesen Stammzellen besteht keine Gefahr von Tumorbildung oder Abstoßung, weil sie dem Patienten selbst entnommen werden.

Finde Krankheiten, die man mit Stammzellen zu heilen hofft.

Abgestorbenes Gewebe nach Herzinfarkt ersetzen, Nerven- zellen regenerieren, verschiedene Gewebe regenerieren.

7.1

SELBSTORGANISATION TOP-DOWN ODER BOTTOM-UP


DIE GENE ALLEIN SIND´S NICHT FORSCHEN MIT STAMMZELLEN


6.2Forschen mit Stammzellen: Hoffnung auf Therapien

Top-Down oder bottom-up: Wie komplexe Strukturen entstehen

FRAGEN & LÖSUNGEN

Wie läuft in der Natur der Aufbau von komplexen Strukturen ab?

Bottom-up: Atome fügen sich zu Molekülen zusammen, Moleküle zu Zellen, Zellen zu Organismen, Organismen z.B. zu Schwärmen.

Warum ist ein Fischschwarm ein gutes Beispiel für eine Bottom-up-Struktur?

Setzt sich aus vielen einzelnen Fischen zusammen; jeder Fisch verhält sich nach bestimmten Regeln in Bezug auf seinen Nachbarn, so dass ein kompakter, aber flexibler Schwarm entsteht.

FRAGEN & LÖSUNGEN Stammzellen sind besondere Zellen. Finde heraus, warum!

Stammzellen sind nicht oder nicht vollständig spezialisiert und haben die Fähigkeit, sich in verschiedene Zelltypen oder Gewebe zu entwickeln. Außerdem haben sie eine sehr hohe Lebensdauer.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN

Finde heraus, was man mit der Gen-Pistole machen kann.

Goldpartikel, die mit DNA oder RNA beladen sind, in lebende Zellen bringen, z.B. in Bakterien, Zellen von Tieren und Menschen.

Wofür wurde die Gen-Pistole entwickelt?

Um Pflanzenzellen genetisch zu verändern.

Adenoviren sind den Forschern ein Vorbild – worin?

Sie können ihre eigene Erbsubstanz in eine Wirtszelle einbringen und sich so vermehren.

INFO

Ein Ziel von Forschern: Das in den Genen gespeicherte Programm von Zellen gezielt verändern – um Krankheiten zu heilen, oder um z.B. Bakterien Stoffe produzieren zu lassen, die für Menschen nützlich sind.

WIE MAN IM LABOR ZELLEN VERÄNDERT: ZELLPROGRAMMIERUNG

Das „Programm“ von Zellen, also deren Gene oder Gen- aktivität, wird während der Embryonalentwicklung, oder aber auch durch eine Virusinfektion verändert. Ähnliche Mechanismen nutzen Wissenschaftler, um Zellen nach ihren Wünschen zu modifizieren: Bei der Zellfusion verschmelzen ganze Zellen miteinander und mischen so ihr gesamtes Erbmaterial. Beim Zellkerntransfer, der beim Klonschaf Dolly angewendet wurde, überträgt man Zellkerne auf „entkernte“ Eizellen. Beim Gentransfer werden einzelne Gene oder auch Gruppen von Genen auf eine Zelle über- tragen. Wachstumsfaktoren regulieren die Zellspezialisierung. Sie verändern nicht die Gene, sondern deren Aktivität.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Finde heraus, wie MEMS* auf Siliziumscheiben hergestellt werden.

Man ätzt die einzelnen Komponenten aus dem vollen Material heraus, stellt sie also „top-down“ her.

Vergleiche die Herstellung von MEMS mit der Entstehung der steinernen Fassaden der Grabtempel in Petra.

Ebenfalls „top-down“, weil sie auch aus etwas Größerem heraus gearbeitet wurden.

INFO

Top-down: So geht ein Bildhauer vor, wenn er aus einem großen Stein eine Figur herausmeißelt.

* MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems, sind winzige mechanische Systeme, ähnlich wie Mikrochips auf Siliziumwafern gefertigt.

8.1

7.2

ZELLEN UMPROGRAMMIEREN GEN-PISTOLE


SELBSTORGANISATION TOP-DOWN ODER BOTTOM-UP


Top-Down oder bottom-up: Wie komplexe Strukturen entstehen

Helios Gene Gun

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

9.1

8.2

INFO

Wie kann man beschädigte, nicht richtig funktionierende oder fehlende Organe reparieren oder durch neue ersetzen? Transplantationen helfen ein Stück weiter, aber es gibt Grenzen …

ZELLEN, GEWEBE ODER GANZE ORGANISMEN: MIT BIOTECHNOLOGIE GEHT MANCHES BESSER

Mit Zellen lassen sich Biomoleküle produzieren, die chemisch schwer oder gar nicht herstellbar sind. Dazu kultiviert man die für die Produktion maßgeschneiderten Zellen in speziellen Reaktoren. Typische Produkte sind Medikamente, Impfstoffe oder Rohstoffe für die chemische Industrie. Aus Zellen lassen sich auch Gewebe herstellen, die man in der Ersatzteil- Medizin verwendet. Oder man züchtet ganze Pflanzen und Tiere, die – gentechnisch verändert – Stoffe produzieren.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Finde heraus, wozu man Mikroinjektion einsetzt.

Um gezielt Gene in ein Tier einzubringen.

Man verwendet Eizellen direkt nach der Befruchtung, aber bevor männliches und weibliches Erbgut verschmelzen. Neue, eingeschleuste DNA baut sich in das Ge-nom ein.

Finde heraus, wie Hans-Jochen Kolb einem Jungen das Leben rettete.

Transplantierte als Erster in Deutschland erfolgreich gesundes Knochenmark von einem Spender und heilte so den an Leukämie erkrankten Jungen.

Was zeigte Kolb damit?

Dass man durch Übertragung von Stammzellen Krankheiten heilen kann.

INFO

MIKROINJEKTIONSSYSTEM MIT MIKROSKOP, MIKROINJEKTOR UND MIKROMANIPULATOR

Bei der Mikroinjektion wird eine sehr feine Glaskanüle, die mit Zellkernen, DNA, RNA oder Proteinen gefüllt ist, unter dem Mikroskop in eine Zelle eingeführt. Ein Mikroinjektionssystem besteht aus dem Mikromanipulator, mit dem die Kanüle in die richtige Position gebracht wird, und dem Mikroinjektor, mit dem man Injektionsdruck und -zeitpunkt steuert.

BIOTECHNOLOGISCH PRODUZIEREN MENSCHLICHE ERSATZTEILE AUS DER RETORTE


ZELLEN UMPROGRAMMIEREN MIKROINJEKTION


Mikroinjektion (Monitor)

Menschliche Ersatzteile aus der RetorteFRAGEN & LÖSUNGEN

Gewebe zu züchten ist sehr schwierig. Warum verwendet man nicht einfach Spenderorgane?

Es gibt zu wenig Spenderorgan und oft kommt es zu Abstoßungsreaktionen

Herzklappenbioreaktor (Monitor): Erkläre, wie darin eine neue Herzklappe für Patienten entstehen soll.

Aus einer Schweineaorta (Hauptschlagader) samt Herzklappen werden Zellen entfernt, nur das Kollagengerüst bleibt. In der Nährlösung siedeln sich daran Zellen des Patienten an und bilden die Herzklappen.

Hautbioreaktor (Monitor): Die Haut besteht aus mehreren Schichten. Woher „wissen“ die Zellen im Bioreaktor, wo Innen und Außen ist?

Wird durch Sauerstoffzufuhr signalisiert.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

INFO

Computerchips werden immer kleiner, leistungsfähiger, energiesparender. Extremes Ultraviolett EUV soll helfen, Halbleiterstrukturen noch kleiner zu machen. Je kleiner nämlich die Wellenlänge des benutzten Lichtes, desto kleiner können die Strukturen sein, die auf das Material projiziert und dann eingeätzt werden.

Die Fotolithografie ist heute das Standardverfahren, um Halbleiterstrukturen von Computerchips herzustellen. Dabei wird die Struktur – ähnlich wie bei einem Dia- projektor – auf das Material projiziert und anschließend darin eingeätzt.

11.1

9.2

NANOSYSTEME PHYSIKALISCH HERSTELLEN IMMER KLEINER MIT FOTOLITHOGRAPHIE


BIOTECHNOLOGISCH PRODUZIEREN MEDIZIN VOM ACKER UND AUS DEM STALL


Medizin vom Acker und aus dem Stall

Immer kleiner mit Fotolithographie

INFO

Manche Stoffe lassen sich in gentechnisch veränderten Pflanzen oder Tieren besser herstellen als in Zellkulturen. Dazu bringt man neue Erbinformationen in einzelne Zellen oder frühe Embryonalstadien.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Kartoffelstärke: Erkläre, warum es ein Vorteil ist, dass die Kartoffel Amflora nur noch Amylopektin bildet.

Kartoffeln bilden normalerweise zwei Formen von Stärke, Amylose und Amylopektin, Amflora nur noch das für die Herstellung von Papier oder Klebstoff verwendete Amylo- pektin. Dadurch erübrigt sich die aufwendige Entfernung der Amylose.

Ziege: Finde heraus, was an der Ziege so besonders ist.

Eine Ziege war das erste gentechnisch veränderte Tier, das ein Arzneimittel in seiner Milch produzierte.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Belichtungsoptik für EUV-Lithographie: Finde heraus, welche extrem kurze Wellenlänge das verwendete Licht hat.

Um die winzigen Strukturen auf dem Chip erzeugen zu können, wird Licht mit einer Wellenlänge von nur 13,5 nm verwendet. Übliche optische Materialien (wie z.B. Glas- linsen) sind für dieses Licht undurchlässig, daher wird für die Projektion der Strukturen auf den Wafer ein System aus Spiegeln eingesetzt, deren Oberflächenrauigkeit im Bereich weniger Atomlagen liegt (d.h. sie sind superglatt).

Teststrukturen mit EUV-Lithographie hergestellt: Erkläre, wie die Strukturen auf dem Wafer entstehen.

Die Teststruktur mit 70 nm Strichbreite wurde über eine Maske und die oben gezeigte Spiegel- optik auf einem Wafer belichtet. Das EUV Licht härtet die Schicht aus Fotolack auf dem Wafer, der nicht belichtete Teil des Fotolacks wird später entfernt. Dadurch entstehen die drei- dimensionalen Strukturen, bis zu 22 nm klein.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN

1-100 nm klein sind die Strukturen, aus denen Nanomateria-lien bestehen. Woraus setzen sich Nanopartikel zusammen?

Nanopartikel sind winzige Klümpchen aus wenigen bis zu Millionen Atomen oder Molekülen; sie können auch aus nur einem Riesenmolekül bestehen, z.B. einem Nanoröhrchen.

Finde weitere Beispiele für Nanostrukturen oder -materialien.

Nanofeine Fasern, Schichten oder Materialien mit Nanoporen.

Nanomaterialien entstehen meist bei chemischen Reaktionen, wenn … ? Tipp: Infos liefert auch der Text an der Wand… man die Reaktionsbedingungen präzise kontrolliert und die Reaktion zum rechten Zeitpunkt stoppt.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Finde heraus, wie groß das Goldplättchen in der Mitte in Wirklichkeit ist und wodurch es sich dreht.

Ein etwa 300 nm großes Goldplättchen ist auf ein Kohlen-stoff-Nanoröhrchen gelagert. Durch Anlegen elektrischer Felder über die umgebenden Elektroden kann das Gold- plättchen in Rotation versetzt werden.

Ein mehrwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen bildet das Lager des Goldplättchens. Durch welchen „Trick“ kann es sich drehen?

Die inneren Röhrchen tragen die statische Last, das äußerste Röhrchen wurde nahe dem Goldplättchen ringsum abgetrennt, so dass es sich wie eine Hülse auf den inneren Röhrchen drehen kann.

Überlege, wofür man einen Nanomotor einsetzen könnte.

Offene Frage

12.1

11.2

NANOMATERIALIEN CHEMISCH HERSTELLEN ALTBEWÄHRTES WIRD ZU HIGHTECH


NANOSYSTEME PHYSIKALISCH HERSTELLEN NANOMOTOR


Nanomotor

Altbewährtes wird zu Hightech

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN

Heute werden Tonnen von Nanoröhren hergestellt. Finde heraus, wie klein diese Röhren in Wirklichkeit sind.

Oft Hunderte Nanometer lang, aber nur ein bis einige zehn Nanometer dick.

Mit dem Glaswirbelschicht-Reaktor wurde das Herstellungsverfahren von Kohlenstoff- Nanoröhren entwickelt. Wie funktioniert es?

Ein pulverförmiger Katalysator wird im beheizten Reaktor vorgelegt und von unten von einem kohlenwasserstoffhaltigen Gas durchströmt. Die Kohlenstoff-Nanoröhren wachsen vom Katalysator ausgehend.

INFO

Mit Nanoröhren kann man z.B. die Festigkeit von Kunst-stoffen für die Bespannung von Tennisschlägern erhöhen, Kunststoffe elektrisch leitfähig machen oder das Gewicht von Flugzeugen verringern.

Kohlenstoff-Nanoröhren sind zylinderförmige Moleküle nur aus Kohlenstoffatomen – oft Hunderte Nanometer lang, aber nur ein bis einige zehn Nanometer dick. In der Natur und bei gängigen chemischen Prozessen entstehen die Röhren meist nur in winzigen Mengen. Zur Produktion von größeren Mengen an Nanoröhren werden in der Industrie Kataly- satoren eingesetzt. Diese neue Form des Kohlenstoffs wurde 1991 entdeckt, heute stellt man sie im Tonnenmaßstab her. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften setzt man große Hoffnungen in diese Nanoröhren für die Entwicklung neuer Werkstoffe. Man untersucht daher intensiv, ob sie schädliche Wirkungen auf Mensch und Umwelt haben könnten.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Finde heraus, was die Apparatur mit Brillengläsern zu tun hat!

Mit diesem Reaktor wurden im Leibniz-Institut für Neue Materialien ab 1993 grundlegende Versuche zur Beschichtung von Brillengläsern durchgeführt.

In den großen Glasgefäßen fanden chemische Reaktionen statt. Überlege, wozu die Zuläufe nützlich waren.

Ein Rührwerk ermöglicht die gleichmäßige Durchmischung im Reaktionsgefäß, über Zuläufe können weitere Lösungen zugetropft werden.

Schau dich um: Was kann man mit dem Sol-Gel-Verfahren alles herstellen?

» Glas (nasschemisch mit geringem Energieaufwand aus Kieselsäureestern)

» Kieselsole = Lösungen von Siliziumdioxid, in denen die Partikel je nach Lösung zwischen 5 und 75 nm groß sind

» Aerogel, besteht zu 95% aus Luft, bisher leichteste Feststoffe der Welt; Porenstruktur im Nanometerbereich

» Beschichtungen

» Künstliche Opale

12.3

12.2

NANOMATERIALIEN CHEMISCH HERSTELLEN NANORÖHREN FÜR HIGH-TECH-MATERIALIEN


NANOMATERIALIEN CHEMISCH HERSTELLEN SOL-GEL-FORSCHUNGSREAKTOR


Sol-Gel-Forschungsreaktor

Nanoröhren für High-Tech-Materialien

INFO

Reagiert Wasser mit bestimmten Stoffen, so entsteht eine trübe Lösung, die Sole. Sie enthält feinverteilte Nanopartikel, mit denen man z.B. superdünne Schichten auf Materialien auftragen kann. Lässt man die Nanopartikel sich miteinander vernetzen, entsteht ein Gel.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN

Molekular geprägter Polymer-Nanopartikel MIP (+Monitor): Damit könnte man z.B. Abwässer filtern. Finde heraus, wie das geht.

Im Labor lassen sich bereits Polymer-Nanopartikel herstellen, die mit Diclofenac-Molekülen geprägt wurden. Sie können Letztere im Einsatz molekular erkennen und „einfangen“. Diclofenac ist ein häufig verwendetes Schmerzmittel, (das mit dem Urin ins Abwasser gelangt und Lebewesen schädigt).

Überlege, warum es wichtig ist, bestimmte Stoffe aus dem Abwasser zu “fischen”.

offene Frage

Kratzfeste Beschichtung auf Acrylglas … und doch gibt es Kratzer? Finde heraus, warum!

Diese Acrylglasscheibe ist auf einer Seite zur Hälfte mit einer kratzfesten Beschichtung auf Ormocer-Basis versehen. Reibt man im Experiment mehrmals mit Stahlwolle über die Plattenoberfläche, so zeigt die unbehandelte Hälfte sofort deutliche Kratzer, während die beschichtete Hälfte auch nach mehreren Versuchen klar und unzerkratzt bleibt.

INFO

EINE WUNDERTÜTE FÜR NEUE MATERIALIEN

Nanopartikel werden selten in Reinform verwendet. Meistens fügt man sie einem Material als Zusatz bei, um diesem spezi-elle Eigenschaften zu verleihen oder um funktionelle Oberflächenbeschichtungen zu erzeugen. Man kann Nanopartikel auch bearbeiten, beschichten, sie miteinander vernetzen oder chemisch so gestalten, dass sie spezifisch auf andere Stoffe ansprechen.

INFO

Nanofasern stellt man aus Kunststoff, Metall oder Keramik her. Sie sind nur wenige Nanometer dick, aber einige Meter lang. Benutzt werden sie für Filter, in der Diagnostik oder als Wundverband.

Mit einem elektrischen Feld lassen sich Nanofasern direkt aus einer Düse ziehen. Komplexere Strukturen erhält man bei diesem Elektrospinning in einem mehrstufigen Verfahren. Anwendung finden die Fasern als Filter, in der Diagnostik oder als Wundverband.

13.1

12.4

NANOPARTIKEL IM EINSATZ


NANOMATERIALIEN CHEMISCH HERSTELLEN NANOFASERN


Nanofasern

Nanopartikel im Einsatz

FRAGEN & LÖSUNGEN

Nanofasern (Monitor): Finde heraus, was an Nanofasern so erstaunlich ist.

Sie sind nahezu unendlich lang und bilden ein sehr feines Gespinst aus Fasern, die zwischen einigen Mikrometern bis nur wenige Nanometer dick sind.

Elektrospinning-Apparatur: Seltsamer Name – was geschieht in dem Gerät?

In einer Elektrospinning-Apparatur erfolgt die Nanofaserbildung durch hohe elektri-sche Spannung, die zwischen einer Düse und einer Gegenelektrode angelegt ist. Das aus der Düse austretende Material wird stark deformiert, kräftig gedehnt und in Richtung auf die Gegenelektrode beschleunigt. Dort bildet sich ein feines Gespinst aus Nanofasern.

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

NZ

ENTR

UM

NEU

E TE

CH

NO

LOG

IEN

FRAGEN & LÖSUNGEN

Antibakterieller Schutzanzug: Finde heraus, wodurch Bakterien hier abgetötet werden.

Die Oberfläche ist mit Nanosilber-Beschich-tung versehen, die anhaftende Bakterien und andere Mikroorganismen abtötet. Einsatz bei Feuerwehr, Katastrophenschutz, Hilfsorganisationen bei Seuchen, Pande-mien oder unklaren Gefahrensituationen.Nachteil: Nanosilber gelangt ins Abwasser, tötet in Kläranlagen nützliche Bakterien.

Zwei Bildschirme informieren über weitere Nano-Anwendungen in Industrie und Haus-halt. Überlege, welche du am sinnvollsten findest!

INFO

WERKSTOFFE FÜR DIE INDUSTRIE

Nanotechnologie hilft viele Werkstoffe zu verbessern, die z.B. in der Bauindustrie zum Einsatz kommen. Von Natur aus nanokristalline Materialien wie Zement lassen sich optimieren und binden dadurch schneller ab. Zusätze von Nanopartikeln in Baustoffen bewirken, dass Hauswand und Dach selbstreinigend werden. Oder ganz neue, nanoporige Materialien sorgen dafür, dass die Wärme nicht nach außen entweicht.

FRAGEN & LÖSUNGEN

Magnetofluid NanoTherm (+Monitor): Bewegung erzeugt Wärme, die Krebszellen tötet? Finde heraus, wie das funktionieren kann!

Das Magnetofluid NanoTherm besteht aus Eisenoxid- Partikeln, die in Wasser kolloidal gelöst sind. Diese Partikel werden in das Tumorgewebe gespritzt und dort mittels eines äußeren Magnetfeldes in schnelle Schwingungen versetzt. Die Partikel erzeugen direkt in den Krebszellen durch ihre Bewegung Wärme, die die Krebszellen schließlich zerstört.

Nanopartikel-Biochip: Finde heraus, warum dieser Chip bestimmte Moleküle aufspüren kann.

Biologische Rezeptormoleküle sind an die Oberfläche von Nanopartikeln geheftet. Diese Rezeptoren erkennen und binden jeweils genau ein bestimmtes Molekül (= Zielmolekül). Druckt man Partikel mit verschiedenen Rezeptoren auf einen Träger, so können aufgrund der großen Oberfläche auch schwach konzentrierte Zielmoleküle angereichert und nachgewiesen werden.

INFO

Mischt man Nanopartikel in ein ande-res Material, kann man diesem spezielle Eigenschaften verleihen oder bestimmte Oberflächenbeschichtungen erzeugen. Man kann Nanopartikel bearbeiten, beschichten, sie miteinander vernetzen oder chemisch so gestalten, dass sie andere Stoffe „erkennen“.

Man kann einzelne Nanoteilchen so „funktionalisieren“, dass sie Krebszellen aufspüren oder Abwässer filtern. Als Beimischungen verleihen sie Werkstoffen größere Festigkeit, Elastizität oder auch Feuerresistenz. Mit nanometerdünnen Beschichtungen lassen sich Oberflächen leichter reinigen und optisch ansprechender machen, Glas entspiegeln und Plexiglas kratzfester machen.

14.1

13.2

AM ENDE ZÄHLT DER NUTZEN WERKSTOFFE FÜR DIE INDUSTRIE, PRODUKTE FÜR DEN HAUSHALT


NANOPARTIKEL IM EINSATZ


Nanopartikel im Einsatz

Werkstoffe für die Industrie, Produkte für den Haushalt

ZEN

TRU

M N

EUE

TEC

HN

OLO

GIE

N

INFO

NANO IN DER MEDIZIN:

Medikamente gezielter und schonender zu verabreichen ist ein wichtiges Ziel der Nanomedizin. „Trägersysteme“ aus Nanopartikeln könnten die Wirkstoffe gezielt an ihren Wirkort im Körper bringen und so ungewünschte Neben- wirkungen ausschalten.

IM DIENST DER UMWELT:

Energieeffizienz lässt sich durch maßgeschneiderte Materia-lien meist erheblich verbessern. Man verspricht sich von den Nanotechnologien einen großen Beitrag, um effizientere und alternative Energietechniken zu entwickeln, z.B. Solarzellen, die einfallendes Licht besser zur Stromgewinnung nutzen. Geforscht wird auch an Komponenten eines auf Wasserstoff basierenden alternativen Energiesystems, vor allem an der Brennstoff- zelle. Nanotechnologien helfen Umweltschadstoffe in winzigen Mengen aufzuspüren und mit speziellen Materialien auszufiltern.

14.2

AM ENDE ZÄHLT DER NUTZEN NANO IN MEDIZIN UND UMWELT


Nano in Medizin und UmweltFRAGEN & LÖSUNGEN

Schwangerschaftstest: Gold hilft, ein Hormon nachzuweisen – wie geht das?

Der Schwangerschaftstest enthält an kolloidale Goldpartikel (=Nanopartikel) gebundene Anti- körper, um das Hormon hCG nachzuweisen, das sich in der frühen Schwangerschaft im Urin findet. Ist das Hormon vorhanden, bildet sich ein Gold-hCG-Komplex, der als rote Linie sichtbar wird (links). Die Linie rechts dient zur Kontrolle, ob der Test korrekt durchgeführt wurde.

Wasserstoffgas-Sensoren auf CNT-Basis: Kohlen-stoff-Nanoröhren (CNTs) „merken“, wenn sich Wasserstoff an der falschen Stelle sammelt. Wie funktioniert das?

In diesem Sensor kommt ein Chip mit einem Netzwerk aus Kohlenstoff-Nanoröhren zum Einsatz. Wenn sich Moleküle des zu registrieren-den Stoffs (hier Wasserstoff) anlagern, ändern sich die elektronischen Eigenschaften der Nan-oröhren. Diese Änderung kann man messen und so z.B. in Batterieräumen den Wasserstoffgehalt in der Luft überwachen.

ENTDECKERKARTEN - deutsches-museum.de · Virus: 20–100 nm groß kleinstes Schaltelement eines...

Documents

Transcript of ENTDECKERKARTEN - deutsches-museum.de · Virus: 20–100 nm groß kleinstes Schaltelement eines...