Klein – kleiner – nano

nanokits für nanokids

Drei Experimentezum Selbermachen

...für kleine undgroße Kinder

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Impressum

Herausgeber:cc-NanoBioNet e.V.Science Park 166123 Saarbrückenwww.nanobionet.de

Skizzen: Nina Sepeur

Alle Rechte liegen bei cc-NanoBioNet e.V.Keine Teile dieser Publikation dürfen reproduziert, übertragen, kopiert, in andere Sprachenübersetzt oder in irgendwelcher Form ohne schriftliches Einverständnis des Herausgebersverwendet werden.

Im Rahmen des EU-Projekts NANORA, unterstützt von INTERREG IVB Nordwesteuropa.

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Inhalt

Impressum..................................................................................................................................3

Hallo Leute!.................................................................................................................................5

Liebe Eltern.................................................................................................................................6

Haftungshinweise.......................................................................................................................7

Was ist Nanotechnologie?..........................................................................................................8

1. Experiment: Der Lotuseffekt.................................................................................................10

2. Experiment: Oberflächenvergrößerung...............................................................................18

3. Experiment: Der Zusammenhang zwischenOberflächenvergrößerung und Löslichkeit.......................................................................26

Was ist NANORA?.....................................................................................................................33

NANORA-Partner......................................................................................................................34

Hallo Leute!

Mein Name ist Nora. Und wer bist du?

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Seit ich denken kann, beschäftige ich mich mitder Nanotechnologie. Das hast du noch nie ge-hört? Keine Ahnung? Oder schon davon gehört,aber trotzdem keine Ahnung? Das macht über-haupt nichts!

Hast du Lust, mit mir ein paar Versuche zu machen? So wie ein echter Wissenschaftler? Dannkomm mal mit. Ich zeige dir, wie’s geht! Ich wette, du wirst dabei Spaß haben. Und danachkannst du deinen Freunden, Eltern oder Großeltern zeigen, was du erlebt und erfahren hast.Bevor es losgeht, erzähle ich dir ein paar spannende Fakten. Ach ja, deine Eltern dürfen auchnoch einen kleinen Abschnitt lesen. An der Stelle, an der „Liebe Eltern“ steht.

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Liebe Eltern

Warum hinterlässt Ketschup klebrige rote Flecken? Warum werden dreckige Kleider nichtvon selbst wieder sauber? Warum hinterlässt es Spuren, wenn das Spielzeugauto über das„echte“ Auto kratzt?

Gehören Sie auch zu den Eltern, die von morgens bis abends mit solchen Fragen von IhrenKindern bombardiert werden? Das ist gut so!Denn Kinder wollen wissen, forschen, ergründen.

Mit unserer Broschüre nanokits für nanokids möchten wir Kinder spielerisch an eine Tech-nologie heranführen, die bisherige wissenschaftliche Erkenntnisse auf den Kopf stellt. In derNanotechnologie stecken ein bisschen Physik, Chemie, Biologie, Materialwissenschaften undMedizin drin. Ob kratzfeste Lacke, selbstreinigende Fensterscheiben oder verträglichere me-dizinische Hilfsmittel – die Nanotechnologie eröffnet mit ihren spannenden Entdeckungenvöllig neue Möglichkeiten und bringt Nutzen in nahezu allen Lebensbereichen mit sich.

Die drei Experimente dieser Broschüre eignen sich für Kinder zwischen vier und zehn Jahren.Es werden Materialien verwendet, die sich in den meisten Haushalten auftreiben lassen.Falls nicht, sind die Utensilien günstig und in jedem Supermarkt zu erwerben. Vielleicht hilftauch der nette Nachbar von nebenan aus…Weitere Experimente für Schüler finden Sie unter www.nanoschoolbox.com

Viel Vergnügen!6

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Haftungshinweise

Da der Umgang mit den Versuchen je nach Alter des Kindes sehr unterschiedlich sein kann,sollten Sie als Erwachsener die Experimente überwachen. Die Aufsichtspflicht obliegt Ihnen.Egal, ob Ihr Kind die Versuche selbständig durchführt oder mit Ihnen als Betreuung: Es mussdarauf geachtet werden, dass alle Hinweise befolgt und dass nur die hier beschriebenen Ver-suche durchgeführt werden. Als Arbeitsplatz eignet sich ein fester Tisch mit unempfindlicherhitzebeständiger Oberfläche.

Bei den Hilfsmitteln handelt es sich um alltägliche Gebrauchsgüter. Dennoch wird keinerleiHaftung übernommen – weder für das Gelingen beim Nachmachen noch für eventuelle dabeiauftretende Schäden. Wir wünschen Ihnen und Ihrer Nachwuchswissenschaftlerin bzw. IhremNachwuchswissenschaftler viel Spaß in der Nano-Welt.

Was ist Nanotechnologie?

„nãnos“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Zwerg“.

Nanotechnologie beschäftigt sich mit den kleinsten Teilchen. Ein Nano-Teilchen ist so mini, dass man es nicht sehen kann. Man kann es sichkaum vorstellen. Vielleicht hilft der folgende Vergleich: Ein Meter verhältsich zu einem Nanometer wie die Erde zu einem Fußball. Oder: Dasmenschliche Kopfhaar ist 70.000 mal dicker als 1 Nanometer.

Rechnerisch ausgedrückt ist ein Nanometer ein Milliardstel Meter oderein millionstel Millimeter, die Abkürzung für Nanometer lautet nm.In Zahlen sieht das folgendermaßen aus:

1 Nanometer = 1 nm = 10-9 m = 0,000.000.001 m.

Diese winzigen Bausteine werden auch Nanopartikel genannt. Nano-Teilchen können ausganz unterschiedlichen Materialien bestehen. Die folgenden drei Experimente zeigen euch,warum Nano-Teilchen so etwas Besonderes sind.

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Ein Meter verhält sich zu einem Nanometer wie die Erde zu einem Fußball.

1. Experiment: Der Lotuseffekt

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Das brauchst du

• Verschiedene Papiersorten, z.B. Papier aus demDrucker, ein Stück Zeitungspapier, eine Filtertüte…

• Pflanzenblätter, je zwei gleiche, z.B. Blätter vonKapuzinerkresse, Kohlrabi, Rotkohl oder eines Gummi-baums, Salatblätter, Löwenzahn, Grashalme…

• Messbecher• Teelöffel• Wasser• Ein bisschen „Dreck“, z.B. fein zerriebene Gartenerde

oder feiner Staub

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Kapuzinerkresse

Eichenblatt

Löwenzahn

„Dreck“

verschiedene Papiersorten

So geht der Versuch

1. Lege immer zwei gleiche Blätter nebeneinander. Auf ein Blatt machst du ein bisschen Staub, das andere lässt du sauber.

2. Mit dem Teelöffel träufelst du nun ein paar Tropfen Wasser auf die Blätter.3. Nimm die Blätter einzeln nacheinander vorsichtig in die Hand und lasse das Wasser

durch leichtes Bewegen des Blattes hin und her gleiten. 4. Wiederhole das bei allen Blätterpaaren, die du gesammelt hast.

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Das kannst du sehen

Bei manchen Blättern rollt der Tropfen wie eine Murmel überdas Blatt. Auf der Kapuzinerkresse beispielsweise oder auf demKohlblatt zeigen sich herrlich runde Tropfen, die du hin und herrollen kannst. Da, wo Staub liegt, nimmt der Tropfen den Dreckauf und hinterlässt eine saubere Spur.

Bei manchen Blättern, etwa auf dem Löwenzahn, zerlaufen dieTropfen. Das Filterpapier des Kaffeefilters saugt den Tropfensogar vollständig auf.

Wie kommt das?

Die Blätter, auf denen die Tropfen als Kugeln zu sehen sind, sind wasserabweisend (hydrophob). Jestärker ein Blatt das Wasser abweist, desto besser kann der Wassertropfen wie eine Kugel abperlenund desto besser kann der Tropfen den „Dreck“ mitnehmen. Die Blätter, auf denen die Tropfen verlaufen oder gar in das Blatt einsickern, sind wasseranziehend(hydrophil).

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Warum ist das so?

Was scheinbar wie eine glatte Oberflächeaussieht, ist, genauer betrachtet, nichtglatt. Schaut man sich mal das Blatt derKapuzinerkresse unter einem Mikroskopan, so sieht man richtig viele Noppen.

Die Oberfläche ist in Wirklichkeit also rich-tig rau und gleicht eher einer hügeligenLandschaft. Diese Noppen wiederum beste-hen aus ganz vielen wasserabweisendenWachskristallen. Zusätzlich ziehen sich dieWassermoleküle des Tropfens gegenseitigan (Kohäsion). Beide Kräfte zusammen be-wirken die ausgesprochene Tropfenformauf dem Kapuzinerkresseblatt.

Der Löwenzahn hat keine wachsartigeOberfläche. Deshalb zerläuft der Tropfenauf dem Löwenzahn.

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Wenn ihr nun mit den Fingern über die Blätter reibt und erneut Wasser auf diese Stellen träufelt,werdet ihr sehen, dass sich keine runden Tropfen mehr bilden. Durch das Reiben habt ihr nämlichdie Noppen der Oberfläche platt gedrückt. Damit ist der Abperleffekt deutlich reduziert odersogar ganz zerstört ist. Der Effekt geht also verloren an den Stellen, an denen man gerieben hat.

Was hat man davon?

Stellt euch einmal vor, euer Geklecker mit Ketschup würde keine Flecken mehr hinterlassen! Oderihr bräuchtet nicht mehr Papas Auto zu waschen! Das wäre doch genial, oder? So etwas Genialeshaben sich nicht die Forscher ausgedacht. Nein, das war die Natur!

Die Wissenschaft hat sich das Phänomen, den so genannten Lotuseffekt, von der Natur abge-schaut und setzt diesen in verschiedenen Bereichen um. Der Lotuseffekt funktioniert nämlichnicht nur auf unterschiedlichen Blättern, sondern auch auf verschiedenen anderen Materialien,etwa Glas oder bestimmten Textilien. Den Lotuseffekt macht man sich bereits für Lacke, fürFensterscheiben, Brillengläser und Dachziegel zu Nutze. Es gibt auch schon selbstreinigende Textil-stoffe wie Markisen, Zelte oder Outdoor-Kleidung, die den Vorteil des Lotuseffekts nutzen.

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Und noch was

Ein Botaniker aus Bonn hat den Lotuseffekt vor über 50 Jahren entdeckt. Professor WilhelmBarthlott schuf mit dem Phänomen, das schon sehr lange in der Natur vorkam, die Marken-bezeichnung „Lotus-Effect®“. Dafür erhielt er 1999 den Deutschen Umweltpreis. Der BegriffLotuseffekt wird auch manchmal „Nano-Effekt“ genannt. Alles klar?

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Zum Ausmalen

Schwarz-weiß ist langweilig.

Male das Bild mit deinenLieblingsfarben aus.

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2. Experiment: Oberflächenvergrößerung

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Das brauchst du

• 8 Stücke Würfelzucker• 1 Stift• 1 kariertes Din A 4 Blatt• Schere

So geht der Versuch1. Nehme die 8 Stücke Würfelzucker und baue damit einen großen Würfel. Schaue dir die

Oberfläche deines großen Würfels genau an. Zähle nun alle kleinen außen liegen Flächen der Würfelzuckerstücke. Vergiss nicht die untere Fläche, auf welcher der Würfel aufliegt.Du müsstest auf insgesamt 24 kleine Außenflächen kommen, aus denen sich der große Würfel zusammensetzt.

2. Nimm das karierte Blatt Papier, male 24 zusammenhängende Kästchen aus und schneide die Fläche aus.

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3. Jetzt lege alle 8 Zuckerstücke einzeln hin, egal, ob als Schlange, Kreis oder einfach so. Achte bitte darauf, dass sich die Steine nicht berühren.

Wenn du diesen Aufbau mit dem großen Würfel von eben vergleichst, siehst du, dass alle Ober-flächen der kleinen einzelnen Würfelzucker zu-sammen in dieser Anordnung viel größer sind.

Das nennt man Oberflächenvergrößerung.

Um dies deutlicher zu sehen, zähle bitte alleaußenliegenden Oberflächen der kleinen Wür-felzuckerstücke. Vergiss nicht die Flächen, aufdenen die Würfelchen aufliegen. Du müsstestauf 48 kleine Außenflächen kommen.

Bitte male nun auf deinem karierten Blatt 48zusammenhängende Kästchen aus und schneidediese aus.

Das kannst du sehen

Schauen wir uns einen großen Würfel an und zerteilen ihn in viele kleine Würfel, dann sehenwir, dass die Gesamtoberfläche der kleinen Würfel viel größer ist, als die des einzelnen großenWürfels.

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Wie kommt das?

Zerkleinert man die Würfel weiter, wird die Oberfläche immer größer. Beim weiteren Zerklei-nern entsteht irgendwann ein Material, das fast nur noch aus Oberfläche besteht. In dieserDimension, die man sich kaum vorstellen kann, spricht man vom Nanobereich.

Sehen können wir das nicht – für uns ist das unsichtbar. Um die Teilchen im Nanobereichsehen zu können, braucht man ein ganz besonderes Mikroskop: das Rastertunnelmikroskop.Ein weiteres Verfahren bietet das Rasterkraftmikroskop. Beide Mikroskope sind teuer, extremempfindlich und stehen nur in großen Forschungseinrichtungen. Ein „normales“ Rasterkraft-mikroskop kostet etwa so viel wie ein dicker Mercedes.

Warum ist das so?

Liegt ein und dasselbe Material in kleinen Partikeln vor, kann sich das Verhalten desMaterials grundsätzlich verändern im Vergleich zum selben Stoff in größeren Partikeln. Die vergrößerte Oberfläche bietet nämlich die Möglichkeit, dass andere Stoffe mehr Flächezum „Andocken“ haben, die vorher vielleicht nicht mit dem Stoff reagiert hätten.

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Das ist ein bisschen so wie auf einer Party: Je mehr Leute da sind, desto mehr Gespräche kannstdu führen, desto größer kann der Spaß werden und desto mehr spannende Geschichten kannstdu erfahren.

Das Verhalten des Stoffes hängt also von der Größe seiner Partikel ab, aus denen er aufgebautist. Die großen Oberflächen führen zudem zu besseren Bindungen der Nanopartikel untereinan-der. Man kann festhalten: Je kleiner die Partikel sind, desto größer ist die gesamte Oberfläche,desto mehr Eigenschaften weist ein Stoff auf. Dies wollen wir uns im dritten Experiment genauer anschauen, indem wir die Löslichkeit einesStoffes betrachten.

Was hat man davon?Die Wissenschaft kann Materialien in der Nanodimension herstellenund damit Stoffe so manipulieren, dass sie völlig neue Eigenschaftenbesitzen. Man kann auf diese Weise Stahl härter machen, ohne dasser schwerer wird. Einen solchen Stahl, der aus lauter Nanoteilchenbesteht (nanostrukturierter Stahl), kann man zum Bau von Brückenverwenden. Diese halten länger und sich widerstandsfähiger.

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Nanostrukturierte Materialien bieten viele weitere Vorteile. Aus Kohlen-stoff etwa kann man so genannte „Kohlenstoff-Nanoröhrchen“ herstellen.Das sind winzige Röhren aus Kohlenstoffatomen, die 400 mal so fest sindwie Stahl und trotzdem federleicht sind. Die eignen sich hervorragend fürSportgeräte wie zum Beispiel für Tennisschläger. Nanopartikel sind alsodeshalb so interessant, weil man mit ihnen Sachen entwickeln kann, diees vorher nicht gab.

Und noch was

Wenn die Wissenschaft Materialien manipulieren und Stoffe in Nanoteilchen zerlegen kann,stellt sich die Frage: Können Nanomaterialien denn gefährlich sein? Für Menschen oder fürdie Umwelt? Bis heute gibt es jedoch keine Hinweise auf eine Gefährlichkeit, die nur daraufberuht, dass etwas kleiner ist oder wird. Natürlich gilt: Was im Großen bereits gefährlich ist,ist auch im Kleinen gefährlich. Vor 500 Jahren lebte ein Arzt, Philosoph und Forscher mitNamen Paracelsus. Der sagte schon damals, dass es immer auf die Menge ankommt, obetwas giftig ist für den Menschen oder nicht.

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Wie kommt Nora zum Zucker?

Nora ist zwar eine exzellente Wissenschaftlerin, aber in diesem Irrgarten findet sie sich nicht zu-recht. Bitte hilf ihr, zum Zucker zu kommen!

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3. Experiment: Der Zusammenhangzwischen Oberflächenvergrößerung

und Löslichkeit

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Das brauchst du

• 1 gestrichener Teelöffel Kristallzucker (normaler weißer Haushaltszucker)• 1 Stück Würfelzucker• 1 kleines Stück Kandiszucker (ca. 0,5 cm Durchmesser)• 3 Gläser• 1 Teelöffel zum Rühren• Warmes Leitungswasser• 1 Stoppuhr oder Uhr mit Sekundenzeiger• 1 Blatt Papier • 1 Stift

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So geht der Versuch

1. Fülle die 3 Gläser jeweils mit der gleichen Menge Wasser und stelle sie auf einen Tisch.

2. Lege deine Uhr bzw. Stoppuhr bereit. Gib in das erste Glas den gestrichenen TeelöffelKristallzucker, in das zweite Glass das Stück Würfelzucker und in das dritte Glas das kleine Stück Kandiszucker und rühre mit dem Tee-löffel in jedem Glas 10 Mal um.

3. Nun beginne mit der Zeitmessung. Du schaust, wie lange es dauert, bis sich dieverschiedenen Zuckersorten vollständig aufgelöst haben. Schreibe die drei Zeiten auf ein Blatt Papier.

4. Dann vergleiche die notierten Zeiten. Welche Zuckerform hat sich am schnellstenaufgelöst?

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1. 2. 3.

Das kannst du sehen

Der Kristallzucker löst sich am schnellsten auf.Dann kommt der Würfelzucker und am längstenbraucht der Kandiszucker.

Wie kommt das?

Bei dem Versuch Oberflächenvergrößerung habt ihr erfahren, dass kleinere Teilchen eine grö-ßere Oberfläche haben als größere Teilchen. Wir haben herausgefunden, dass eine größereOberfläche das Verhalten eines Stoffes ändern kann. Und wirhaben gesehen, dass große Oberflächen mehr Möglichkeiten bieten, mit anderen Teilchen zu reagieren.

Beim Kristallzucker sind die Zuckerteilchen am kleinsten undhaben die größte Oberfläche. Sie reagieren daher schneller mitdem Wasser, das sie umgibt und lösen sich im Vergleich zum Wür-felzucker und zum Kandiszucker am schnellsten auf. Kandis dage-gen besteht aus extra großen Kristallen. Die Oberfläche, die vomWasser umgeben ist, ist hier viel kleiner als beim Kristallzucker.Daher braucht der Kandiszucker am längsten, um sich im Wasseraufzulösen.

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1. 2. 3.

Warum ist das so?Nanopartikel sind die kleinsten Teilchen und bieten damit die größte Oberfläche. Sie sinddaher extrem reaktiv. Am Beispiel des Zuckers lässt sich sehr schön zeigen, wie sich dieReaktivität mit zunehmender Oberfläche vergrößert. Es handelt sich in allen drei Fällenum ein und dasselbe Material, nämlich Zucker. Das einzige, was variiert, ist die Form desZuckers und somit die Größe der einzelnen Zuckerkristalle.

Was hat man davon?Durch Variation der Größen kann man also die Reaktionsfreudig-keit von Stoffen bestimmen und variieren. Das eröffnet eine Viel-zahl von Anwendungsmöglichkeiten.Eine superspannende Entdeckung war, als man Nanopartikel ausGold hergestellt hat. Plötzlich sah das Gold nicht goldfarben aus,sondern rot!Schon im Mittelalter hat man Glas wie z.B. Kirchenfenster mitGold gefärbt und erhielt eine rote Farbe. Damals wusste mannatürlich nicht, dass es deshalb rot wurde, weil sie das Gold sozerkleinert hatten, bis tatsächlich Nanopartikel aus dem Goldentstanden sind. Die Nanotechnologie wird also schon seit Jahr-hunderten genutzt, aber man war sich dessen nicht bewusst.Heute weiß man, wie man die Partikel herstellt und durch dieGröße der Partikel die Farbe sogar beliebig verändern kann.

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Also, geht mal beim nächsten Ausflug in eine Kirche und sucht ein Fenster mit roter leuchtenderFarbe. Dann fragt ihr den Priester, wie die rote Farbe zustande kommt.Wetten, dass er es nicht weiß?

Und noch was

Sogar die Ägypter hatten schon mit Nanopartikeln zu tun, ohne es zu wissen. Sie verwendeteneine Tinte, die besonderen Ruß enthielt – heute würde man sagen, dass die Tinte Kohlenstoff-Nanokomponenten enthielt.

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Wer malt die klügste Nora?

Nun hat Nora dich eine Weile begleitet und dirgezeigt, was Nanotechnologie kann. Zeige unsjetzt, was deine Nora weiß oder kann.

Male dafür eine Nora, so wie sie dir gefällt.Schneide sie aus und sende sie uns zu.

Du kannst auch jemanden bitten, deinegemalte Nora zu fotografieren und sieper E-Mail an uns zu senden:

info(at)nanobionet.de

Schreibe uns bitte deinen Namen und dein Alter dazu. Die schönsten Bilder veröffentlichen wir auf unserer Website im Internet:www.nanobionet.de oder www.nanora.eu

Unsere Adressecc-NanoBioNet e.V.Science Park 166123 Saarbrücken

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Was ist NANORA?

NANORA – die Allianz der Nano-Regionen – wird durch die Europäi-sche Union über das Programm INTERREG IVB NWE gefördert undzielt darauf ab, die Rahmenbedingungen und Unterstützungsstruk-turen für Akteure der Nanotechnologie zu verbessern.

NANORA will:- regionenübergreifende Kooperationen stiften und Unternehmen dabei unterstützen,

mit ihrem Nanotechnologie-Fachwissen wettbewerbsfähigere Produkte zu entwickeln- für Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) mittels gemeinsamer transnationaler

Aktivitäten in neuen Zielmärkten neue Marktchancen schaffen- politische Akteure einbinden und die Allianz nachhaltig in den Regionen verankern

Das Projekt basiert auf der Überzeugung, dass die Europäischen Regionen gemeinsam auf denWettbewerbserfolg im Rahmen eines durch Nanotechnologie ermöglichten globalen Wirt-schaftswachstums hinarbeiten müssen.

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NANORA-Partner

Die NANORA-Mitglieder stammen aus nanotechnologiestarken Regionen in Belgien,Frankreich, Deutschland, dem Vereinigten Königreich, Irland und den Niederlandenund setzen sich für die Unterstützung der Nanotechnologie als einer wichtigenSchlüsseltechnologie ein.

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