Snc nanochemie modul

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Snc nanochemie modul

  1. 1. Nanochemie Modul 3. Dezember 2010 Modulsponsor:
  2. 2. Inhaltsübersicht 1. Pyrophores Eisen 2. Ferrofluid 3. Flüssigkristalle 4. Goldrubinglas 5. Nanogold
  3. 3. 1. Pyrophores Eisen Spontane Oxidation von Eisen-Nanopartikeln
  4. 4. Spontane Verbrennung von Eisen-Nanopartikeln Quelle: Swiss Nano-Cube Pyrophore Eisen-Nanopartikel Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Pyrophores Eisen“ zu finden.
  5. 5. Inhalt Quelle: Swiss Nano-Cube <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Experimentelle Durchführung </li></ul><ul><li>Materialien, Chemikalien, Vorgehen </li></ul><ul><li>Sicherheitshinweise </li></ul><ul><li>Theoretische Grundlagen </li></ul><ul><li>Oberflächeneffekt </li></ul><ul><li>Repetition: Oxidation/Verbrennung </li></ul><ul><li>Herstellung Pyrophores Eisen </li></ul><ul><li>Lernziele/Kontrollfragen </li></ul>
  6. 6. Einführung Auflösen von Zucker in Wasser Wie kann man das Auflösen eines Zuckerwürfels im Tee beschleunigen?
  7. 7. Einführung Auflösen von Zucker in Wasser: Pulver löst sich schneller als grosse Kristalle. Nach 1 min Nach 3 min Vergleich: Kandis-Zucker mit Kristall-Zucker
  8. 8. Experimentelle Durchführung <ul><li>Herstellung von Ammoniumeisenoxalat: </li></ul><ul><li>Di-Ammoniumoxalat </li></ul><ul><li>Ammoniumeisen(II)-Sulfat </li></ul><ul><li>Destilliertes Wasser </li></ul>Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen Quelle: Swiss Nano-Cube
  9. 9. Experimentelle Durchführung Video Pyrophores Eisen Video: Vorgehen bei der Herstellung von Pyrophorem Eisen www.swissnanocube.ch
  10. 10. Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
  11. 11. Theoretische Grundlagen 10.05.11 <ul><li>Oberflächeneffekt </li></ul><ul><li>Spezifische Oberfläche = Oberfläche / Kubikmeter </li></ul>Kantenläng =1 cm Volumen = 1 cm 3 Fläche = 1 cm 2 Kantenlänge =0.5 cm Gesamtvolumen = 1 cm 3 Gesamtfläche = 6 cm 2
  12. 12. Theoretische Grundlagen Kleiner Exkurs in die Biologie: Warum sind alle einzelligen Lebewesen so winzig? Einzeller, Quelle: Wikipedia
  13. 13. Theoretische Grundlagen <ul><li>Einzellige Organismen nehmen ihre Nahrung aus-schliesslich über ihre äussere Hülle (Zellmembran) auf. </li></ul><ul><li>Je grösser das Volumen, desto geringer das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen: </li></ul><ul><li>1 cm 3 = >1 cm 2 Verhältnis: 1/1 </li></ul><ul><li>8 cm 3 = >4 cm 2 Verhältnis: 1/2 </li></ul><ul><li>64 cm 3 = >16 cm 2 Verhältnis: 1/4 </li></ul><ul><li>Einzellige Organismen sind begrenzt in ihrer Grösse. </li></ul><ul><li>Die einzige Schnittstelle zur Umgebung ist immer nur die Oberfläche! </li></ul>Kleiner Exkurs in die Biologie:
  14. 14. Theoretische Grundlagen Oberflächeneffekt <ul><li>Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität </li></ul><ul><li>Je kleiner ein Partikel, desto höher der relative Anteil der Atome/Moleküle, die sich direkt an der Oberfläche befinden. </li></ul><ul><li>Zudem: Die Atome an der Oberfläche sind einer geringeren Bindungskraft aus dem Inneren des Partikels ausgesetzt. </li></ul><ul><li>Nur die Atome/Moleküle an der Oberfläche können mit der Umgebung interagieren. </li></ul><ul><li>Folglich: Stärkere Wechselwirkungen der Atome des Partikels mit der Umgebung des Partikels. </li></ul>
  15. 15. Theoretische Grundlagen Oberflächeneffekt bei Eisen-Nanopartikeln <ul><li>Grössere Oberfläche = Höhere Reaktivität </li></ul><ul><li>Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit der Umgebung. </li></ul><ul><li>Zum Beispiel: Eisen-Nanopartikel reagieren viel stärker mit Sauerstoff aus der Umgebung. </li></ul><ul><li>Verbrennung bereits „spontan“ bei Raumtemperatur: Pyrophores Eisen. </li></ul><ul><li>Pyrophor = leicht entzündlich </li></ul><ul><li>Bei makroskopischem Eisen: Oxidation/Verbrennung auch bei Temperaturen von mehr als 600 °C nur sehr langsam. </li></ul>
  16. 16. Theoretische Grundlagen Repetition: Oxidation/Verbrennung Was ist der Unterschied zwischen einer Oxidation und einer Verbrennung?
  17. 17. Theoretische Grundlagen Repetition: Oxidation/Verbrennung <ul><li>Oxidation </li></ul><ul><li>Ursprünglich: Elektronenübertragung auf Sauerstoff </li></ul><ul><li>Heute: Gängiger Begriff für die Abgabe von Elektronen an das Oxidationsmittel (Elektronenakzeptor = Oxidationsmittel) </li></ul><ul><li>Verbrennung: Merkmale </li></ul><ul><li>Oxidation mit Sauerstoff als Oxidationsmittel </li></ul><ul><li>Exotherme Redoxreaktion </li></ul><ul><li>Abgabe von Energie (Wärme, Licht) </li></ul>
  18. 18. Theoretische Grundlagen Herstellung Pyrophores Eisen Herstellung Di-Ammoniumeisen(II)-Di-Oxalat 2 (NH 4 ) 2 C 2 O 4 + (NH 4 ) 2 Fe II (SO 4 ) 2 (NH 4 ) 2 Fe II (C 2 O 4 ) 2 + 2 (NH 4 ) 2 SO 4 Thermolytische Zersetzung: Herstellung der Eisen-Nanopartikel (NH 4 ) 2 Fe II (C 2 O 4 ) 2 Fe + CO + 3 CO 2 + 2 NH 3 + H 2 O Spontane Verbrennung der Eisen-Nanopartikel bei Raumtemperatur 4 Fe + 3 O 2 2 Fe III 2 O 3 RT + Δ T
  19. 19. Lernziele/Kontrollfragen <ul><li>Oberflächeneffekt beschreiben können. </li></ul><ul><li>Wissen, was man unter der spezifischen Oberfläche versteht. </li></ul><ul><li>Erklären können, warum die Reaktivität von Stoffen zunehmen kann, wenn sie als Nanopartikel vorliegen. </li></ul><ul><li>Wissen, was „pyrophor“ bedeutet. </li></ul>
  20. 20. 2. Ferrofluid Superparamagnetische Nanopartikel
  21. 21. Magnetische Flüssigkeiten mit erstaunlichen Eigenschaften Quelle: Swiss Nano-Cube Ferrofluid aus Magnetit-Nanopartikeln Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Ferrofluid“ zu finden.
  22. 22. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Experimentelle Durchführung </li></ul><ul><li>Materialien, Chemikalien, Vorgehen </li></ul><ul><li>Sicherheitshinweise </li></ul><ul><li>Theoretische Grundlagen </li></ul><ul><li>Grundlagen Magnetismus </li></ul><ul><li>Oberflächenfunktionalisierung </li></ul><ul><li>Anwendungen </li></ul><ul><li>Lernziele/Kontrollfragen </li></ul>
  23. 23. Einführung Video: Krebs bekämpfen mit Ferrofluiden Video Magforce www.magforce.de
  24. 24. Experimentelle Durchführung Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Ferrofluids Video Ferrofluid www.swissnanocube.ch
  25. 25. Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe!
  26. 26. Theoretische Grundlagen Grundlagen Magnetismus: Magnetfeld Quelle: Swiss Nano-Cube Feldlinie Nordpol Südpol
  27. 27. Theoretische Grundlagen Grundlagen Magnetismus: Quellen des Magnetfeldes <ul><li>Elektronen in der Atomhülle: Bewegte Punktladungen </li></ul><ul><li>Repetition: Aufbau der Elektronenhülle von Atomen. </li></ul><ul><li>Atome können Elementarmagnete sein. </li></ul><ul><li>Elektronen bewegen sich um den Atomkern herum und erzeugen ein „schwaches“ Magnetfeld . </li></ul><ul><li>Elektronen, die in entgegengesetzte Richtungen drehen, heben ihre Magnetfelder gegenseitig auf. </li></ul><ul><li>Wenn über alle Elektronen im Atom die Drehrichtung (=Spin) nicht ausgeglichen ist, ist das Atom ein Elementarmagnet . </li></ul><ul><li>Elektromagnete </li></ul><ul><li>Stromdurchflossene Spulen </li></ul><ul><li>Künstliche Erzeugung von bewegten Ladungen </li></ul>
  28. 28. Theoretische Grundlagen Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung <ul><li>Magnetisieren heisst, alle Elementarmagnete gleich ausrichten </li></ul><ul><li>Bestimmte Materialien können, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, selber magnetisch werden. Sie werden magnetisiert . </li></ul><ul><li>Magnetisieren heisst, dass die einzelnen Elementarmagnete bezüglich ihrem Nord- und Südpol alle gleich ausgerichtet werden. </li></ul>Magnetisierung Einzelne Elementarmagnete nicht magnetisch stark magnetisch
  29. 29. Theoretische Grundlagen Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung <ul><li>Nicht alle Materialien können magnetisiert werden. </li></ul><ul><li>Nur jene Materialien, welche aus Elementarmagneten bestehen, können magnetisiert werden. </li></ul><ul><li>Ob ein Material aus Elementarmagneten besteht oder nicht, hängt von dem Aufbau der Elektronenhülle des Atoms ab. </li></ul><ul><li>Ferromagnete, Paramagnete, Diamagnete. </li></ul><ul><li>Materialien, die stark und dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Ferromagnete (z.B. Eisen, Zink, Kobalt). </li></ul><ul><li>Materialien, die nur schwach und nicht dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Paramagnete (z.B. Sauerstoff). </li></ul><ul><li>Materialien, die gar nicht magnetisiert werden können, nennt man Diamagnete (z.B. Wasser). </li></ul>
  30. 30. Theoretische Grundlagen Grundlagen Magnetismus: Magnetisierung <ul><li>Superparamagnete </li></ul><ul><li>Materialien, die stark und aber nicht dauerhaft magnetisiert werden können, nennt man Superparamagnete . </li></ul><ul><li>Nanopartikel aus ferromagnetischen Materialien sind superparamagnetisch. </li></ul><ul><li>In Nanopartikeln sind nicht genügend Atome (=Elementarmagnete) vorhanden, um die Magnetisierung aufrechtzuerhalten. </li></ul><ul><li>Durch die thermische Bewegung der einzelnen Atome wird die Ausrichtung wieder aufgehoben, sobald kein äusseres Magnetfeld mehr vorhanden ist. </li></ul><ul><li>Ferrofluide bestehen aus superparamagnetischen Nanopartikeln . </li></ul>
  31. 31. Theoretische Grundlagen Igelstrukturen im Ferrofluid Quelle: Swiss Nano-Cube <ul><li>Rosensweig Instabilität </li></ul><ul><li>Drei Kräfte: Magnetfeld, Gravitation, Oberflächen-spannung der Flüssigkeit. </li></ul><ul><li>Das Ferrofluid befindet sich im Gleichgewicht dieser Kräfte. </li></ul>Starker Magnet
  32. 32. Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum kann man nicht einfach Eisen schmelzen, um ein Ferrofluid zu erhalten?
  33. 33. Theoretische Grundlagen Ferrofluide sind nicht das selbe wie geschmolzene Ferromagnete! <ul><li>Bei hohen Temperaturen wird durch die Thermische Energie der Atome die Magnetisierung aufgehoben. </li></ul><ul><li>Durch die Verflüssigung ferromagnetischer Materialien verlieren diese ihre ferromagnetischen Eigenschaften und werden paramagnetisch. </li></ul><ul><li>Paramagnete können nur schwach und nicht permanent magnetisiert werden. </li></ul><ul><li>Im Gegensatz dazu können Ferrofluide stark und nicht permanent magnetisiert werden. </li></ul>
  34. 34. Theoretische Grundlagen Flüssige Magnete Warum verklumpen die einzelnen magnetischen Nanopartikel nicht miteinander?
  35. 35. Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung verhindert das Verklumpen! <ul><li>Durch das Erzeugen einer positiv geladenen Oberfläche der einzelnen Nanopartikel kann erreicht werden, dass diese sich gegenseitig abstossen und nicht verklumpen. </li></ul>
  36. 36. Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung Quelle: Swiss Nano-Cube
  37. 37. Theoretische Grundlagen <ul><li>Medizin: Krebsbekämpfung durch Hyperthermie-Therapie </li></ul><ul><li>Medizin: Gerichteter Wirkstofftransport (Drug Targetting ) </li></ul><ul><li>Oberflächenbeschichtung von Tarnkappen Flugzeugen </li></ul>Anwendungen
  38. 38. Lernziele/Kontrollfragen <ul><li>Den Unterschied zwischen Ferromagneten, Paramagneten, Diamagneten und Superparamagneten verstehen. </li></ul><ul><li>Verstehen, warum Nanopartikel andere magnetische Eigenschaften besitzen als grössere Partikel. </li></ul><ul><li>Erklären können, warum man Ferrofluide nicht einfach durch Schmelzen von Eisen herstellen kann. </li></ul><ul><li>Verstehen, was die Oberflächenfunktionalisierung der magnetischen Nanopartikel bewirkt und welchen Nutzen sie hat. </li></ul>
  39. 39. 3. Flüssigkristalle Ein Thermometer aus Flüssigkristallen
  40. 40. Thermotrope Flüssigkristalle ändern ihre Farbe in Abhängigkeit der Temperatur Quelle: Swiss Nano-Cube Flüssigkristall im Wasserbad Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Flüssigkristalle“ zu finden.
  41. 41. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Experimentelle Durchführung </li></ul><ul><li>Materialien, Chemikalien, Vorgehen </li></ul><ul><li>Sicherheitshinweise </li></ul><ul><li>Theoretische Grundlagen </li></ul><ul><li>Sichtbares Licht </li></ul><ul><li>Thermotrope Flüssigkristalle </li></ul><ul><li>Lernziele/Kontrollfragen </li></ul>
  42. 42. Einführung Verwendung von Flüssigkristallen in LCD Bildschirmen <ul><li>Flüssigkristalle können auf Veränderungen ihrer Umgebung mit einer Farbveränderung reagieren. </li></ul><ul><li>Elektrische Spannung </li></ul><ul><li>Magnetfelder </li></ul><ul><li>Temperatur </li></ul><ul><li>LCD Bildschirm: „Liquid Crystal Display“ </li></ul>
  43. 43. Experimentelle Durchführung Video Flüssigkristalle Video: Vorgehen bei der Herstellung eines Flüssigkristall-Thermometers www.swissnanocube.ch
  44. 44. Experimentelle Durchführung Flüssigkristallthermometer bei Raumtemperatur Quelle: Swiss Nano-Cube
  45. 45. Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
  46. 46. Theoretische Grundlagen Repetition: Wellen und sichtbares Licht Zu welcher Art von Wellen gehören Lichtwellen?
  47. 47. Theoretische Grundlagen Elektromagnetische Wellen Quelle: Swiss Nano-Cube 0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km sichtbares Licht
  48. 48. Theoretische Grundlagen Repetition: Wellen und sichtbares Licht Wie werden Lichtwellen charakterisiert?
  49. 49. Theoretische Grundlagen Repetition: Wellen und sichtbares Licht Quelle: Swiss Nano-Cube Wellenlänge sichtbares Licht: 400 nm bis 700 nm Wellenlänge λ Amplitude A
  50. 50. Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen <ul><li>Thermotrope Flüssigkristalle sind Überganszustände zwischen der festen (kristallinen) und der flüssigen Phase. </li></ul><ul><li>Je „flüssiger“ eine Substanz, desto weniger Ordnung weisen die Moleküle auf. </li></ul><ul><li>Je nach Temperatur sind die Moleküle im Überganszustand unterschiedlich stark geordnet. </li></ul>Flüssigkeit Kristall Flüssigkristall Temperaturzunahme Hohe Ordnung Molekülordnungs-Grad Abnehmende Ordnung Keine Ordnung
  51. 51. Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen <ul><li>Flüssigkristalle können nur entstehen, wenn die Moleküle bestimmte Symmetrieeigenschaften haben: Mesogene Eigenschaften . </li></ul><ul><li>Flüssigkristalle bestehen aus mehreren Molekülschichten. </li></ul><ul><li>Die Längsachsen der Moleküle einer Schicht zeigen alle in die gleiche Richtung. </li></ul><ul><li>Die Längsachsen der übereinander gelegenen Moleküle sind leicht gegeneinander verschoben. Es entsteht eine wendeltreppenförmige Anordnung, eine sogenannte Helix . </li></ul>
  52. 52. Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen Helix/Pitch (Ganghöhe) Quelle: Swiss Nano-Cube Längsachse eines Moleküls Molekülebene im Flüssigkristall
  53. 53. Theoretische Grundlagen Aufbau von „thermotropen“ Flüssigkristallen <ul><li>Die Ganghöhe ist abhängig von der Temperatur und liegt im Bereich von 400 bis 700 nm. </li></ul><ul><li>Wenn die Temperatur zunimmt, driften die Moleküle auseinander und die Ganghöhe wird grösser. </li></ul>Quelle: Swiss Nano-Cube 400-700 nm
  54. 54. Theoretische Grundlagen Die Wellenlänge von sichtbarem Licht liegt zwischen 400 und 700 nm und damit im Bereich der Ganghöhe der Helix von Flüssigkristallen!
  55. 55. Theoretische Grundlagen Flüssigkristalle und sichtbares Licht <ul><li>Flüssigkristalle können mit Lichtwellen wechselwirken. </li></ul><ul><li>Jene Lichtwellen, deren Wellenlängen der Ganghöhe der Helix entsprechen, werden reflektiert. </li></ul><ul><li>Flüssigkristalle verändern das Spektrum des sichtbaren Lichtes. </li></ul><ul><li>Je nach Temperatur ist die Ganhöhe verschieden und andere Wellenlängen des Spektrums werden reflektiert. </li></ul><ul><li>Die Farbe der Flüssigkristalle ist somit abhängig von der Temperatur. </li></ul>
  56. 56. Theoretische Grundlagen Flüssigkristalle und sichtbares Licht Quelle: Swiss Nano-Cube
  57. 57. Theoretische Grundlagen Anwendungen <ul><li>LCD = Liquid Crystal Display = Flüssigkristallbildschirm </li></ul><ul><li>Farben werden durch Flüssigkristalle erzeugt. </li></ul><ul><li>Die Ordnung der Moleküle der Flüssigkristalle wird in LCD- Bildschirmen durch Veränderung der elektrischen Spannung beeinflusst. </li></ul><ul><li>Je nach Ordnungsgrad besitzen die Flüssigkristalle eine andere Farbe. </li></ul>
  58. 58. Lernziele/Kontrollfragen <ul><li>Den Unterschied zwischen einem Flüssigkristall und einem festen Kristall verstehen. </li></ul><ul><li>Verstehen, was ein thermotroper Flüssigkristall ist. </li></ul><ul><li>Verstehen, was eine Flüssigkristall-Helix ist und wie die Eigenschaften der Helix (Ganghöhe) durch die Temperatur beeinflusst werden. </li></ul><ul><li>Verstehen, warum Flüssigkristalle bei Temperatur-veränderungen ihre Farbe ändern können. </li></ul>
  59. 59. 4. Goldrubinglas Glas färben mit Nanogold
  60. 60. Nanogold-Partikel erzeugen schillernde Farben in Glas. Quelle: Swiss Nano-Cube Goldrubinglas-Perlen aus der Mikrowelle Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Goldrubinglas“ zu finden.
  61. 61. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Experimentelle Durchführung </li></ul><ul><li>Materialien, Chemikalien, Vorgehen </li></ul><ul><li>Sicherheitshinweise </li></ul><ul><li>Theoretische Grundlagen </li></ul><ul><li>Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln </li></ul><ul><li>Mikrowellen </li></ul><ul><li>Grafit-Suszeptor-Element </li></ul>
  62. 62. Einführung 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.
  63. 63. Einführung Goldrubinglas im Mittelalter Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.
  64. 64. Experimentelle Durchführung <ul><li>Glasausgangsgemisch vorbereiten: </li></ul><ul><li>Quarz </li></ul><ul><li>Borsäure </li></ul><ul><li>Calciumcarbonat, Lithiumcarbonat, Natriumcarbonat </li></ul><ul><li>Ein „Körnchen“ Goldchlorid Aquat zugeben. </li></ul><ul><li>Im Mörser zerkleinern und in einen Porzellantiegel geben. </li></ul><ul><li>Tiegel im Grafit-Suszeptor-Technik Element (GST Element) platzieren. </li></ul><ul><li>Glasgemisch mit GST Element in der Mikrowelle erhitzen. </li></ul><ul><li>5-10 min im Mikrowellenofen bei mehr als 1000 °C </li></ul>Vorgehen bei der Herstellung von Goldrubinglas
  65. 65. Experimentelle Durchführung Herstellung des GST Elements Quellen: Swiss Nano-Cube GST Element T > 1000 °C Glasherstellung im Mikrowellenofen
  66. 66. Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
  67. 67. Theoretische Grundlagen Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat Oxidation: [O 2 C +II - C +II OH-C 4 H 4 O 4 ] 3- [O C +II -C 4 H 4 O 4 ] 2- + H + + C +IV O 2 + 2 e - Reduktion: H Au +III Cl 3 + 2 e - Au +I Cl + 2 Cl - (3x) Disproportionierung 3 AuCl 3 C 5 H 4 O 5 2- 2 Au 0 + AuCl 3 Gesamt: 2 AuCl 3 + 3 C 6 H 5 O 7 3- 3 C 5 H 4 O 5 2- + 3 H + + CO 2 + 6 Cl - + 2 Au 0
  68. 68. Theoretische Grundlagen Quelle: Swiss Nano-Cube Elektromagnetische Wellen 0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km sichtbares Licht
  69. 69. Theoretische Grundlagen <ul><li>Bei Edelmetallen wie Gold beträgt die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen ca. 1/4 bis 1/10 der Wellenlänge. </li></ul><ul><li>Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 nm werden von sichtbarem Licht (400–700 nm) vollständig durchdrungen. </li></ul><ul><li>Anregung -> Elektrisches Wechselfeld -> Höheres Energieniveau </li></ul><ul><li>Beim „Rückschwingen“ wird Energie in Form von Streulicht frei </li></ul><ul><li>Absorption/Transmission der einfallenden Lichtwellen je nach Grösse der Partikel. </li></ul><ul><li>Partikel mit 20–30 nm Durchmesser absorbieren vorwiegend kurzwelliges blaues Licht und transmittieren rotes Licht. Sie erscheinen daher rot. </li></ul>Oberflächen-Plasmonen-Resonanz
  70. 70. Theoretische Grundlagen Quelle: Swiss Nano-Cube Oberflächen-Plasmonen-Resonanz
  71. 71. Theoretische Grundlagen Zusatzfrage Was kann in einem Mikrowellenofen erhitzt werden?
  72. 72. Theoretische Grundlagen <ul><li>Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge. </li></ul><ul><li>Anregung von Dipolmolekülen wie Wasser -> Moleküle werden in Bewegung versetzt. </li></ul><ul><li>Nur im flüssigen Zustand: Guter Ausgleich zwischen Beweglichkeit der Moleküle und Dichte. </li></ul><ul><li>Durch dichte Anordnung entsteht bei der Bewegung Reibungswärme. </li></ul>Mikrowellen und flüssiges Wasser Flüssiges Wasser und hauchdünne Metall- oder Grafitschichten können durch Mikrowellen angeregt werden.
  73. 73. Theoretische Grundlagen <ul><li>Mikrowellenofen: 2.45 GHz, 12 cm Wellenlänge. </li></ul><ul><li>Mikrowellen dringen nur einige Mikrometer tief in Grafit ein. </li></ul><ul><li>Anregung von Elektronen an der Oberfläche des Grafit. Die Elektronen beginnen zu schwingen. </li></ul><ul><li>Bei sehr dünnen Grafitschichten können dabei sehr hohe Temperaturen entstehen, so dass die Schicht verdampft wird. </li></ul><ul><li>Im GST Element liegt der Porzellantiegel so dicht auf der dünnen Grafitschicht, dass diese zwar sehr heiss wird, jedoch nicht verdampft. </li></ul>10.05.11 Mikrowellen und Grafit
  74. 74. Theoretische Grundlagen Grafit-Suszeptor-Element: Mehr als 1000 °C in der Mikrowelle Quelle: Swiss Nano-Cube
  75. 75. 5. Nanogold Optische Eigenschaften von Gold in der Nanodimension
  76. 76. Nanogold-Partikel verändern ihre Farbe in Abhängigkeit ihrer Grösse Quelle: Swiss Nano-Cube Goldkolloide unterschiedlicher Grösse in wässriger Lösung Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Experimentieranleitung „Nanogold“ zu finden.
  77. 77. Inhalt <ul><li>Einführung </li></ul><ul><li>Experimentelle Durchführung </li></ul><ul><li>Herstellung von Nanogold-Partikeln (kolloidales Gold) </li></ul><ul><li>Phasentranspher von Nanogold-Partikeln </li></ul><ul><li>Sicherheitshinweise </li></ul><ul><li>Theoretische Grundlagen </li></ul><ul><li>Kolloide </li></ul><ul><li>Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat als Reduktionsmittel </li></ul><ul><li>Repetition: Elektromagnetische Wellen und sichtbares Licht </li></ul><ul><li>Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln </li></ul><ul><li>Oberflächenfunktionalisierung </li></ul><ul><li>Anwendungen </li></ul>
  78. 78. Einführung 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.
  79. 79. Einführung Goldrubinglas im Mittelalter Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.
  80. 80. Experimentelle Durchführung Video: Vorgehen bei der Herstellung von Nanogoldpartikeln: Video Nanogold www.swissnanocube.ch
  81. 81. Experimentelle Durchführung <ul><li>Chemikalien: </li></ul><ul><li>Goldkolloide in wässriger Lösung </li></ul><ul><li>Natriumchlorid </li></ul><ul><li>Dodecan (hydrophobe Phase) </li></ul><ul><li>Kaliumoleat (Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel) </li></ul><ul><li>Die Nanopartikel in der wässrigen Phase mit Dodecan überschichten. </li></ul><ul><li>Kaliumoleat dazugeben. </li></ul><ul><li>Einige Minuten mit einem Magnetrührer heftig rühren. </li></ul><ul><li>Übergang der Nanopartikel von der wässrigen in die hydrophobe Phase (Dodecan) kann beobachtet werden. </li></ul>Vorgehen beim Phasentranspher:
  82. 82. Experimentelle Durchführung Quellen: Swiss Nano-Cube wässrige Phase hydrophobe Phase
  83. 83. Experimentelle Durchführung Sicherheitshinweise Schutzbrille, Labormantel, Handschuhe
  84. 84. Theoretische Grundlagen Kolloide: Was ist der Unterschied zwischen einer Lösung und einer Dispersion?
  85. 85. Theoretische Grundlagen 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 .
  86. 86. Theoretische Grundlagen <ul><li>Goldkolloide sind 2 bis 100 nm grosse Nanopartikel aus elementarem Gold. </li></ul><ul><li>Goldkolloide sind im Lösungsmittel fein verteilt und bilden eine Dispersion. </li></ul><ul><li>Wichtig: Eine Dispersion darf nicht mit einer Lösung verwechselt werden, denn in einer Lösung sind die einzelnen Atome vollständig im Lösungsmittel gelöst. </li></ul><ul><li>Eine Dispersion aus Nanogold-Partikeln wird Goldsol genannt. </li></ul>Kolloide:
  87. 87. Theoretische Grundlagen Reduktion von Goldchlorid mit Tri-Natriumcitrat: Oxidation: [O 2 C +II - C +II OH-C 4 H 4 O 4 ] 3- [O C +II -C 4 H 4 O 4 ] 2- + H + + C +IV O 2 + 2 e - Reduktion: H Au +III Cl 3 + 2 e - Au +I Cl + 2 Cl - (3x) Disproportionierung: 3 AuCl 3 C 5 H 4 O 5 2- 2 Au 0 + AuCl 3 Gesamt: 2 AuCl 3 + 3 C 6 H 5 O 7 3- 3 C 5 H 4 O 5 2- + 3 H + + CO 2 + 6 Cl - + 2 Au 0
  88. 88. Theoretische Grundlagen Quelle: Swiss Nano-Cube Repetition: Elektromagnetische Wellen und Sichtbares Licht 0.01 nm 1 nm 100 nm 400 nm 700 nm 1 cm 1 km sichtbares Licht
  89. 89. Theoretische Grundlagen <ul><li>Bei Edelmetallen wie Gold beträgt die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen ca. 1/4 bis 1/10 der Wellenlänge. </li></ul><ul><li>Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20–30 nm werden von sichtbarem Licht (400–700 nm) vollständig durchdrungen. </li></ul><ul><li>Anregung -> Elektrisches Wechselfeld -> Höheres Energieniveau </li></ul><ul><li>Beim „Rückschwingen“ wird Energie in Form von Streulicht frei </li></ul><ul><li>Absorption/Transmission der einfallenden Lichtwellen je nach Grösse der Partikel. </li></ul><ul><li>Partikel mit 20 – 30 nm Durchmesser absorbieren vorwiegend kurzwelliges blaues Licht und transmittieren rotes Licht. Sie erscheinen daher rot. </li></ul>Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln:
  90. 90. Theoretische Grundlagen Quelle: Swiss Nano-Cube Optische Eigenschaften von Nanogold-Partikeln Oberflächen-Plasmonen-Resonanz
  91. 91. Theoretische Grundlagen <ul><li>Je nach der Beschaffenheit der Partikel-Oberfläche lassen sich die Nanopartikel in unterschiedlichen Medien dispergieren. </li></ul><ul><li>Die Moleküle, mit welchen die Partikel an der Oberfläche bestückt sind, bilden eine Nanosphäre um die Partikel. </li></ul><ul><li>Durch eine Veränderung der funktionalen Oberfläche lassen sich die Nanopartikel in verschiedenen Phasen dispergieren: Phasentranspher. </li></ul><ul><li>Polare, wässrige Phase: Citrat-Moleküle </li></ul><ul><li>Hydrophobe Phase (Dodecan): Kaliumoleat-Moleküle </li></ul><ul><li>Die Nanosphäre der Partikel hat auch Auswirkungen auf die Farbe. </li></ul>Oberflächenfunktionalisierung:
  92. 92. Theoretische Grundlagen Oberflächenfunktionalisierung Kaliumoleat (hydrophob) Citrat (hydrophob) Quellen: Swiss Nano-Cube -
  93. 93. Theoretische Grundlagen Anwendungen: Schwangerschaftstest Quelle: Swiss Nano-Cube

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