Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 29.03.16


Was ist nano in der Chemie?

Vortrag von Christin Langner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 11/12


Gliederung:


Einstieg: Wenn man den Begriff Nanotechnologie hört, denkt man zum Beispiel an wasserabweisende Schichten, den sogenannten Lotuseffekt. Dieser wird in Lacken für die Automobilindustrie nutzbar gemacht. Nano ist aber noch viel mehr! Vermutet eine junge Frau schwanger zu sein, wird sie sich einen Schwangerschaftstest besorgen und nutzt auch so die Nanotechnologie aus.


1 Prinzip des Schwangerschaftstests

Die am häufigsten angewandte Methode zum Schwangerschaftsnachweis ist der Urintest. Der Laie schaut, ob das Ergebnis positiv oder negativ ausfällt. Der Chemiker in uns würde sich nun Gedanken machen, welches chemische Phänomen hinter diesem hochpräzisen Verfahren steckt.


Abb. 1: Teststreifen eines Schwangerschaftstests graphisch nachgestellt

Nach dem Entfernen des Kunststoffgehäuses befindet sich im Inneren ein Teststreifen, der nur teilweise im Sichtfenster zusehen ist. In diesem Streifen verbirgt sich die Chemie des Schwangerschaftstests. Die Funktionsweise ist das Prinzip eines klassischen Immunassays, um verschiedenste Stoffe mit Hilfe der Bindung eines Antigens an einen Antikörper nachzuweisen. Im Falle einer Schwangerschaft wäre im Urin das hCG-Hormon (humanes Choriongonadotropin) nachweisbar. Dies dient als Antigen. Am Anfang des Teststreifens befindet sich ein Reservoir von Antikörpern, die an einen Farbstoff gebunden sind. Ein oft benutzter Farbstoff ist Nanogold. Gelangt Urin auf den Teststreifen bindet das hcG-Hormon den Farbstoff des Antikörperreservoirs und „wandert“ im Teststreifen weiter. Weiterhin befinden sich 2 Antikörperbindestellen als dünne Streifen auf dem Test, diese sind bei einer vorliegenden Schwangerschaft im Sichtfenster des Kunststoffgehäuses sichtbar. Die erste primäre AK- Bindestelle (= PAK) liegt immobilisiert vor und bindet hochspezifisch das Hormon hcG. Falls dieses im Urin vorliegt, erscheint an dieser Stelle ein Farbstreifen.

Die 2. Bindestelle, der sekundäre Antikörper (=SAK), ist ein Kontrollstreifen und entsteht immer, wenn der Test funktionsfähig ist. Das heißt, dass ein Streifen nicht schwanger und 2 Streifen schwanger heißt. Wie sieht nun aber der Farbstoff aus, der aus Nanogoldpartikel besteht?


2 Nanogold

Nanogold ist genau dasselbe Material wie das Gold im Makrobereich, besitzt aber vollkommen andere Eigenschaften. Schon vor vielen Jahren wurde das Phänomen ausgenutzt, da winzige Goldpartikel in die Kirchenfenster eingearbeitet wurden und bei Lichteinstrahlung rot oder auch blau-violett erschienen. Erklären konnte man es sich zu dieser Zeit noch nicht [3].


Abb. 2: Nanogoldpartikel, aufgenommen an der Universität Bayreuth. Mein Dank für das zur Verfügung gestellte Bildmaterial gilt Florian Schwaiger (Lehrstuhl Experimentalphysik 4).

Die Einarbeitung in die Nanogoldpartikel und allgemein in die Nanotechnologie war erst mit der Entwicklung der Rastermikroskopie möglich. Wir verlassen den Bereich fürs sichtbare Auge und wenden uns den nichtsichtbaren Bereichen zu.


Abb.3: Vorstellung der Größe nano anhand ausgewählter Vergleichsgrößen [4]


3 Experiment zur Nanogold-Herstellung

Experiment Herstellung von Goldkolloiden und das Sichtbarmachen der Farbgebung rot und blau
Material
  • 3 Reagenzgläser
  • Waage
  • Pasteurpipetten
  • Bunsenbrenner
Chemikalien
  • Tetrachlorogold(III)-säure AuHCl4 (H2O)
  • Trinatriumcitrat Dihydrat C6H5Na3O7 (H2O)
  • Natriumchlorid NaCl (H2O)
  • destilliertes Wasser
Durchführung Die 3 Lösungen vorbereiten. Ca. 3 ml Tetrachlorogold(III)säure in ein Reagenzglas vorlegen und zum Sieden bringen. Anschließend 3-4 Tropfen Trinatriumcitrat Dihydrat hinzugeben und nochmals erhitzen. Beim Abkühlen entsteht eine Dispersion . Danach einige Tropfen der Natriumchloridlösung hinzufügen.
Beobachtung Nach dem die ersten beiden Lösungen hinzugegeben wurden, entsteht eine rötliche Farbe. Nach der Zugabe der Natriumchloridlösung erscheint eine blaue Färbung.
Interpretation Herstellung von Goldkolloiden erfolgt durch die Reduktion von Goldchlorid-Aquat in Lösung zu elementaren Gold und als Reduktionsmittel dient Trinatriumcitrat. Die Dispersion schimmert rot. Gibt man jetzt Natriumchlorid hinzu, stören die Natriumionen das Ionengleichgewicht und die Farbe der Dispersion wird blau. Es bilden sich Goldaggregate, die vorher durch das Citrat eine Aggregation verhinderten. Durch die unterschiedlichen Nano-Partikelgrößen in den Dispersionen erhält man unterschiedliche Streuungen des Lichts und verschiedene Farbwahrnehmungen.

Demonstration: Die Interpretation des Experimentes wird mit Hilfe zweier Mandarinen erklärt. Jede Mandarine entspricht einem Goldnanopartikel, die nach der Zugabe von Trinatriumcitrat Dihydrat vorerst mit Folie umwickelt sind. Die Folie symbolisiert eine Schutzhülle (Citratanionen), die eine Aggregation der Goldpartikel verhindert. Die Zugabe von Natriumchlorid stört das Ionengleichgewicht (Folie um die Mandarine ist weg) und eine Aggregation der Goldpartikel kann erfolgen.


4  Was bedeutet nano genau?

Die Vorsilbe nano, altgr. [nannos], bedeutet so viel wie Zwerg und ist eine Dimension, die mit bloßem Auge nicht mehr sichtbar ist.

1 nm = 0,000000001 m = 1*10-9 m

Nanoteilchen besitzen andere chemische, physikalische und biologische Eigenschaften. Umso kleiner die Strukturen werden, desto mehr Teilchen liegen an der Oberfläche und können mit ihrer Umgebung wechselwirken.


Zusammenfassung. Neben den Schwangerschaftstest begegnet man dem Begriff nano oft im Alltag. Man findet Schuhsprays auf Nanotechnologiebasis oder nanobeschichte Pfannen. Es gibt Fenstergläser, die nanobeschichtet sind und eine höhere Schmutzabweisung besitzen. Im IPod werden viele Informationen in Kohlenstoffnanoröhrchen gespeichert und auch die Universität Bayreuth beteiligt sich an der Entwicklung der Nanotechnologie. Sie entdeckten Diamantnanoteile, die zur Nutzung von verschleißarmen Werkzeugen nutzbar gemacht werden können. Die Nanotechnologie ist ein breites, zukunftsorientiertes Feld und wird im Alltag mehr und mehr eine wichtige Rolle spielen.


Literatur:

  1. Heinz Schmidkunz (2007): Unterricht Chemie, Nanochemie, Seelze, Friedrich Verlag.
  2. http://www.swissnanocube.ch/uploads/tx_rfnanoteachbox/
    snc_nanochemie_NAG_text.pdf  Zugriff am 25.11.2011
  3. http://www.heise.de/tp/artikel/28/28492/1.html Zugriff am 24.09.2012
  4. Fonds der Chemischen Industrie (2009): Wunderwelt der Nanomaterialien, Nürnberg, Novadruck.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 29.03.16