In Deutschland und den angelsächsischen Ländern ist jedem Kind klar, dass ein riesiger Mann den Mond bewohnt und bei Vollmond auf die Erde schaut. In Ostasien dagegen meint man eher einen Hasen zu erkennen. Für jüngere Kinder stecken hinter diesen und ähnlichen Mythen wunderbare Gelegenheiten für Mitmach-Experimente.
Continue readingModerne Labortechnik motiviert!
Wie kann man ein eigenes High-Tech-Labor in einer Schule aufbauen? Welchen Sinn hat das? Was kann man damit erreichen? Am Beispiel des modernen (Umwelt-)Analytiklabors des Gymnasiums Konz sollen diese Fragen beleuchtet werden.Continue reading
Die Entwicklung der Erde auf 46 Metern
„Am Anfang war die Erde wüst und leer“ – so schrieben es vor Tausenden von Jahren die Menschen des Nahen Ostens in der Genesis auf. Naturwissenschaftler formulieren es heute so: Vor ca. 4,6 Milliarden Jahren entstand unser Sonnensystem
Continue readingOb Roboter zum Leben erweckt oder erste Schritte im Coding gemacht werden – Forschen macht Spaß mit mikro makro mint
Birgit Pfitzenmaier ist bei der Baden-Württemberg Stiftung verantwortlich für mikro makro mint. Seit 2015 begleitet sie engagiert junge Forscherinnen und Forscher in den MINT-Fächern. Im Vorfeld des im Oktober stattfindenden Schaufenster mikro makro mint wollten wir daher wissen, was für sie persönlich das Spannende und Besonderes an dem Programm ist. Und natürlich auch, was man als Schule tun kann, um die Förderung zu erhalten?
Was ist das Ziel von mikro makro mint? Können Sie dies in wenigen Worten skizzieren?
Birgit Pfitzenmaier: Mit mikro makro mint möchte die Baden-Württemberg Stiftung Kinder und Jugendliche für Wissenschaft und Technik begeistern. Wir wollen ihnen in einer technisch und digital geprägten Welt individuelle Chancen eröffnen – das können konkrete berufliche Perspektiven sein, aber auch einfach die Faszination am praktischen Tun und Entdecken.
Was ist das Besondere an den Projekten von mikro makro mint?
Aus meiner Sicht ist das Besondere vor allem die unglaubliche Kreativität der Schülerinnen und Schüler. Oft leben deren tolle Ideen über den Förderzeitraum hinweg und werden weiterentwickelt – manche sogar in Kooperation mit Unternehmen. Und für einige Projekte wurden sogar später Patente angemeldet.
Welche Rolle spielt hierbei das Forschungsschiff ALDEBARAN?
Wir wollen mit mikro makro mint nicht nur finanzielle Unterstützung anbieten, uns geht es vor allem darum, die Lust am Forschen zu wecken. Hierfür eignet sich die ALDEBARAN besonders. Als Forschungsschiff bietet sie Wissenschaft zum Anfassen. Auf ihr erleben Schülerinnen und Schüler hautnah, welche Methoden außerhalb des Physik- oder Chemiesaals in der Praxis wichtig sind.
Sie haben viele unterschiedliche MINT-Projekte in den letzten Jahren erleben können. Welches fanden Sie besonders originell?
Es fällt mir sehr schwer, nur ein oder zwei Projekte zu nennen. Wenn ich dennoch eines hervorheben soll, dann ist mein Lieblingsprojekt der Sockensortierroboter, den Schülerinnen und Schüler aus der Unterstufe entwickelt haben. Dieser Roboter erkennt Farben und kann so farbenblinde Menschen davor bewahren, falsche Strümpfe anzuziehen. Diese Projektidee zeigt zudem, dass Wissenschaft und Technik auch im sozialen Bereich wichtig sind und immer wichtiger werden.
Wie erleben Sie persönlich das Engagement der Schülerinnen und Schüler? Wie das der Lehrerinnen und Lehrer?
Das Schöne an mikro makro mint ist, dass die Teamarbeit absolut im Vordergrund steht. Alle Schülerinnen und Schüler können ihre Talente in das Projekt einbringen. Das fördert die Motivation, an dem eigenen Projekt „dranzubleiben“. Und genau das schätzen die Lehrerinnen und Lehrer, die als Projektleiterinnen und -leiter in AGs oder zusätzlichen Unterrichtsstunden ebenso mit großem Engagement im Einsatz sind.
Was muss eine Schule tun, um bei mikro makro mint mitzumachen? Wie kann eine Schule die Förderung erhalten? Ist das Verfahren kompliziert?
Es ist ganz einfach, bei mikro makro mint mitzumachen. Es muss nur ein Bewerbungsformular ausgefüllt werden, in dem die Projektidee, die geplanten Projektschritte und eine Kostenkalkulation dargestellt werden. Das Formular kann einfach direkt online ausgefüllt und per E-Mail an uns geschickt werden. Eine Fachjury mit Vertretern aus Wissenschaft und Praxis entscheidet noch vor Ende des Schuljahres, ob das Projekt gefördert wird. Danach schließen die Schule (oder ein Verein) und die Stiftung einen Zuwendungsvertrag, der für den Förderzeitraum von bis zu zwei Jahren gilt.
Am 25.10.2017 findet in Kornwestheim das Schaufenster mikro makro mint statt: Warum sollten Lehrkräfte mit ihren Klassen unbedingt dorthin kommen?
Ganz einfach – weil MINT-Themen aufregend sind und Spaß machen. In Kornwestheim können Schülerinnen, Schüler und Lehrkräfte mikro makro mint live erleben. Das ist bestimmt für alle motivierend und anregend. Wir haben tolle Workshops für die Schülerinnen und Schüler organisiert. Sie können von Medienprofis lernen, wie man zum eigenen Forschungsprojekt ein spannendes YouTube-Video dreht, um andere zu begeistern. Es gibt Einführungen in die Arbeit mit Arduino und LEGO Mindstorms. Aber auch die Lehrerinnen und Lehrer können von Kollegen lernen, wie man mit Arduino arbeitet. Für Neulinge bieten wir Einsteiger-Workshops ins freie Forschen und für die Entwicklung von Projektideen an. Weitere Informationen und das detaillierte Programm finden Sie hier: Schaufenster mikro makro mint.
Lassen Sie uns einmal nach vorne schauen: Was steht weiter bei mikro makro mint an? Was erhoffen Sie sich in Zukunft vom Programm?
Nach dem Kongress im Oktober beginnt die Ausschreibungsrunde für das Schuljahr 2018/19, für die wir uns natürlich zahlreiche Bewerbungen wünschen. Für mikro makro mint erhoffe ich mir, dass wir noch viel mehr Projekte aus unterschiedlichen Schularten fördern und das fünfjährige Jubiläum im übernächsten Schuljahr gebührend feiern können.
Das Interview führte Jörg Schmidt.
Kann Graphen die Welt verändern?
Kein Atom kommt in einer so komplexen Verbindungsvielfalt auf unserem Planeten vor wie Kohlenstoff. In Eiweißen, Fetten und Kohlenhydraten erhält es uns am Leben, als Kohlenstoffdioxid verlässt es unseren Körper und tritt erneut in den Kreislauf des Lebens ein. Doch genauso vielfältig ist Kohlenstoff in seiner Reinstform. Eine dieser Formen ist Graphen, ein bis 2004 für die meisten Menschen noch völlig unbekanntes Material.
Dies änderte sich schlagartig, als der Nobelpreis für Physik im Jahre 2010 an ein Team der Universität von Manchester für „bahnbrechende Experimente in Bezug auf das zweidimensionale Material Graphen“ verliehen wurde. Es war nun plötzlich in aller Munde, und viel wurde über mögliche Anwendungen dieses neuen Supermaterials spekuliert. Verliehen wurde der Nobelpreis an Andre Geim und Konstantin Novoselov, die einige Jahre zuvor mit einem gewöhnlichen Klebeband Graphen von Graphit eines normalen Bleistifts isolieren konnten. Zwar hatte man zu diesem Zeitpunkt bereits andere Methoden ausprobiert (und patentiert), jedoch lieferten diese entweder nur Graphen in schlechter Qualität oder die Methoden waren sehr kompliziert, weshalb man zum Schluss kam, dass freistehendes Graphen und andere zweidimensionale Materialien nicht stabil seien.
Was ist Graphen?
Graphen besteht aus einer einfachen Lage Kohlenstoff-Atome (ca. 0,3 nm dick), die in einem gewöhnlichen hexagonalen Gitter aneinandergebunden sind. Daher gehört es zu den zweidimensionalen Materialien. Man nennt diese Struktur auch Honigwabenstruktur. Im Gegensatz dazu steht Graphit, das man vom Bleistift kennt. Es besteht aus mehreren einlagigen Kohlenstoffatomschichten und bildet somit eine dreidimensionale Struktur. Dabei hat jede Schicht grundsätzlich dieselbe Struktur wie Graphen. Im Gegensatz zu Graphen kommt Graphit aber auch natürlich vor. Wenn ein chemisches Element in verschiedenen Formen existieren kann, die durch unterschiedliches Anordnen der Atome entstehen, nennt man sie Allotrope. Kohlenstoff existiert in einer ungewöhnlichen Vielzahl von Allotropen: Diamant, Lonsdaleit, amorpher Kohlenstoff, Carbyne, Fullerene wie C60, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen und seit neustem Q-Carbon. Viele dieser Materialien wurden erst in den letzten Jahrzehnten entdeckt.
Obwohl viele Allotrope des Kohlenstoffs nützliche Eigenschaften besitzen, zieht Graphen wohl die meiste Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich. Der Grund dafür sind seine einzigartigen elektrischen Eigenschaften, die dadurch entstehen, dass sich die Elektronen aufgrund der Anordnung der Kohlenstoffatome zueinander auf eine spezielle Weise durch das Material bewegen, als hätten sie keine Masse und deshalb fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen können. Daraus resultieren Eigenschaften wie eine sehr hohe Leitfähigkeit, die etwa um das Eineinhalbfache größer ist als die des Kupfers, bei einer gleichzeitigen sehr hohen optischen Transparenz.
Transparent – Leitfähig – Reißfest
Diese seltene Kombination macht Graphen zu einem vielversprechenden Kandidaten für transparente Elektroden. Aktuelle Entwicklungen haben bereits großflächige Graphenelektroden mit einem niedrigen Schichtwiderstand von etwa 60 Ω/Fläche bei einer Transparenz von 85 Prozent realisiert. Andere nützliche, aber eher theoretische Eigenschaften von Graphen sind hohe Festigkeit und Elastizität. Graphen ist so reißfest, dass man eine 2×2 m² große Decke aufspannen, einen Bleistift in der Mitte aufstellen und darauf einen Elefanten setzen könnte. Die Graphendecke würde nicht reißen! Darüber hinaus kann man Graphen um bis zu 20 Prozent dehnen, sodass es das einzige leitfähige Material ist, welches genauso elastisch wie die menschliche Haut ist. Graphen ist sehr flexibel und kann sogar gefaltet werden, ohne daran Schaden zu nehmen. Leider ist es bisher noch nicht gelungen, diese Eigenschaften in großflächigem Graphen zu erreichen, da diese Eigenschaften nur für die „perfekte“ Graphenstruktur gelten und die Wahrscheinlichkeit, dass ein Defekt während der Herstellung vorliegt, mit der Flächengröße stetig steigt. Solche Defekte entstehen z. B. dadurch, dass sich die hauchdünne Schicht übereinander faltet, einreist oder kleine Löcher herausgerissen werden. Außerdem bleiben andere Stoffe sehr gut am Graphen haften und verunreinigen es, sodass die meisten Experimente im Labor nur ganz kleine Stückchen des Materials nutzen, die man sich unter dem Mikroskop anschauen muss.
![](https://mint-zirkel.de/wp-content/uploads/2017/07/Graphen_Kohlenstoffatome-1024x381.jpg)
(a) Die Kohlenstoffatome sind zueinander mit einem Winkel von 120° ausgerichtet, also sp²-hybridisiert. Dadurch sind die Doppelbindungen delokalisiert und die π-Elektronen befinden sich ober- und unterhalb der Kohlenstoffebene. (b) Dadurch können sich die π-Elektronen ungehindert bewegen, welches die Leitfähigkeit von Metallen übertreffen kann. © Fraunhofer-Institut FEP
Graphen mit wenigen Defekten herstellen
Offensichtlich ist es nicht besonders effizient, große Flächen Graphen mit Klebeband und Bleistiften herzustellen, deshalb hat man andere Fertigungsmethoden in Betracht gezogen. Das GLADIATOR-Projekt der EU untersucht Wege, um Graphen großflächig und erschwinglich herzustellen. Dazu wird eine Technik genutzt, die als chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) bekannt ist. Graphen wächst hier bei einer Temperatur von 900 °C auf einem Metallkatalysator. Ziel des Projektes ist es, Graphen auf einer großen Fläche herzustellen und es dann als transparente Elektrode für zukünftige Beleuchtungsmittel nutzen zu können. Die CVD-Technik ermöglicht, Graphen für etwa 30 EUR/m² produzieren zu können. Kein Vergleich zu den Kosten konventioneller transparenter Elektroden, die groß angelegten Bergbau und den Import von Seltenen Erden benötigen, wohingegen CVD-Graphen aus einfachen Gasen wie Methan, Acetylen und Wasserstoff mit Hilfe von Kupferkatalysatoren hergestellt werden kann. Der Preis von Graphen reduziert sich enorm, wenn es in größeren Flächen hergestellt wird. Im EU-Projekt wird mit DIN-A4 großen Graphenelektroden experimentiert. Des Weiteren wurde schon gezeigt, dass man Graphenflächen aneinanderreihen kann, um noch größere Graphenplatten zu bauen, die man für Leuchtplatten und große Displays benötigt. Andere zweidimensionale Materialien wie hexagonales Bornitrid oder Übergangsmetall-Dichalcogenide werden intensiv untersucht und es ist noch zu früh um zu sagen, welche Materialien und Produktionsmethoden es in die Anwendung schaffen werden.
Wo wir Graphen schon heute finden können?
Obwohl es noch nicht gelungen ist, perfekte, defektfreie Graphenflächen von der Größe einer menschlichen Hand herzustellen, gibt es bereits einige Anwendungen, wo Graphen bereits genutzt wird, um die mechanischen, thermischen oder elektrischen Eigenschaften einiger Produkte zu verbessern. Zum Beispiel wird Graphen bereits in einigen Sportartikeln wie Tennisschlägern beigemengt, um deren mechanische Eigenschaften zu verbessern. Ebenfalls wird es Lacken beigemischt, um deren Korrosionsschutz zu erhöhen. Auch können viele Elektroden für Batterieanwendungen veredelt werden, die dadurch kurze Ladungszyklen ermöglichen und die Lebensdauer erheblich verbessern. Hinsichtlich einer Anwendung als transparente Elektrode wird Graphen bereits für das Touchdisplay von einigen Smartphones genutzt, da für die Touchfunktion die Anforderungen an den Schichtwiderstand nicht ganz so hoch sind wie für klassische Elektrodenanwendungen. Der Vorteil: Graphen kann beim Herunterfallen nicht brechen und die Touchfunktion bleibt erhalten.
Was wir aus der Grundlagenforschung nutzen werden?
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt vieles über Graphen gelernt und dabei eine völlig neue Materialklasse, die sogenannten zweidimensionalen Materialien (2D materials), aus dem Dornröschenschlaf geholt. Viele Effekte, die man häufig nur in der Theorie beschreiben konnte, ließen sich nun experimentell untersuchen und nachweisen, sodass die Modelle in der Quantenphysik und -chemie weiterentwickelt werden können. Die Eigenschaften von Graphen werden vor allem in den nächsten drei bis fünf Jahren in Anwendungen genutzt werden, wo geringes Gewicht und Flexibilität im Vordergrund stehen. Deshalb waren wir im EU-Projekt daran auch interessiert, transparente und vollflexible organische LEDs zu bauen, die Graphen als transparente Elektrode nutzen. Darüber hinaus wurden auch signifikante Fortschritte auf dem Gebiet der Sensorik erzielt, die auch hier eine zeitnahe Anwendung erwarten lassen.
Fazit
Graphen wird allmählich die Eigenschaften bestehender Produkte verbessern, auch wenn dies weniger spektakulär und langsamer geschehen wird, als zunächst erhofft. Aber je mehr wir das Graphen und seine Herstellung verstehen, werden auch völlig neue Produkte realisierbar, an die wir jetzt noch nicht denken. Es ist nur eine Frage der Zeit!
Dr. Beatrice Beyer
Weitere Informationen
Chemie des Graphens
Von Graphit zu Graphen
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
GLADIATOR-Projekt
Die Erde – nicht ganz kugelrund
Natürlich ist die Erde rund. Aber dass sie nicht exakt kugelrund ist, lässt sich mithilfe eines Akkuschraubers beweisen. Unsere gute alte Erde ist zwar rund, aber nicht perfekt „kugelrund“. Dass sie etwas „platt“ ist, hat natürlich physikalische Ursachen.
Continue readingplus-MINT Talentförderung startet ins zweite Jahr
Schon neigt sich das erste Schuljahr der plus-MINT Talentförderung dem Ende zu, der zweite plus-MINT Jahrgang steht bereits in den Startlöchern! Während der plus-MINT Forschertage im April 2017 wurden die Teilnehmer für das plus-MINT Programm 2017/18 ausgewählt.Continue reading
Fixfertiges MINT-Unterrichtsmaterial für Lehrkräfte
Alle Kinder eint ein Drang: unbändige Neugier darauf, die Welt zu verstehen. Das Prinzip von Versuch, Irrtum und Verständnis und damit das Rüstzeug der Wissenschaft nutzen alle Kinder in den ersten Jahren ausgiebig und bis weit ins Grundschulalter hinein.
Als Lehrkräfte an weiterführenden Schulen haben unsere Autoren des Schülerforschungszentrums Südwürttemberg SFZ® allerdings beobachtet: Irgendwann geht dieser Drang, etwas durch eigenes Ausprobieren verstehen zu wollen, bei vielen Kindern und Jugendlichen verloren. Bei vielen wird in Physik, Biologie, Chemie und Technik die Lust zu lernen zum Zwang. Die Fachinhalte meistern zwar die meisten – auf der Strecke bleibt aber der Spaß dabei, die Geheimnisse der Welt zu verstehen.
Praxiserprobte Experimente
In vielen Forscher-AGs, Tüftler-Clubs und Erfinder-Teams hat unser Autorenteam in den vergangenen Jahren ausprobiert, wie das geht: Jungen und Mädchen zwischen 10 und 15 Jahren Lust aufs Forschen und Erfinden zu machen. Herausgekommen ist ein buntes Sammelwerk an Ideen, Forschungseinstiegen, motivierenden Themen, herausfordernden Fragestellungen – und unser Buch „Forschen in der Schule“!
Forschen ganz einfach gemacht
Das Arbeitsmaterial von der Baden-Württemberg Stiftung, das in Zusammenarbeit mit dem Schülerforschungszentrum Südwürttemberg SFZ® und Klett MINT erarbeitet wurde, umfasst 7×3 „Forscherblätter“, mit denen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler in die Welt des freien Forschens einführen können. Zu jedem Forscherblatt finden Sie methodisch-didaktische Hinweise und Praxistipps, die Sie in der Vorbereitung der Projekte unterstützen. Auf der beiliegenden CD-ROM können Sie auf das Buch in digitaler Form, Gefährdungsbeurteilungen zu den Versuchen, Videoanleitungen und weitere Zusatzmaterialien zugreifen.
So erhalten Sie das Material
Am besten ist es, wenn Sie sich kostenlos zum Schaufenster mikro makro mint anmelden, denn dort erhalten Sie das Material und es wird Ihnen in einem Workshop gezeigt, wie Sie das Material im Unterricht einsetzen können: 25. Oktober 2017, ab 10:00 Uhr in Kornwestheim bei Stuttgart. Außerdem gibt es dort noch weitere Workshops zum Programmieren mit Mikrocontrollern, wie man eine Forschungsidee zu einem Projekt weiterentwickeln kann und anderen spannenden Themen. Außerdem haben Sie dort Gelegenheit, einen Astronauten mit Ihren Fragen zum „Leben und Forschen im All“ zu löchern. Melden Sie sich und Ihre Schülerinnen und Schüler sofort an, denn die Zahl der Plätze ist begrenzt! Sie können das Buch „Forschen in der Schule“ auch kostenfrei bestellen unter www.bwstiftung.de/publikationen.
Zeit: 25. Oktober 2017
Ort: Das K, Stuttgarter Straße 65, 70806 Kornwestheim
Zielgruppe: Lehrkräfte, Schülerinnen und Schüler Sek I und Sek II
Veranstalter: Baden-Württemberg Stiftung
Jetzt anmelden: mikro-makro-mint.eventbrite.de
Ist die Erde eine Kugel oder eine Scheibe?
Jedes Kind weiß, dass die Erde eine Kugel ist … oder? Und wie lässt sich das beweisen? Zum Beispiel mit einem einfachen Mitmach-Experiment, das ein Vorbild in der Antike hat.
Continue readingMathematik in der Politik: Wahlen nach Zahlen
Keine Politik ohne Mathematik: Zahlen sind beliebte Argumentationshilfen im Wahlkampf. Wer geschickt mit diesen scheinbar unbestechlichen Fakten jongliert, vermittelt Sachkompetenz und schafft Vertrauen bei den Bürgern. Continue reading