Experimente Physik-Workshop für Schülerinnen und Schüler 2011

1. Ramanspektroskopie – die Atome im Kristall tanzen sehen

AG Experimentelle Halbleiterphysik

Analysiert man genau das Laserlicht, das von einem Kristall gestreut wird, dann kann man Schwingungen von Atomen im Kristall beobachten, also die Atome tanzen sehen. Allerdings durchläuft nur ein gestreutes Lichtquant in einer Million diesen Prozess. Wie kann man diese wenigen finden? Was hat sich verändert, seit Sir Chandrasekhara Vekata Raman 1930 für die Entdeckung des nach ihm benannten Effekts den Physik Nobelpreis bekommen hat?
Diese Fragen werden wir während des Versuches beantworten und praktisch vorführen. Wozu wird der Raman-Effekt technisch genutzt? Die Anwendungsfelder reichen von Drogenfahndung, Kunstfälschung, Qualitätskontrolle bis zur Temperaturmessung. Warum ist das so? Ein Ramanspektrum ist wie ein Fingerabdruck des Materials.

2. Biomechanik – Steuerung von Körperbewegungen

AG Neurophysik

Sensorische und integrative Vorgänge im zentralen Nervensystem führen häufig zu einer Aktivierung des motorischen Systems und münden schließlich in Bewegung. Dies ist die einzige Möglichkeit des Nervensystems, Einfluss auf seine Umwelt zu nehmen (z. B. Laufen, Greifen, Sprache, Mimik). Dabei kommt es auf die exakte zeitliche Abstimmung der Aktivierung von Muskelgruppen an, um eine koordinierte Bewegung durchzuführen. In diesem Versuch wollen wir den zeitlichen Verlauf der Aktivierung von Muskeln am Bei-spiel einer Bewegung der Hand qualitativ darstellen und die Reaktionszeit für diese Bewegung messen. Außerdem wollen wir experimentell das Hebelgesetz überprüfen.

3. Wellenchaos

AG Quantenchaos

Wellen, die bei ihrer Ausbreitung auf Hindernisse stoßen, können Merkwürdiges erleben. Bei zu großer Unordnung kann durch gegenseitige Auslöschung der reflektierten Wellen jegliche Ausbreitung unterbunden werden, ein Phänomen, von dem jeder Handy-Benutzer ein Lied zu singen weiß. Breiten sich Wellen auf einer Fläche mit unregelmäßigem Rand aus, so kann es vorkommen, dass an manchen Stellen lokal begrenzt sehr hohe Amplituden auftreten. Dies könnte die Ursache dafür sein, dass bei verschiedenen Erdbeben in San Francisco und Mexico City die Schadensverteilungen völlig unregelmäßige Muster zeigt. Diese Schwingungsmuster zeigen dabei ein ganz ähnliches Verhalten wie die von schwingenden Platten, wie sie bereits vor mehr als 200 Jahren von Chladni in seinen Klangfiguren beobachtet wurden. Im Experiment besteht die Möglichkeit, die Schwingungsmuster von schwingenden Platten und Mikrowellen-Resonatoren zu untersuchen, sowie Simulationen am Computer durchzuführen.

4. Terahertz-Spektroskopie

AG Experimentelle Halbleiterphysik

Terahertz (THz) – dieses Wort steht für den Bereich des elektromagnetischen Spektrums der zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung angesiedelt ist. Während beispielsweise Mobiltelefone und WLAN mit Frequenzen bis zu 5GHz arbeiten, verwenden THz-Systeme Frequenzen zwischen 100GHz (0,1THz) und 10THz. Materialien, wie Kleidung, Papier, Holz und vor allem Kunststoffe, sind für sichtbares Licht undurchsichtig, für THz-Wellen hingegen transparent. Die zerstörungsfreie und kontaktlose Materialuntersuchung im Bereich industrieller Fertigungsprozesse und der Sicherheitstechnik sind daher nur einige der zahlreichen Anwendungsfelder. Außerdem sind THz-Wellen im Gegensatz zu der häufig eingesetzten Röntgenstrahlung für den Menschen ungefährlich. In den letzten Jahrzehnten ist es gelungen, leistungsfähige und kostengünstige Emitter und Detektoren für Terahertz- Wellen zu entwickeln. Dadurch steht die THz-Technologie heute an der Schwelle zur Industrietauglichkeit. Mit diesem Versuch möchten wir es den Schülern ermöglichen, Kunststoffproben mit einem modernen THz-System zu untersuchen.

5. Elektronik zum Anfassen – Bau einer elektrischen Schaltung

AG Elektronik

Elektronik bestimmt unser Leben. Nahezu jedes technische Gerät enthält elektronische Komponenten. Keine Waschmaschine, kein Auto, sogar viele Kaffeemaschinen kommen ohne Elektronik nicht aus. Der immer häufiger werdende Gebrauch von offensichtlich elektronischen Geräten wie Computer, Mobiltelefonen oder z.B. Navigationssystemen legt wohl nahe, dass wir uns in einem „Elektronischen Zeitalter“ befinden.
Dass Elektronik im Wesentlichen aus Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und Spulen besteht gehört zum Allgemeinwissen. Wie man aber diese Bauteile kombiniert, um zu einem funktionierenden Gerät zu gelangen, erscheint vielen wie schwarze Magie. Die zu Grunde liegenden Prinzipien sind jedoch einfach und die Funktionsweise eines Transistors ist schnell erklärt. Am Beispiel einer einfachen Kippschaltung, die von den Teilnehmern selbst aufgebaut werden kann, können dann viele Eigenschaften von Transistoren demonstriert werden.

6. Faszination Astronomie

Astronomie

Die Sonne, die Himmelskörper unseres Planetensystems und die Sterne gehören zu den Dingen, die die Menschen seit Jahrtausenden beobachten und interpretieren! Und dennoch hat der Weltraum nichts an Faszination verloren – ganz im Gegenteil, wir erleben in der aktuellen Zeit eine Blüte der Astronomie durch viele neue Erkenntnisse, die die mo-dernen Instrumente der Astronomen liefern!
Wie können wir aus den Beobachtungen der Gestirne eigentlich etwas lernen? Darum soll es in diesem Versuch an verschiedenen Stationen gehen. Wir verfolgen z.B. den Lauf der Sonne, um eine präzise Sonnenuhr zu konstruieren. Wir bauen ein einfaches Fernrohr aus verschiedenen Bauteilen zusammen, um die Grundprinzipien der Fernrohre zu erforschen. Dann richten wir ein vorhandenes Fernrohr in den Himmel, um die Venus auf ihrer Bahn zu finden (am hellen Tage!); keine leichte Aufgabe. Wir benötigen nicht nur die richtigen Koordinaten, sondern auch eine gute Möglichkeit, diese einzustellen. Beim Einstieg in die Astrophysik folgen wir den Astronomen und studieren im Detail Strukturen an der Oberfläche der Sonne und zerlegen das Licht der Sonne in seine Spektralfarben, um auf der entfernten Sonnenoberfläche verschiedene chemische Elemente nachzuweisen.

7. Herstellung und Anwendung kleinster Partikel

AG Biophotonik

Der Begriff "Nanotechnologie" ist immer öfter in den Medien zu hören, doch was steckt wirklich dahinter? Wir stellen kleinste Partikel (= Nanopartikel) als ein Beispiel für Nanotechnologie vor. Diese Partikel sind nur einige wenige Nanometer groß und können aus verschiedensten Materialien bestehen, die dann die Eigenschaften der Partikel bestimmen. So absorbieren z.B. Gold-Nanopartikel Licht, was dazu benutzt wird, diese als Farbmarker für Biomoleküle zu benutzen, oder zur gezielten Erwärmung der Partikel mit Hilfe von Licht. Nanopartikel aus Halbleitermaterialien sind fluoreszierend, wobei die Farbe einfach durch die Größe der Partikel eingestellt werden kann. Magnetische Partikel können mit Magnetfeldern gelenkt oder durch elektromagnetische Wechselfelder zum Schwingen gebracht werden, wodurch sie ihre Umgebung erwärmen. Dieser Effekt könnte z.B. zur Krebstherapie eingesetzt werden.

Um sich die extrem kleine Größe von Nanopartikeln zu veranschaulichen, kann man sich eine Ameise vorstellen, die auf eine Strecke von einem Kilometer gesetzt wird. Das entspricht dem gleichen Verhältnis, als wenn man einen Nanopartikel auf einen Millimeter setzen würde: Je nach Größe bestehen die Nanopartikel aus nur ca. 100 bis einigen 1000 Atomen, die einen kristallinen Kern bilden. Auf der Oberfläche dieser Nanokristalle befinden sich stets spezielle Moleküle, sog. surfactants, die das Wachstum der Partikel bzw. Zusammenkleben verhindern. Die Nanopartikel liegen als Kolloide vor, d.h. die einzelnen Partikel sind in einer Flüssigkeit suspendiert. Ein alltägliches Beispiel für eine kolloidale Suspension ist Milch, in der sich fein verteilte Fett-Tröpfchen in wässriger Lösung befinden. Wie in der Milch stoßen sich die Partikel gegenseitig ab, so dass sie nicht zusammenklumpen und ausfallen können. Bei den Nanopartikeln ist dies die Aufgabe der surfactant-Moleküle. Durch die winzige Größe setzen sich die Partikel auch nicht durch Sedimentation ab, wie es z.B. bei Erdschlamm der Fall ist.

Synthese von 4 nm Gold-Nanopartikeln: Ausgangsmaterial ist Tetrachlorgoldsäure (HAuCl4), die in wässriger Lösung vorliegt. Zunächst werden die Goldionen (AuCl4 -) mit Hilfe eines speziellen surfactants (TOAB: Tetraoctyl-Ammoniumbromid) in die organische Phase (Toluol) transferiert und dort chemisch reduziert. Die nun ungeladenen Goldatome lagern sich zusammen und formen die Nanokristalle. Die surfactant-Moleküle verhindern dabei das Zusammenkleben der Partikel und sorgen durch ihre natürliche Mizellen-Geometrie dafür, dass fast ausschließlich Nanopartikel mit ca. 4 nm Durchmesser entstehen.

Synthese von 1 μm Kapseln: Partikulare Transportsysteme sind, als sogenannte "Drug Delivery Systems", von grundsatzlichem Interesse fur die medizinische Biotechnologie. D.h. man nutzt sie zum Transport und zur Abgabe von Wirkstoffen wie Medikamenten und Vakzinen. In den letzten Jahren sind Polyelektrolytkapseln als mögliche Wirkstoffträger, wegen ihrer potentiellen Multifunktionalität, als erfolgreiches Trägersystem für das drug delivery vorgeschlagen worden. Polymerkapseln ermöglichen eine Vielzahl von verschiedenen Funktionalisierungen. Mit Halbleiter-Nanokristallen markierte Kapseln lassen sich mittels Fluoreszenzmikroskopie beobachten und so während ihres Weges in das Zellinnere verfolgen. Zusätzlich erlauben magnetische Nanopartikel mit magnetischem Moment durch die Kraft, die im inhomogenen Magnetfeld auf sie wirkt, ein magnetisches Targeting. Das Anbinden von Rezeptormolekülen auf der Oberfläche von Kapseln macht molekulares Targeting möglich. Polymerkapseln bilden somit ein Trägersystem für die Kombination verschiedenster Materialien, die für die Anwendung jeweils eine spezielle Funktion übernehmen. Gerade diese Multifunktionalität und Variabilität, die sich sowohl für die Forschung im Bereich der Materialwissenschaften als auch für die medizinische Anwendung nutzen lässt, machen Polymermikrokapseln unter anderem zu einer ernstzunehmenden Konkurrenz für medizinische Behandlungsmethoden, die unselektiv Medikamente verabreichen sowie für schon bestehende Drug-Delivery-Anwendungen.