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Faszination für kleine Teilchen: Guido Falk erklärt Nano-Technologie

Kinderuni vor Ort : Die Kinderuni erklärt die Nano-Technologie

In neuen Semester gibt es ein ganz besonderes Angebot der Kinderuni: Weil es wegen der Corona-Pandemie keine Vorlesung auf dem Campus der Saar-Universität gibt, besuchen die Dozenten Schulklassen. Einer von ihnen ist der Materialwissenschaftler Guido Falk.

Unsichtbare Dinge sichtbar machen: Das können eigentlich nur Zauberer. Doch bei den Experimenten von Guido Falk könnte man ebenso denken, dass Magie im Spiel ist. Was zuvor mit bloßem Auge nicht zu erkennen war, ist plötzlich groß und deutlich zu sehen.

Der Materialwissenschaftler verwendet dafür aber keinen Zauberstab, sondern ein ganz besonderes Mikroskop für Nanoteilchen. „Die sind unglaublich klein“, sagt Falk. „In einem Meter sind eine Milliarde Nanometer.“ Das Wort „nano“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Zwerg“. Damit man die kleinen Partikel sehen kann, kommt das Spezial-Mikroskop zum Einsatz. Es tastet mit seiner Spitze Oberflächen, damit es deren Nanostrukturen sichtbar machen kann.

Dabei entstehen spannende Bilder. Was aussieht wie ein kleiner Kürbis, ist ein Duftteilchen einer Lavendelblüte. Textilfasern eines T-Shirts wirken wie dicke Kabelstränge.

Für Guido Falk sind die winzigen Partikel wie Lego-Bausteine. Sie können in vielen verschiedenen Arten zusammengebaut werden. So entstehen immer neue Materialien. „Gibt man Nanoteilchen zu einem Stoff dazu, kann dieser ganz neue Eigenschaften entwickeln“, erklärt der Wissenschaftler. Zum Beispiel wird Glas mit einer Beschichtung aus Nanoteilchen viel stabiler.

Dass das im Alltag sehr praktisch sein kann, erläutert der Forscher an einem Beispiel „Das wird unter anderem für Herdplatten aus Glaskeramik genutzt, die heute in den meisten Küchen zu finden sind.“ Sie sind leichter zu reinigen und benötigen weniger Strom als die gusseisernen Platten, die früher verwendet wurden.

Im Badezimmer gibt es auch Nano-Technologie, etwa bei Waschbecken, die dadurch leichter zu reinigen sind. Manchmal kann man sogar sehen, dass das Wasser an der Oberfläche abperlt. „Winzig kleine Noppen sorgen dafür, dass die Tropfen und auch Schmutz nicht daran hängenbleiben“, beschreibt Guido Falk den „Lotoseffekt“. Er heißt so, weil auch die Oberfläche von Blättern der Lotospflanze so beschaffen ist. Die Wissenschaft hat sich bei ihren Entwicklungen die Natur als Vorbild genommen.

Auch bei den Geckos haben die Forscher mit ihren Spezial-Mikroskopen genau hingeguckt. Die Echsen, die an spiegelglatten Flächen hochklettern können, haben an ihren Füßen sehr feine Härchen in Nano-Größe. Dieser Gecko-Effekt wird nun bei Robotern genutzt, die Häuserfassaden reinigen.

Glas und Keramik stehen im Zentrum der Forschung von Guido Falk. Besonders spannend findet er, dass es dabei immer wieder zu neuen Effekten kommt, die selbst ihn überraschen. Dann versucht er diese zusammen mit seinen Studenten zu beschreiben und zu erklären. Im besten Fall entsteht so ein ganz neuer Werkstoff.

Oft geht es auch darum, ein bestimmtes Material zu verbessern. Guido Falk ist dies zum Beispiel bei Glasfaserleitungen gelungen. Mit ihnen werden Daten durch Lichtsignale übertragen, was für Internet, Telefon und Fernsehen genutzt werden kann. Mit Hilfe einer speziellen Nano-Beschichtung, die an der Saar-Uni entwickelt worden ist, wurden die Glasfaserleitungen verbessert. Selbst wenn sie gebogen sind, können sie die Daten nun sehr gut übertragen.

Dass die kleinen Teilchen Großes bewirken können, zeigt sich auch bei der Stahlerzeugung. Dabei werden Gussformen für geschmolzenes Metall benötigt. Das Material muss deshalb besonders hitzebeständig sein. Dazu wurde Keramik entwickelt, die Temperaturen über 1000 Grad Celsius standhält.

Guido Falk weiß, dass Nano-Technologie in sehr vielen Bereichen des Lebens zum Einsatz kommt. Sie sorgt zum Beispiel dafür, dass Autoreifen sich nicht so schnell abnutzen. In Zahnpasta reiben die Miniteilchen den Belag von den Zähnen, in Sonnencreme reflektieren sie die Sonnenstrahlen und schützen so die Haut. Auch in Putzmitteln, Kleidung, Computerbildschirmen und in der Farbe an der Wand werden die winzig kleinen Partikel eingesetzt, damit jedes Material die bestmöglichen Eigenschaften hat.

In vielen Wasserhähnen werden Keramik-Teile verbaut, weil diese besonders langlebig sind. Selbst beim Energiesparen können sie helfen, berichtet der Wissenschaftler. „Spezielles Glas für Fensterscheiben sorgt nicht nur dafür, dass die Hitze im Sommer draußen bleibt, sondern auch, dass im Winter die Wärme im Haus gehalten wird.“ Das spart Strom für die Klimaanlage und für die Heizung.

Dr. Guido Falk kann die kleinsten Teilchen sichtbar machen, die sonst für das bloße Auge unsichtbar sind. Foto: Iris Maria Maurer
Beim Gecko haben sich Forscher abgeschaut, wie sie Roboter, die Häuserwände reinigen, verbessern können. Foto: Getty Images/iStockphoto/DouxVide

Es ist erstaunlich, was so winzige Teilchen in unserem Alltag bewirken können. Dass es dabei noch vieles zu erforschen gibt, weiß Guido Falk. Er ist gespannt, ob er dafür bei der Kinderuni neue Anregungen bekommt.