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Strukturen und Symmetrien in der Nanowelt

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Lassen Sie sich zeigen und erklären, welche trickreichen Methoden die Forscher anwenden, um die physikalischen Eigenschaften der Nanowelt zu vermessen. Finden Sie heraus, warum mitunter kilometerlange Beschleuniger und haushohe Apparaturen notwendig sind, um Einblicke in die Welt des Allerkleinsten zu erlangen.

Themen:

B1 - Schön geordnet, oder nicht? – Kristalle, Quasikristalle und Amorphes
Universität Münster, Institute für Materialphysik und für Angewandte Physik

In vielen Feststoffen haben die einzelnen Atome eine regelmäßige, periodische Anordnung, es bildet sich ein Kristall (Salz, Zucker, Mineralien, Eis, Metalle). Bei einem amorphen Material dagegen sind die Atome ungeordnet (Fensterglas, Kunststoff). Überraschenderweise gibt es dazwischen noch quasikristalline Stoffe,  bei denen die  Bausteine zwar periodisch, aber dennoch unregelmäßig angeordnet sind. Mit einem großen Magnetpuzzle kann man am Stand selber einen solchen Quasikristall zusammenbauen. Mit bloßem Auge nicht erkennbare kristalline, quasikristalline und amorphe Strukturen kann man durch ein Beugungsexperiment unterscheiden.

B2 - Dreidimensionale Rätsel durchblicken – Röntgenstrukturanalyse
Deutsches Röntgen-Museum, Remscheid

Röntgens Entdeckung hat die Welt durchsichtig gemacht. Röntgenstrahlen erlauben seit über 100 Jahren den Blick in das Innere von Gegenständen wie auch von Lebewesen. Mit diesem Experiment können mit echten Röntgenstrahlen in einem vollständig geschützten Gehäuse kleine Gegenstände wie Überraschungseier, Chipkarten oder Tierpräparate durchleuchtet werden. Aus einer Serie von Bildern aus verschieden Richtungen können Bilder von Schnitten durch den Gegenstand wie bei einem medizinischen Computertomographen (CT) berechnet werden.

B3a - Elektronen sehen Strukturen – Elektronenmikroskopie
Uni Münster, AG Elektronenmikroskopie und Uni Duisburg/Essen

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie werden durch ihre atomare Zusammensetzung bestimmt. Wie und welche Atome in unterschiedlichsten Materialien (Festkörper, biologische Systeme) angeordnet sind, ist daher eine zentrale Frage. Eine Antwort darauf leistet die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Das Exponat bietet faszinierende Einblicke in die atomare Welt der Materie und erläutert in verständlicher Weise die Funktion und Wirkungsweise eines TEM's.

B3b - Elektronen sehen Strukturen – Rasterelektronenmikroskopie
Uni Münster, AG Elektronenmikroskopie

Mit einem feinen Elektronenstrahl, der zeilenweise über eine zu untersuchende Probe gerastert wird, beginnen wir unseren Ausflug in die Welt des "ganz Kleinen". Anders als bei der Transmissionselektronenmikroskopie, mit der man nur sehr dünne, durchstrahlbare Proben untersuchen kann, erlaubt die Rasterelektronenmikroskopie die Untersuchung auch kompakter Probenoberflächen, wovon man sich in der Ausstellung an einem realen Rasterelektronenmikroskop im Betrieb überzeugen kann.

B4 - Röntgenaugen für Symmetrien – Experimente mit Synchrotronstrahlung an PETRA III
Forschungszentrum DESY, Hamburg

Das hochintensive Röntgenlicht des Teilchenbeschleunigers PETRA III ergibt nicht nur sehr ästhetische, hoch symmetrische Beugungsbilder, es entlockt der Natur auch manches Geheimnis: Wie altert ein Akku beim Laden? Wie genau funktioniert ein Katalysator? oder Wie erzeugt eine Solarzelle Strom? All dies kann mit atomarer Auflösung gemessen werden - Grundlage für Innovationen und neue Verfahren.

B5 - Kohlenstoff: facettenreiche Schönheit – Diamant, Graphit, Fullerene, Nanoröhren und Graphen
Universität Münster, Institute für Physik und für Materialphysik

Kohlenstoff kann in einer erstaunlichen Vielfalt auftreten - vom funkelnden Diamanten über Nanoröhrchen und Nanofußbällen zum nur eine Atomlage dicken Graphen. Letzteres wurde erst 2004 zum ersten Mal nachgewiesen, wofür 2010 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Am Ausstellungsstand hat man die Möglichkeit, das einfache aber spannende Nobelpreisexperiment nachzumachen und selbst Graphen herzustellen.

B6 - Strukturen oberflächlich betrachtet – Rastersondenmikroskopie
Universität Münster, Physikalisches Institut

Einer der markantesten Effekte in der Quantenmechanik ist der in der klassischen Physik verbotene Tunneleffekt. Er erlaubt es Teilchen klassisch verbotene Bereiche im Raum zu durchdringen. Die sich daraus ergebenden Teilchenströme können tatsächlich makroskopisch beobachtet werden und führen zu interessanten Anwendungen der modernen Mikroskopie. Ausgehend vom Prototyp, dem sog. Rastertunnelmikroskop, für das G. Binnig und H. Rohrer 1986 den Nobelpreis für Physik erhielten, wurden in den Jahren darauf zahlreiche Rastersondenverfahren entwickelt, bei denen unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen einer Probenoberfläche und einer im atomaren Abstand davor positionierten Spitze ausgenutzt werden, um die Probenoberfläche mikroskopisch zu untersuchen. Ein besonders erfolgreiches Verfahren ist die Rasterkraftmikroskopie, deren Funktionsprinzip am Ausstellungsstand demonstriert wird.

B7 - Tanz der Moleküle – Die europäische Röntgenlaseranlage European XFEL
European XFEL GmbH, Hamburg

Der European XFEL ist eine einzigartige Forschungsanlage in der Metropolregion Hamburg. Ab Herbst 2017 arbeiten Forscher hier aus der ganzen Welt mit extrem intensiven Röntgenlaserblitzen, um Einblicke in den Nanokosmos zu gewinnen.

B8 - Ich sehe was, was Du nicht siehst – Metamaterialen
Karlsruher Institut für Technologie

Die Tarnkappe: ganz oben auf der Wunschliste von Spionen und 9.Klässlern bei der Lateinarbeit – kann man sie technisch tatsächlich realisieren? Am Stand werden die  notwendigen physikalischen Grundlagen für eine Tarnkappe anhand von Bildern veranschaulicht. "Wie und was sehen wir (nicht)?", "Wie breitet sich Licht in streuenden Medien aus" und "Wie sieht eine theoretische Bauanleitung einer Tarnkappe aus?" sind nur drei der vielen Fragen, die beantwortet werden. zusätzlich kann auch eine echte diffuse Tarnkappe inspiziert werden.

B9 - Die Schönheit der Katastrophe – Kaustiken im natürlichen Licht
Universität Münster, Institut für Angewandte Physik

Was haben Regenbögen und Lichtreflexionen in einer Kaffeetasse gemeinsam? Beide Naturphänomene weisen sog. Kaustiken auf, die oft als Intensitätskatastrophen bezeichnet werden; aber müssen "Katastrophen" immer etwas Negatives sein? Wir überzeugen sie vom Gegenteil und  zeigen Ihnen am Stand die Schönheit der Katastrophe und wie Kaustiken im Licht inzwischen erfolgreich in der Wissenschaft eingesetzt werden.

B10 - Ganz schön bunt hier – Spektralsymmetrien
Universität Wuppertal, AG Physik und ihre Didaktik

Jedes Kind weiß, wie man mit einem Prisma ein regenbogenfarbiges Spektrum hervorzaubert. Wir zeigen mit einem Experiment zum selber ausprobieren, dass dabei stets auch ein zweites, komplementärfarbiges Spektrum entstehen kann.

B11 - Strukturen und Formen mit Licht – Strukturiertes Licht und Beugung
FH Münster, FB Physikalische Technik und Uni Münster, Institut für Angewandte Physik

Licht wird abgelenkt, "gebeugt", wenn es auf Hindernisse trifft. Dies kann zu verblüffenden aber gleichzeitig nützlichen Lichtstrukturen führen. Symmetrien der Hindernisse spiegeln sich dabei in den Symmetrien der Lichtstruktur wider. 

B12 - Faszination Physik im Experiment – Experimente zum Staunen und Mitmachen
Fa. Theo Schmitz, Mönchengladbach

Besuchen Sie diese Sammlung faszinierender physikalischer Experimente; vom High-Tech Experiment bis zum Alltagsphänomen - lassen Sie Ihre Haare zu Berge stehen und kommen Sie aus dem Staunen nicht mehr heraus. Wenn Sie sich bisher nicht für physikalische Experimente interessiert haben, wird sich das nach Ihrem Besuch an diesem Stand sicher ändern.

B13 - Vom Silizium zum Chip – Halbleiterstrukturen für moderne Anwendungen
Infineon Technologies AG

Wie werden eigentlich moderne Halbleiterstrukturen, Transistoren und Speicherelemente hergestellt, die mit den Jahren immer kleiner und leistungsfähiger geworden sind. Am Ausstellungsstand zeigen wir, welche modernen und aufwändigen Methoden heute zur Herstellung von Silizium-Wafern notwendig sind, um aus Siliziumpulver (Sand) ein fertig strukturiertes Endprodukt zu erzeugen.