Innovative Lehrmethoden in der Nanowissenschaft durch 3D-gedruckte Modelle

Anne Bentley, Chemieprofessorin am Lewis & Clark College, hat eine innovative Methode zur Vermittlung von Nanowissenschaften entwickelt, bei der 3D-gedruckte Modelle verwendet werden, die das Unsichtbare sichtbar machen.

Diese Partikel, so klein wie ein Nanometer, sind für Materialwissenschaftler aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften von großem Interesse. Sie sind mit bloßem Auge nicht sichtbar und erfordern spezialisierte Elektronenmikroskope zur Betrachtung.

Bentley, Mitglied der Chemieabteilung am Lewis & Clark College in Portland, Oregon, erklärt: “Ich denke, ein Großteil der Chemie liegt außerhalb des Bereichs, den die Menschen in die Hand nehmen können. Man kann Beweise für die Vorgänge erhalten, aber man untersucht immer noch etwas, das zu klein ist, als dass man es mit eigenen Augen sehen könnte. Alles, was man tun kann, um es zu vergrößern, ist hilfreich.”

Daher schuf Bentley 3D-Modelle der einfachsten geometrischen Formen, die Nanopartikel annehmen. Die Anleitungen zur Erstellung dieser Modelle, entweder mit Papier oder 3D-Druckmaterial, hat sie in einem von ihr mitverfassten Artikel im “Journal of Chemical Education” veröffentlicht: “A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control.”

In diesem Artikel konzentriert sich Bentley auf niedrig indizierte Formen, die sie als die drei einfachsten Arten beschreibt, eine Struktur zu schneiden.

“Die Formen ergeben sich aus der Packung der Atome”, sagt sie. “Die Motivation, verschiedene Formen zu erzeugen, ergibt sich aus der Anordnung der Atome, wenn das Material auf verschiedenen Kristallebenen aufgeschnitten wird. Es gibt viele komplexere Möglichkeiten, das Material in Scheiben zu schneiden, aber dies sind die drei grundlegenden Möglichkeiten: Würfel, Oktaeder oder Rhombendodekaeder, die entweder sechs, acht oder zwölf Seiten haben. Es war naheliegend, sich in dem Artikel auf diese drei zu konzentrieren.”

“Die Nanowissenschaft ist ein Thema, das im Lehrplan zwischen Chemie und Physik angesiedelt ist, aber auch zwischen der Forschung im Grundstudium und der Forschung auf Graduiertenebene”, sagt Bentley. “Es ist wichtig, dass angehende Materialchemiker ein grundlegendes Verständnis von Kristallebenen, Facetten und Wachstumsrichtungen haben. Außerdem müssen sie das dreistellige Notationssystem verstehen, mit dem diese Eigenschaften indiziert werden, die so genannten Miller-Indizes. Andernfalls kann dieses System wie ein mysteriöses Zahlenwirrwarr wirken.”

Insbesondere das dreistellige Notationssystem zur Indexierung dieser Attribute, bekannt als Miller-Indizes, kann ohne entsprechende Grundlagen als mysteriöses Zahlenwirrwarr erscheinen.

In Bentleys Labor arbeiten sie und ihre Student*innen daran, Goldatome in Flüssigkeitsbehältern zu manipulieren, um die Form der Nanopartikel zu steuern. Goldnanopartikel sind für ihre katalytischen Eigenschaften bekannt, d.h. ihre Fähigkeit, chemische Reaktionen zu beschleunigen. Besonders eine Form, der zwölfflächige rhombische Dodekaeder, hat sich als effektiver bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Brennstoffe erwiesen.

“Es ist wie Recycling”, sagt Bentley. “Diese Form der Nanopartikel ermöglicht es den Forschern nicht nur, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen, sondern es auch wieder in eine Art Brennstoff zu verwandeln, der verwendet werden kann. Wenn wir also Partikel züchten können, die nur diese Facette haben, ist das ein echter Vorteil.”

Zusammenfassend bietet Bentleys Ansatz einen innovativen Weg, um die Nanowissenschaft durch 3D-Drucktechnologie greifbar und verständlich zu machen. Ihre Arbeit veranschaulicht die Verbindung zwischen theoretischer Forschung und praktischer Anwendung, ein entscheidender Schritt in der Ausbildung zukünftiger Materialwissenschaftler*innen.