Im Schuljahr 2021/22 nahmen drei Schülerinnen  Myla Hardman, Marta Lean und Anna Schwarz, der SISS Secondary im Schuldorf Bergstrasse, (MINT-Zentrum) , Seeheim-Jugenheim, am Jugend forscht Wettbewerb  im Fach Chemie teil, der Titel der Arbeit war:

GRAPHEN-ARTIGE SUPERMATERIALIEN - GEHT DAS AUCH UMWELTFREUNDLICHER?

Sie erreichten auf Anhieb den Landessieg in Hessen und zeigten im Bundeswettbewerb vom 26. bis 29. Mai in Lübeck ihre Ergebnisse. Dort wurde die Arbeit mit dem Sonderpreis "Nanotechnologie" ausgezeichnet. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass der sogenannte nasschemische Weg über die Oxidation von Graphit und anschließender Reduktion nicht zu Graphen führt, sondern zu mehr oder weniger mehrlagigem mit vielen Fehlstellen behaftetem amorphen Kohlenstoff. Dies zeigen RAMAN- und elektronenmikroskopische Aufnahmen (SEM), welche von der Firma Merck, Darmstadt und der TU Darmstadt für die Schülerinnen angefertigt wurden. In vielen Publikationenen auch in hochrangigen Fachzeitschriften wird behauptet, dies sei  eine Möglichkeit Graphen herzustellen. Aber einlagiges Graphen ist z. B. nur mit dem CVD-Verfahren (CVD= Chemical Vapour Deposition) zu gewinnen. Dieses Verfahren ist mit der Ausstattung in einem Schullabor nicht zu machen.

Allerdings können solche  teils oxidierten Graphenoxide als Verbundmaterialien mit  leitfähigen Polymeren in der Photovoltaik als Lochleiter eingesetzt werden. Solche Anwendungs-möglichkeiten wurden von den Schülerinnen aufgezeigt.

Herzlchen Glückwunsch!

  Elektronenmikroskopisches Bild red. Graphenoxid (SEM)       Bild von Graphenoxid mit dem Invertmikroskop

  RAMAN Spektrum von Graphenoxid, elektrochemisch synthetisiert

Seit dem Schuljahr 2020/21 bin ich im Schuldorf Bergstrasse im MINT-Zentrum aktiv und unterstütze hier Schüler und Schülerinnen bei ihren Forschungen in einer Chemie-AG.

Thema: Die Synthese von Graphit zu Graphitoxid bzw. -säure, Graphenoxid und deren Reduktion zu Graphen.

Graphit bildet  hexagonale Gitterebenen aus sp²-hybridisierten kovalent gebundenen C-Atomen, welche durch Van-der-Waals-Bindungen der nicht hybridisierten p_z- Orbitale relativ locker verbunden sind. Die Pfeile in der Grafik zeigen auf diese die Schichtebenen verbindenden p- Orbitale. Beim Schreiben mit Graphitminen erfolgt ein Abrieb, da sich einzelen Schichten durch den Druck aufs Papier leicht ablösen. 2004 wurde der Nobelpreis an Forscher verliehen, die die einzelnen Schichten des Graphits mit Scotchband ablösten und letztlich eine Schicht nachweisen konnten. Der Stoff erhielt die Bezeichnung Graphen.

Eine Graphitschicht wird durch wiederholtes Abziehen nacheinander von einem Partikel erhalten. Diesen Prozess nennt man Exfolation. Die erhaltenen Einzelschichten werden auf einer Wasseroberfläche isoliert, da diese  hydrophob sind und auf deren Oberfläche schwimmen.

Ein anderer Ansatz, um Graphen zu synthetisieren gelingt mit einer anodischen Oxidation des Graphits zu Graphenoxid, wobei unter anderem durch eine Reaktion mit Sauerstoff-radikalen und anderen radikalischen Sauerstoffverbindungen mehr oder weniger Hydroxyl-, Carboxyl-, Epoxyl-gruppen entstehen. Die Graphitgitter werden dadurch exfoliert. Durch eine folgende Reduktion entsteht weniglagiges Graphen.

Alle Projekte unserer Arbeitsgemeinschaft der Max-Beckmann-Schule in den letzten Jahren wurden unterstützt durch die Schulpartnerschaft des Fonds der Chemischen Industrie FCI.

Ein neues Projekt mit dem Thema Voller Gastmoleküle, Netzwerke der Zukunft, wurde  im Schuljahr 2016/17 ausgeführt und schloss sich an das Vorjahresprojekt an. Diesmal wurde ein speziell synthetisiertes Metall Organisches Netzwerk (MOF) bestehend aus dem Linker (Verbinder) Benzen-1,3,5-tricarbonsäure und dem Konnektor Fe³⁺- Ion verwendet, um ein Arzneimittel zu "verpacken". Dieses MOF mit der Bezeichnung Mil-100 Fe (Material Institut Lavoisier) hat die Eigenschaft große Mengen an Farbstoffen aber auch Wirkstoffen (Arzneimittel) in seinen Poren zu adsorbieren. Wir untersuchten die Adsorption und Desorption (Freisetzung) von Ampicillin mit molekularbiologischen und mikrobiellen Methoden. E.Coli-Bakterien wurden mit einem Plasmid, das ihnen Ampicillinresistenz vermittelt, transformiert. Mit dieser Methode konnte die Adsorption und Freisetzung von Ampicillin auf Agarplatten, die mit nicht resistenten Bakterien ausgestrichen waren, durch die Bildung von Hemmhöfen sichtbar gemacht werden.

Agarplatten mit Hemmhöfen, rechts mit der Expression des LacZ-Reportergens (Blaufärbung)

Herzlichen Glückwunsch den Schülerinnen Katharina Krebs, Lisa-Marie Müller und Johannes Füßler zum Gewinn des Landeswettbewerbs Hessen in Chemie bei der Fa. Merck in Darmstadt und des Sonderpreises Nanotechnologie (Stifter FCI) im Bundeswettbewerb bei Siemens in Erlangen.

Käfige für Moleküle hieß unser neues Projekt, mit dem die AG beim Landeswettbewerb jugend forscht 2016 in Darmstadt bei der Fa. Merck antraten. Drei Schüler aus der 12. und 13. Klasse, Johannes Füßler, Joshua Vassilakis und Tobias Weinaus erreichten mit diesem Projekt den 2. Platz im Landeswettbewerb und erhielten dazu noch einen Sonderpreis Umwelttechnik der deutschen  Bundesstiftung Umwelt. Herzlichen Glückwunsch!

Im Internet kursieren seit etwa 20 Jahren Meldungen über „Metal Organic Frameworks“, Abkürzung: MOFs), (Metall Organische Netzwerke). Es werden deren unglaubliche Eigenschaften beschrieben. Es sind komplexe geometrische Strukturen aus metallischen Zentralionen (Konnektoren) und organischen Liganden (Linkern), welche mehrfache koordinative Bindungen eingehen können. Unser Projekt befasst sich mit der Synthese dieser MOFs nach verschiedenen Vorschriften. Wir stellten mehrere dieser Netzwerke in unserem Schullabor her, z. B. das ZIF-8 sowie das HKUST-1. Nach der Synthese reinigten wir die MOFs und ließen sie an der Goethe Universität mittels Röntgendiffraktometrie auf ihre Reinheit überprüfen. Eine Messung der Oberfläche und Porengröße ließen wir am KIT in Karlsruhe durchführen, wo wir uns auch über diese Methoden informierten. Wir führten mit gepackten Säulen eines Gaschromatographen und beschichteten Membranen Trennungen von Gasen und anderen Stoffen durch und testeten auch deren Speicherung. Mit ZIF-8 z. B., einem Zink Methylimidazol Netzwerk,  können große Mengen Kohlenstoffdioxid gespeichert werden. Mögliche Anwendungen der Netzwerke sind auch, diese  zum Transport unterschiedlicher Wirkstoffe zu verwenden.

ZIF-8 (Zeolithic imidazolate Framework) und HKUST-1 (Hong Kong University of Science and Technology)

Im Februar 2015 haben wir in unserem Biotechnologiekurs in Zusammenarbeit mit der Paul-Ehrlich-Schule in Frankfurt am Main mit 18 Schülerinnen, Schülern und Lehrern einen genetischen Fingerabdruck durchgeführt. Die Geräte und Chemikalien wurden von dem CSI:Mainhattan-Projekt dieser Schule zur Verfügung gestellt. 

Dabei werden repetitive Sequenzen im Chromosom 1, dem D1S80 Locus, sogenannte VNTR (Variable Numbers of Tandem Repeats mit 16 Basenpaare Sequenzen) mittels PCR (Polymerase Kettenreaktion) vermehrt. Solche Stellen sind bei vielen Menschen unterschiedlich. Man erhält bei der Gelelektrophorese ein unterschiedliches Bandenmuster, ein Beispiel für die Individualität des menschlichen Genoms, das beim Vaterschaftstest und  in der forensischen Analytik zur Verbrechensbekämfung  angewendet wird. 

Beispiel für Gel-Fotos der Fingerprints

2014 ist ein Projekt aus dem Jahr  2012 von zwei Schülerinnen und einem Schüler der Max-Beckmann-Schule wieder bearbeitet worden: Grünalgen (Chlamydomonas reinhardtii) erzeugen elementaren Wasserstoff, wenn sie unter Stress, wie Mangel an Nährstoffen (Schwefel) und starke Beleuchtung gesetzt werden. Sie verändern ihren Stoffwechsel, bilden keinen Sauerstoff mehr, da das Photosystem II nicht mehr intakt ist. Sie erreichten im Landeswettbewerb den 3. Preis, Stifter: Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e. V. und den Sonderpreis Wasserstoff, Brennstoffzelle und batterieelektrische Antriebe, Stifter: Nationale Organisation Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie.

2012 hat die Arbeitsgemeinschaft das letztjährige sehr erfolgreiche Projekt "Plastiksolarzellen" fortgesetzt. Das Ziel war diesmal, Plastiksolarzellen "ganz aus Plastik" ohne ITO-Glas herzustellen. Erhebliche technische Schwierigkeiten mussten dazu überwunden werden, die an die Grenze dessen gehen, was in der Schule ohne Reinraum, Arbeiten mit Schutzgas in einer "Glovebox", etc., zu leisten ist. Die Leistung solcher Zellen ist geringer, wie auch deren Haltbarkeit. Der Aufbau ist gegenüber dem letztjährigen Projekt noch filigraner. Unser Team aus zwei Schülerinnen und einem Schüler aus der 13. Klasse ereichte im Landeswettbewerb den 3. Platz und erhielt den Sonderpreis "Erneuerbare Energien" (Stifter: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)).

Hauchdünne Solarzelle im Sonnenlicht

Sie sind auch flexibel! (Seitenansicht, 1 Cent zum Vergleich)

Auch OLEDs gehen ganz aus Plastik!

Auch 2010/11 ist unsere AG wieder aktiv. Drei SchülerInnen aus der Bettina- und der Max-Beckmann-Schule (Leistungskurs Physik in Klasse 13) haben nach einer Vorschrift im Internet http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/ organische Leuchtdioden (OLED's) gebaut und untersuchen diese. Ziel ist den Effekt der Lichtemission umzukehren und organische Solarzellen zu bauen. Dies ist gelungen. Mittlerweile haben sie den Landeswettbewerb "Jugend forscht" bei der Fa. Merck in Darmstadt gewonnen. Der Bundeswettbewerb 2011 in Kiel war sehr erfolgreich! Sie erreichten einen 5. Platz in Chemie, weiterhin zwei Sonderpreise: den Zukunftstechnologiepreis (1500 Euro) der Bundesbildungsministerin, Preis für nachhaltige Entwicklung (1000 Euro) des FCI. Herzlichen Glückwunsch!

    Film dazu!  

Vier Plastiksolarzellen treiben einen Elektromotor!  Als Puffer dient ein Doppelschichtkondensator

2010 ist eine Gruppe aus dem 13. Schuljahr bei Jugend forscht mit einem Projekt "Enzymelektroden: Sensor auf Glucose" aktiv. Interessant ist, dass alle aus einem Grundkurs Chemie bzw. Biotechnologie entstammen. Die ganzen Herbst- und Weihnachtsferien tüftelten sie an dieser Aufgabe. Es gelang ihnen, das Enzym Glucoseoxidase auf einer Polypyrrolmembran zu immobilisieren. Dies wurde sowohl optisch als auch ampérometrisch detektiert. Im Regionalwettbewerb am 12. 2.2010 in Lollar erreichten sie den 1. Platz in der Sparte Chemie. 

Auch 2009 ist die Max-Beckmann-Schule bei Jugend forscht angetreten. Im Landeswettbewerb bei Merck erreichte Alexej Grjasnow mit einem Projekt  "Folding of the N Terminus of Serotonin Transporters"  den 1. Platz in Chemie. Die Arbeit wurde in den USA während eines Gastaufenthalts an der Vanderbilt Universität angefertigt. Herzlichen Glückwunsch! 

Laura Babel erreichte mit einer Arbeit zur spannungsgesteuerten Bewegung von Polypyrrolmembranen den zweiten Platz. Auch hier herzlichen Glückwunsch!

Polypyrrolmembranen bewegen sich durch innermolekulare Ladungsunterschiede, wenn Spannungen angelegt werden. Sie schrumpfen oder quellen. 

Im Bundeswettbewerb 2008 in Bremerhaven erreichte das Projekt "Strom aus Joghurt" einen respektablen 4. Platz und den Preis des Fonds der Chemischen Industrie e.V.. Herzlichen Glückwunsch an Sebastian Spohner und Alexej Grjasnow. Bild dazu!

Nach dem 2, Platz im Bundeswettbwerb 2006 in Freiburg mit dem Thema "Graetzelzellen", jetzt wieder erfolgreich!

Alexej und Sebastian haben ihr Projekt am 27. 5. 08 bei Stefan Raab in TV Total vorgestellt.

Aktuelle Projekte der Max-Beckmann-Schule, Frankfurt am Main   

Aktuell haben wir das Projekt aus dem Jahr 2005 wieder aufgenommen. Damals hatten wir gezeigt, dass Coli- Bakterien in der Lage sind in Brennstoffzellen direkt elektrische Energie mit Leistungen im mWatt-Bereich zu erzeugen. Nun haben wir verschiedene Mikroorganismen untersucht, u. a. Lactobacillen (lactobacillus casei), also einfache Joghurt- Bakterien. Daher heißt das Projekt: "Strom aus Joghurt".  Hinter diesem Projekt steckt eine ausgefeilte Analytik (HPLC, Enzymanalytik), mit der gezeigt werden konnte, dass bestimmte Stoffwechselprodukte durch bakterielle Aktivitäten entstehen und diese auch für die Leistung verantwortlich sind. Dieser Nachweis stellt eine fundierte wissenschaftliche Arbeit dar. 

Weiterhin bringt der  Einsatz von Elektroden aus nanostrukturiertem Polypyrrol   eine Optimierung der Leistung. 

Durch unsere Untersuchungen  der Gärprodukte („Brennstoffe“)  konnte nachgewiesen werden,  dass nicht der bei der Gärung auch entstehende Wasserstoff, sondern hauptsächlich Lactat   die Brennstoffzelle mit Brenn-Material versorgen. Allerdings kann Lactat nicht allein den Elektronentranfer leisten, sondern es bedarf noch eines Reduktons, wie z. B. Vitamin C oder bei E. coli Gluthathion (GluSH) als Elektronenshuttle. Dies wurde in der aktuellen Jugend forscht Arbeit  mittels HPLC gezeigt.

Dies sind die beiden miteinander gekoppelten Prozesse. GluSH gibt die Elektronen an die Elektrode ab.

Mit diesem Projekt hat unsere AG wieder den Landeswettbewerb "Jugend forscht" in der Sparte Chemie gewonnen.  

Milchsäurebakterien auf einer Lactose/ChinablauAgarplatte

Film dazu

2006 haben wir in unserer Arbeitsgemeinschaft weitere regenerative Energiewandler untersucht, Graetzelzellen - Solarzellen, welche die Fotosynthese hinter einer Glasplatte nachempfinden. Sie wandeln wie bei der Fotosynthese der Pflanzen Sonnenlicht durch Absorption mit Farbstoffen (Anthocyane) in Energie um, allerdings direkt in elektrische Energie nicht in ATP bzw. Glucose. Wir haben mit relativ kleinen Platten von 10 mal 5 cm Leistungen um 2 mWatt erreicht, genug um einen Kleinmotor anzutreiben. Sebastian und Alexej errangen damit den 2. Platz   im Bundeswettbewerb Jugend forscht  im Fach Chemie.

Filmdokumentation dazu bitte hier klicken! Weitere Informationen unter Neuigkeiten!

Bei diesen Arbeiten haben wir erkannt, dass eine gleichmäßige Beschichtung entscheidend für die Leistung der Graetzelzelle ist. Darum haben wir einen einfachen Tintenstrahl- Drucker präpariert, mit dem wir Platten homogen beschichten können. Filmdokument hier!

Gleichzeitig haben wir hiermit auch die Möglichkeit mit leitfähigen Polymeren wie Polypyrrol Leiterbahnen zu drucken. Mit dem Programm Illustrator entwarfen  wir die Leiterbahnen, der Drucker druckt sie auf Papier, Folien oder Glas. Damit sind wir auch 2007 bei Jugend forscht im Landeswettbwerb Hessen in Darmstadt. Weiterführende Experimente zur Herstellung von Kunststoffsolarzellen sind in Arbeit.

Bedruckte Kunststoffplatte

Zwei Graetzelzellen im Vergleich bei normaler Raumbeleuchtung, rechts wurde die Kathode modifiziert, was zwar zu geringeren Spannungen führt, aber zu wesentlich höheren Stromstärken. Die Leistung der Zelle vergrößert sich erheblich.

Projekte des letzten Jahres

Axel Jäger hat eine bakterielle Brennstoffzelle entwickelt, die er auf dem Landeswettbewerb Jugend forscht  am 17. und 18. März 2005 in Darmstadt  bei der Fa. Merck vorgestellt hat. Er hat mit diesem Projekt den Landeswettbewerb in Chemie gewonnen und  im Bundeswettbewerb in Dortmund den 5, Platz in Chemie belegt. Gewonnen hat er auch einen 6 wöchigen Studienaufenthalt in den USA.

Die Arbeitsgemeinschaft stellt sich vor! 

Sie liefert Leistungen im Milliwattbereich und beruht nur auf der Gärungsaktivität von Colibakterien und einem Oxidationsmittel. Zum Betreiben eines CD-Player-Motors reicht auf der Kathodenseite Luft als Oxidationsmittel. Vier dieser "Biobrennstoffzellen" zu einem "Stack" vereinigt liefern sogar elektrische Energie zum Betreiben einer LED. Als Grundsystem wurde eine Zelle von National Centre for Biotechnology Education (NCBE) verwendet. Allerdings wurde der innere Aufbau (Elektrodenmaterial. Polymerelektrolytmembran) völlig verändert.

                    Biobrennstoffzelle in Aktion                                     offene Zelle                               

                        Modellskizze der NCBE-Zelle                           Stack aus 4 Zellen 

Die Gruppe erreichte beim Regionalwettbewerb bei Mainova in Frankfurt den ersten Platz in Biologie und hat ihr Projekt auch auf dem Landeswettbewerb in Darmstadt vorgestellt. Sie erreichte damit den zweiten Platz in Biologie.

Entwicklung des Purpurkomplexes bei R. capsulatus innerhalb einer Woche unter anaeroben Bedingungen und Einstrahlen von weißem Licht (150 W). Erst beim letzten Entwicklungsstadium wird Wasserstoff produziert.