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Deine Fragen an unsere Experten

Du hast eine Frage zu einem Bereich der Zukunftstechnologien, etwa für ein Referat? Oder du möchtest aus erster Hand etwas zum Studium wissen?

Schreib uns! Wir leiten deine Frage an unser Expertenteam aus Wissenschaftlern, Forschern, Dozenten und Entwicklern weiter und du bekommst rasch kompetente Antwort.

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Experten antworten

Warum wachsen Haare am Körper und auf dem Kopf unterschiedlich lang?

Körperhaare fallen beim Menschen nach etwa zwei bis sechs Monaten aus. Sie haben also nicht viel Zeit zum Wachsen. Haare an Beinen und Armen haben beispielsweise eine relativ kurze Lebensdauer. Achselhaare können bis zu einem halben Jahr alt werden, ehe sie ausfallen.

Unser Kopfhaar hingegen bleibt bis zu sechs Jahren auf dem Kopf. Es kann in dieser Zeit ziemlich lang werden, denn es wächst etwa 15 Zentimeter pro Jahr. Darin unterscheidet sich der Mensch von anderen Säugetieren.

Eine Theorie besagt:  Lange Haare konnte sich in der Frühzeit des Menschen nur leisten, wer Zeit für die Pflege der Haarpracht hatten. Diese Zeit hatte nur, wer über einen hohen gesellschaftlichen Rang verfügte. Vermutlich deshalb hat sich diese genetische Besonderheit im Laufe der Evolution beim Menschen durchgesetzt.

Dr. Ruth Jesse, Diplom-Biologin

Kann eine Ringelnatter eine von der Kreuzotter gebissene Maus fressen, ohne zu sterben?

Das ist eine interessante Frage. Die Antwort lautet: Im Prinzip ja. Das Gift der Kreuzotter besteht nämlich aus Proteinen (also Eiweißen), die von der Magensäure der Ringelnatter denaturiert (also zerstört) werden und dann nicht mehr wirken.
Damit die Ringelnatter sich an der vergifteten Maus selbst vergiftet, müsste sie schon eine offene Verletzung im Maul oder in ihrer Speiseröhre haben, so dass das Kreuzottergift direkt in ihre Blutbahn gelangen kann. Aber selbst mit so einer Verletzung würde wahrscheinlich zu wenig Gift in das Blut der Ringelnatter eintreten, um sie zu töten.
Zu guter Letzt ist es sehr unwahrscheinlich und wäre ein seltener Zufall, dass es überhaupt dazu kommt dass eine Ringelnatter eine von einer Kreuzotter gebissene Maus frisst. Denn die Kreuzotter findet und frisst von ihr gebissene Beute meist ziemlich schnell. Außerdem lebt eine von ihr gebissene Maus nicht mehr lange, und eine tote Maus wird von der Ringelnatter wahrscheinlich nicht als Nahrung wahrgenommen, weil diese ihre Beute hauptsächlich durch deren Bewegungen erkennt. Und schließlich fressen freilebende Ringelnattern, zumindest in Mitteleuropa wo sie zusammen mit Kreuzottern vorkommen, viel lieber Lurche und Fische als Mäuse.

Sebastian Lotzkat
Herpetologe, Promovand am Senckenberg-Institut in Frankfurt am Main

Warum wendet sich die Feuerzeugflamme beim Zündeln von den Tannennadeln ab?

Wir machen in der Schule gerade Experimente mit Feuer. Als wir das Feuerzeug an einen Zweig mit Tannennadeln gehalten haben, wandte sich die Flamme des Feuerzeuges von den Nadeln ab - als würde sie weggeschoben/weggezogen werden. Warum?
Franziska

Wenn man das Experiment macht, kann man die Lösung hören: Wenn man mit der Streichholzflamme in die Nähe der Tannennadeln geht, gibt es leises Plopp, wie von einer Miniexplosion,  und die Flamme wird von den Nadeln „weggeblasen“. Die in den Nadeln reichlich vorhandenen ätherischen Öle werden heiß, verpuffen und blasen dabei die Flamme weg.

Dr. Christine Väterlein
Diplom-Physiherin, Studienrätin

Können Vitaminpräparate überhaupt vom Körper genutzt werden?

Können Vitaminpräparate (z.B. in Tabletten, Säften, Müsli,...) überhaupt vom Körper genutzt werden? Wenn ja, unter welchen Umständen wäre deren Einnahme empfehlenswert?

Man kann nicht verallgemeinern, ob Vitaminpräparate schädlich sind. Es gibt Personen, die sich schlecht ernähren, z.B. durch Kauprobleme oder Unverträglichkeiten einige Lebensmittel mit vielen Mineralien oder Vitaminen vermeiden. Für solche Personen wären sogenannte angereicherte Lebensmittel gut. Auch sportlich aktive Menschen brauchen viel mehr Vitamine und Mineralien, im Vergleich zu nicht-sportlichen Menschen.

Ältere Menschen, deren Zähne nicht so gut sind, meiden zum Beispiel rohes Obst oder Gemüse und können oftmals nur gekochte Lebensmittel gut aufnehmen. Bei dem Kochprozess werden, und dies ist nicht zu vermeiden, Vitamine zerstört und stehen dem Körper nicht mehr zur Verfügung. Für die Personen wäre eine solche Einnahme zum Beispiel empfehlenswert.

Dr. Huong Tran, Diplom Ökotrophologin, Ernährungsberaterin

Ist es wirklich eher schlecht als gesund, spät abends noch größere Mengen Obst bzw. (rohes) Gemüse zu sich zu nehmen?

Ist es wirklich eher schlecht als gesund, spät abends noch größere Mengen Obst bzw. (rohes) Gemüse zu sich zu nehmen? Wegen Gärungsprozessen, welche dann die Leber belasten oder so ähnlich... aber warum sollte dies dann nicht auch am Tag geschehen?

Elias

Lieber Elias, vielen Dank für Deine Frage. Eine langfriste Auswirkung größerer Mengen an Obst bzw. rohem Gemüse ist bislang noch nicht gut erforscht. Die sogenannten Gärungsprozesse entstehen, wenn der Speisebrei im Darm nicht von den Bakterien in ausreichendem Maße "verdaut" werden, z.B. wenn zu wenig Flüssigkeit mit der Nahrung aufgenommen wird. Dies ist ganz unabhängig von der Tageszeit, zu der die Rohkost aufgenommen wird. Außerdem sollten Personen, die Darmprobleme haben (Darmerkrankungen vom Arzt diagnostiziert bekommen haben) mit dem Arzt absprechen, ob dies für den Darm förderlich ist, oder ob dies schadet.

Aber generell ist es gut, viel Gemüse über den Tag aufzunehmen (5 Portionen, eine Portion etwa eine ganze Handvoll) und dazu viel zu trinken. Dies ist sehr gut für den Darm. Damit nimmst Du viele Vitamine und Mineralien auf.

Dr. Huong Tran, Diplom Ökotrophologin, Ernährungsberaterin

Warum sind meine Haare blond wenn sie trocken sind und braun wenn sie nass sind?

Warum sind meine Haare blond wenn sie trocken sind und braun wenn sie nass sind?
Saskia

Deine Haare reflektieren das Licht. Das heißt, sie werfen das Licht zurück, das auf sie fällt. Alle Gegenstände reflektieren das Licht und zwar unterschiedlich stark und auf unterschiedliche Weise. Wie das Licht reflektiert wird, hängt davon ab, wie rau die Oberfläche des Gegenstands ist.

Glatte Oberflächen, wie zum Beispiel ein Spiegel oder das Glas deiner Armbanduhr, werfen gezielte Lichtbündel zurück. Nur aus einer bestimmten Richtung, nämlich aus der in die das Licht reflektiert wird, erkennt man eine helle Stelle. Der Rest des Gegenstands sieht dunkel aus. Deswegen kannst du mit deiner Armbanduhr einen gezielten Lichtfleck erzeugen, wenn die Sonne auf das glatte Glas fällt.

Mit rauen Gegenständen funktioniert das nicht. Ist der Spiegel oder die Armbanduhr zum Beispiel staubig, wird seine Oberfläche durch die vielen einzelnen Staubkörnchen rau. Fällt jetzt Licht auf die Oberfläche, wird es an jeder rauen Stelle in eine andere Richtung reflektiert. Statt einem großen gezielten Lichtbündel, wirft der staubige Spiegel viele kleine Lichtstrahlen in alle möglichen Richtungen zurück. Dadurch sieht er im Ganzen hell aus.

Vergleichen wir den Spiegel jetzt mit deinen Haaren, so sind die trockenen Haare an der Oberfläche rau wie der staubige Spiegel. Das liegt daran, dass jedes einzelne Haar nur mit bloßem Auge glatt wirkt. In Wirklichkeit ist die Haaroberfläche rau und aus einzelnen Schuppen aufgebaut, die in Schichten angeordnet sind. Unter dem Mikroskop sieht ein Haar dadurch fast aus wie ein Tannenzapfen. Von diesen rauen Schichten wird das Licht in viele Richtungen gleichzeitig reflektiert und die Haare sehen im Ganzen hell, also blond aus.

Die nassen Haare sind dagegen glatt wie der saubere Spiegel. Das liegt daran, dass die Wassertropfen die unterschiedlich hohen Schuppenschichten „auffüllen“. Das heißt, im nassen Zustand werfen deine Haare ein gezieltes Lichtbündel in eine einzige Richtung zurück und sehen ansonsten dunkel, also braun aus.

Stefanie Bertsch, Dipl.-Chem.

Können Nanomaterialien unserer Gesundheit schaden?

Können Nanomaterialien unserer Gesundheit schaden?
Frederick

Im Forschungsverbund nanoGEM (Nanostrukturierte Materialien – Gesundheit, Exposition und Materialeigenschaften) haben sich 19 Partner aus Universitäten und Forschungsinstituten, Behörden sowie der Industrie über 3 Jahre mit der Frage der Sicherheit von Nanomaterialien befasst.

Die Forscher entwickelten unter anderem neue Messmethoden zur Bestimmung von Nanopartikeln in Geweben, sie untersuchten die Freisetzung und Veränderung der Eigenschaften von Nanopartikeln aus Nanomaterialien sowie die Aufnahme und Verteilung von Nanopartikeln im menschlichen Körper in Abhängigkeit von Größe, Struktur und Oberflächeneigenschaften.

Die Ergebnisse von nanoGEM zeigen, dass „Nano“ nicht automatisch auch giftig bedeutet. Neben der Größe sind noch viele weitere Faktoren dafür verantwortlich, ob ein Material gesundheitsschädigende Wirkungen hat oder nicht.

In umfassenden Tests wurden insgesamt 16 verschiedene Nanopartikel untersucht. Es wurde unter anderem geprüft, was mit den verschiedenen Nanopartikeln passiert, wenn sie eingeatmet oder verschluckt werden und wie sie sich im Körper verteilen bzw. verhalten. Testsubstanzen waren Siliziumdioxid (SiO2) und Zirkoniumdioxid (ZrO2), die beispielsweise in Lacken eingesetzt werden, um deren Kratzfestigkeit zu erhöhen, sowie Silberpartikel (Ag), die in Drucktinten für die Solartechnik verwendet werden. Untersucht wurden dabei erstmals nicht nur die reinen Partikel, sondern auch sogenannte funktionalisierte Partikel. Bei diesen werden Moleküle auf der Oberfläche der Partikel gebunden, um beispielsweise die Verarbeitbarkeit, Löslichkeit oder Stabilität der Produkte zu erhöhen.

„Nanopartikel, die geschluckt werden, egal ob funktionalisiert oder nicht, zeigten keine giftige Wirkung in allen unseren Untersuchungen“, erklärt der Leiter des Projektes, Dr. Thomas Kuhlbusch vom Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA) e.V. in Duisburg.

Ein weiterer wichtiger Punkt der Forschungen zur Sicherheit von Nanomaterialien ist, ob die enthaltenden Nanopartikel überhaupt freigesetzt werden. Nur freie Nanopartikel können vom Menschen aufgenommen werden. Im Projekt wurden deshalb Schleif- und Verwitterungsuntersuchungen von nanopartikelhaltigen Kunststoffen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Nanopartikel fast ausschließlich eingebunden im Kunststoff freigesetzt werden, so dass sich in Untersuchungen keine Giftigkeit nachweisen ließ.

PD Dr. Thomas Kuhlbusch, Unit Head "Air Quality & Sustainable Nanotechnology", IUTA e.V.

Welche Nährstoffe braucht der Körper nach einem Krafttraining?

Bisher hat es immer geheißen, dass man nach dem (Kraft-)Training möglichst schnell (bis 45 min) eine bestimmte Menge an Kohlehydraten und Eiweiß zu sich nehmen sollte, um bestmögliche Anpassungserscheinungen zu erzielen.

Nun habe ich aber letztens gehört, dass dies mittlerweile widerlegt worden ist und dass es prinzipiell nicht so darauf ankommt, solange die Zufuhr noch innerhalb der nächsten 36 Stunden geschieht. Stimmt das oder ist es doch besser, den Körper sofort nach dem (Kraft-)Training mit Nährstoffen zu versorgen?
Elias

Die Frage ist nicht leicht zu beantworten, denn ein „stimmt das?“ im Bereich der Ernährung abschließend beurteilen zu wollen ist so gut wie ausgeschlossen ;-) Dennoch hier der Versuch einer Antwort:

Der Einsatz von Kohlenhydraten und Eiweiß direkt nach der Aktivität richtet sich nach der Zielsetzung der sportlichen Aktivität und der Zielsetzung der Regeneration. Soll Sport zum Abnehmen oder zur Fettverbrennung durchgeführt werden, gelten andere Vorgaben, als wenn die Bewegungseinheit ein echtes „Training“ im Sinne der angestrebten Leistungsverbesserung war. Auch spielt die Zeit, die bis zur nächsten Trainingseinheit zur Verfügung steht, eine wichtige Rolle.

Unter der Vorgabe, dass ein Kraft orientiertes Training durchgeführt wurde und die Regeneration möglichst schnell abgeschlossen sein soll, ist die gezielte Aufnahme von Kohlenhydraten mit hohem Glykämischen Index und Eiweiß, idealerweise Molken- oder Sojaprotein möglichst zeitnah nach der Belastung, nach aktueller Datenlage durch nichts zu ersetzen.

In den ersten Stunden nach der Aktivität hat das Glykogen aufbauende Enzym, die Glykogensythase, ihr Aktivitätsoptimum. Wird dieser Zeitraum durch die Zufuhr entsprechender Nährstoffe nicht unterstützt, verzögert sich die Regeneration, was im Freizeitsport mit zwei bis drei Trainingseinheiten in der Woche keine Rolle spielt. Im Leistungssport mit täglichem oder sogar mehrmals täglichem Training kann aus der Nichtbeachtung der Ernährungsmaßnahmen eine Leistungsstagnation resultieren.

Zu erwähnen ist noch, dass es zahlreiche Untersuchungen zu diesem und weiteren Themen der Sporternährung gibt. Hier gilt es abzuwägen, welche wissenschaftliche Qualität und welches Evidenzniveau die Arbeiten haben. Evidenzbasierte Empfehlungen, die auf vielen, qualitativ hochwertigen Studien beruhen – z.B. das Positionspapier zur Sporternährung des American College of Sportsmedicin – „hinken“ daher immer einzelnen Originalarbeiten mit teilweise neuen Erkenntnissen hinterher. Viele Einzelarbeiten, oft im Industrieauftrag erstellt, scheinen neue Aspekte darstellen zu können, müssen dann aber wieder relativiert werden und sind dann mit den evidenzbasierten Empfehlungen kompatibel.

Fazit: Es bleibt dabei. Wer schnell und effektiv regenerieren will oder muss, kommt um die zeitnahe Aufnahme der genannten Nährstoffe nicht herum.

Uwe Schröder, Institut für Sporternährung e.V., Bad Nauheim, www.isonline.de

Es wurde nachgewiesen, dass die Zeit in einem Flugzeug, dass lange und schnell um die Erde flog, langsamer verging. Wie ist das möglich, wenn man nicht sagen kann, ob sich das Flugzeug oder doch die Erde bewegt?

In dem Relativitätsprinz heißt es, dass man die Geschwindigkeit eines Objekts nicht ohne einen anderen Körper, der in Bewegung ist, bestimmen kann, also Bewegung relativ sein. In der speziellen Relativitätstheorie heißt es, dass sich die Zeit in einem bewegten Bezugssystem (z.B. Rakete) verlangsamt (gesehen von einem „unbewegten“ Betrachter). Man könnte jedoch auch sagen, (da Geschwindigkeit relativ ist,) dass die Zeit des Betrachters langsamer vergeht und nicht die des „bewegten Objekts“ ( z.B. Rakete).

Es wurde dennoch nachgewiesen, dass die Zeit in einem Flugzeug, dass lange und schnell um die Erde flog, langsamer verging. Wie ist das möglich, wenn man nicht sagen kann, ob sich das Flugzeug oder doch die Erde bewegt?
Lukas

Hallo Lukas,

super Frage :-) ich hab auch ein bisschen nachdenken müssen. Ich glaube, der Knackpunkt ist, dass sich Geschwindigkeiten nicht direkt addieren.

Angenommen, ein Zug hat die Geschwindigkeit v1, und ein Gewehr schießt eine Kugel mit der Geschwindigkeit v2.

In der Newton'schen Welt wäre die Geschiwndigkeit der Kugel, die in Fahrtrichtung aus genanntem Zug abgefeuert wird, V=v1+v2.

Die relativistische Addition von Geschwindigkeiten ist V=(v1+v2) / [ 1+ (v1*v2/c*c)].

Sind v1 und v2 klein gegenüber der Lichtgeschwindigkeit c, so verschwindet der Bruch im Nenner und es kommt näherungsweise das Newton'sche Ergebnis wie oben heraus.

Die Formel findet sich (etwas komplizierter für Bewegungen in drei Dimensionen) auch hier http://de.wikipedia.org/wiki/Relativistisches_Additionstheorem_f%C3%BCr_Geschwindigkeiten

Da auf diese Weise keine Geschwindigkeit > c erreicht werden kann, bekommt man Probleme, die Gleichzeitigkeit von Ereignissen zu bestimmen, die räumlich entfernt voneinander stattfinden. Man bekommt auch Probleme, räumlich getrennte Uhren zu synchronisieren.

Zur Messung einer Geschwindigkeit braucht man also einen Referenzpunkt. Wählt man einen anderen Referenzpunkt (der sich selbst anders bewegt), kommt auch eine andere Geschwindigkeit heraus.

Nun verläuft die Zeit „anders“, wenn sich eine Uhr in Bewegung befindet (genau genommen: wenn sie beschleunigt wird).

Zu einer relativen Geschwindigkeitsmessung setzt man nun zwei Uhren auf dieselbe Startzeit, packt die eine in ein Flugzeug und lässt die andere stehen. Vergleicht man zu einem späteren Zeitpunkt die beiden Uhren, kann man entscheiden, welche sich schneller bewegt hat. Diese Entscheidung ist möglich. Allerdings ist nicht möglich ist zu entscheiden, ob die Uhr auf der Erde sich gar nicht bewegt hat.

(Und sie bewegt sich doch... : die Erde dreht sich um sich selbst, die Sonne, das Zentrum der Milchstraße, und die Milchstraße bewegt sich in der Lokalen Gruppe auf den Virgohaufen zu, und der bewegt sich wiederum auf kosmischer Ebene).

Um auf das Bild von Rakete und Betrachter zurückzukommen, ich würde die Aussage nicht unterschreiben, dass man auch sagen könnte, die Zeit des "Betrachters" (=Bezugssystem) könnte langsamer vergehen. Die Rakete führt eine beschleunigte Bewegung relativ zum Betrachter durch, sodass die Raketenzeit immer langsamer vergangen ist, wenn sie zurück zum Betrachter kommen sollte. Hier ist die beschleunigte Bewegung entscheidend.

Anderes Beispiel: jemand lebt auf einer Raumstation "in Ruhe" zur Sonne. Dann ist die Raumstation das Bezugssystem. Wenn diese Person jetzt (beschleunigt!) zur Erde geht, einige Runden um die Sonne auf der Erde bleibt, und dann (wieder beschleunigt!) zur Raumstation zurückkommt, so ist diese Person wieder "jünger" als die Kollegen, die auf der Raumstation geblieben sind.

Die Wahl des Bezugssystems ist also entscheidend, und die Forderung, dass das "bewegte" System zum Ursprungsort zurückkehren muss.

Das Ganze wird beliebig unanschaulicher, wenn das bewegte System nicht zum Ursprungsort zurückkehrt, weil dann muss man mit Lichtstrahlen o.Ä. die Messungen machen.

http://de.wikipedia.org/wiki/Zwillingsparadoxon

Die Problematik ist nicht immer ganz intuitiv, aber, soviel kann ich sagen, die Theorie stimmt. [solange es keine bessere gibt].

Richtig unanschaulich wird es dann, wenn man in der Allgemeinen Relativität auch noch die Beeinflussung durch Massen einbezogen wird. Trotzdem gibt es eine sehr schöne Schreibweise für die ART mit Vektoren, die elegant die Ergebnisse liefert. Zum Verständnis des Formalismus gehört allerdings ein bisschen Geduld.

Andreas Heger, Diplom-Physiker

 

Warum gibt es die verschieden Blutgruppen? Mutation, würde ich tippen. Aber welchen evolutionären Vorteil hat es, dass es immer noch verschiedene Blutgruppen gibt? Ist es nicht von Nachteil, dass aufgrund der Antikörper nicht jeder jedem Blut spenden kann?

Die Frage ist nicht so einfach zu beantworten, die Wissenschaftler streiten sich durchaus noch darüber.

Was man weiß, ist, dass es eine „Ur-Blutgruppe“ gab und dass dann durch Mutationen (wie richtig vermutet) und Selektion die heute bekannten Blutgruppen entstanden sind. Auch Tiere haben unterschiedliche Blutgruppen und die Primaten sind, wie zu erwarten, uns nicht unähnlich.

Es gibt natürlich nicht nur das AB0-System, sondern 29 Blutgruppensysteme.  Die Verteilung der Blutgruppenhäufigkeiten in der Welt ist unterschiedlich und wird sogar benutzt, um bestimmte Wanderungen der Menschen während der Evolution zu verfolgen.  Hier in Europa ist Blutgruppe A am häufigsten.

Es gibt je nach Blutgruppe unterschiedliche Empfindlichkeiten gegen Infektionen und Pathogene: beispielsweise Malaria (Blutgruppe 0 hat  Überlebensvorteil) oder Cholera (milderer Verlauf bei Nicht-0 Blutgruppen).

A, B und AB haben im Vergleich zu 0 ein höheres Thromboserisiko. Schnelle Blutungsstillung war in der Evolution, im Vergleich zu heute, ein Vorteil, etwa bei Geburten oder Verletzungen.

Prof. Dr. rer. nat. Eva Klopocki, MBA, Institut für Humangenetik, Universität Würzburg

Was besagt grob die Quantenmechanik?

Unter Mechanik versteht man den Bereich der Physik, der sich mit Kräften und Bewegungen von Körpern beschäftigt. Die sogenannte ‚klassische Mechanik‘ ist ein recht altes Gebiet. Hier wurden schon im 17. Jahrhundert wichtige Beiträge geleistet, die heute noch gültig sind und in den Lehrbüchern stehen. Klassische Mechanik beschreibt die Vorgänge des Alltags: die Achterbahn auf dem Jahrmarkt, die Flugbahn des Fußball beim Elfmeter oder den Stoß von Billardkugeln.

Für sehr kleine Objekte wie zum Beispiel Atome oder Nanoteilchen ist diese Mechanik allerdings nicht mehr gültig, hier gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Diese wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt, als man immer mehr Widersprüche zwischen Experimenten und Vorhersagen der klassischen Theorie fand.

In der Quantenmechanik sind viele Eigenschaften quantisiert, beispielsweise die Energie eines Teilchens. Quantisiert heißt, sie können nicht beliebige Werte annehmen. Klingt kompliziert? Nun, ein Beispiel für eine quantisierte Größe aus dem Alltag ist Geld. Da ist 1 Cent die kleinste Einheit und alle Preise müssen ein Vielfaches dieses ‚Geldquants‘ sein.

In der Welt der Quantenmechanik gibt es noch weitere, zunächst bizarr erscheinende Vorgänge: Teilchen können an mehreren Stellen gleichzeitig sein und harte Wände durchdringen; es wird dunkler wenn man eine zusätzliche Lichtquelle anschaltet; oder man kann die Ausdehnung von Objekten messen, ohne sie anzuschauen. Diese Phänomene werden normalerweise nicht von uns beobachtet, weil sie sich auf der Ebene von Atomen abspielen oder aufwendige experimentelle Aufbauten benötigen.

Für viele Geräte unseres modernen Alltags ist die Quantenmechanik allerdings wichtig. So sind die Strukturen auf den Mikrochips moderner Computer so klein, dass quantenmechanische Effekte eine Rolle spielen. Und auch das Surfen im Internet wäre ohne Quantenmechanik nicht denkbar.

Prof. Dr. Martin Kamp, Universität Würzburg

Warum kann ein dickes Buch so schwer auf dem Tisch herumgeschoben werden?

Es gibt zwei Gründe. Beide haben damit zu tun, dass dicke Bücher mehr Masse haben als dünne, also das, was wir in Kilogramm messen.

1. Die Trägheit

Ein dickes Buch herumzuschieben empfindest du als schwer – und darin liegt auch schon der erste Teil der Erklärung: Du willst eine große Masse in Bewegung versetzen, sie also beschleunigen. Das braucht natürlich mehr Kraft als bei einem dünnen Reclam-Heft.

Unter Kraft versteht man in der Physik das Produkt aus der Masse und der Beschleunigung. Die Formel dafür lautet:

Kraft = Masse x Beschleunigung (Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung)

Je mehr Masse du beschleunigen willst, desto mehr Kraft brauchst du also. Einen LKW anzuschieben fällt deshalb viel schwerer, als ein Spielzeugauto in Bewegung zu versetzen.

Diese Formel würde in einer sehr vereinfachten Physik-Welt zum Rechnen ausreichen. Die Realität macht aber einen Strich durch die Rechnung. Es gibt nämlich etwas sehr Unangenehmes für Physiker:

2. Die Haftung

Haftung verhindert, dass ein Gegenstand auf der Oberfläche eines anderen gleitet, wenn er von der Seite angeschoben wird. Gäbe es keine Haftreibung, könntest du dich beim Laufen nicht vom Boden abstoßen. Ein geparktes Auto würde vom Wind einfach weggeblasen.

Die Haftreibung hängt sehr von den Materialeigenschaften und von der Struktur der Oberflächen ab. Während ein Schlitten auf Schnee ganz einfach ins Rutschen kommt, bleibt er auf Asphalt oder Gras stehen. Die Haftreibung ist zu groß.

Als Faustregel gilt: Je rauer eine Oberfläche ist, desto größer ist die Haftreibung. Es gibt aber keine einfach physikalische Formel, mit der man die Haftreibung ganz allgemein für jeden Fall berechnen kann. Das macht sie für Physiker so verflixt kompliziert. Oft (und besonders in der Schulphysik) tut man deshalb so, als ob es die Haftreibung nicht gäbe. Das führt zwar zu nicht ganz richtigen Berechnungen, die aber meist noch ausreichen. Was für das Schieben von Gegenständen gilt, ist noch relativ einfach zu beschreiben.

Die Haftreibungskraft ist gleich der Gewichtskraft (das ist die Kraft, die das Buch mit seinem Gewicht und durch die Beschleunigung der Erdanziehung immer auf den Tisch ausübt) mal einer ganz bestimmten Zahl, die für jedes Material anders ist. Als Formel ausgedrückt:

Haftreibungskraft = Gewichtskraft x Spezial-Faktor

In deinem Fall wäre das also dein persönlicher „Tisch-Faktor“. Dieser Faktor wird auch Haftreibungszahl genannt. Es gibt Tabellen, in denen man diese Zahlen für einige Oberflächen nachlesen kann. Wenn du immer dieselbe Oberfläche nimmst, hängt die Haftreibungskraft davon ab, wie viel Masse (und dadurch Gewichtskraft) das Buch hat.

Erst wenn die zum Schieben aufgewendete Kraft größer ist als die maximale Haftkraft, kommt das Buch ins Gleiten. Ist das Buch einmal in Bewegung, braucht man nicht mehr so viel Kraft aufzuwenden, denn dann ist die Haftreibung überwunden. Jetzt muss man nur noch die Gleitreibung überwinden, und die ist in der Regel kleiner als die Haftreibung. Auch sie bremst die Bewegung etwas ab.

Auf dieser Internetseite gibt es eine Animation, bei der man auf zwei Kraftmessern beobachten kann, wie viel Kraft zum Bewegen des Gegenstandes aufgewendet werden muss:
http://www.leifiphysik.de/web_ph07_g8/umwelt_technik/09reibung/reibungskraft.htm

Das Physiker-Team der IJF: Annika Schirmer, Mirjam Falge, Michael Völker

Warum haben nicht alle Pflanzenblätter den Lotuseffekt? Das wäre doch praktisch!

Ja, das wäre wohl praktisch. Tatsächlich haben aber die wenigsten Pflanzen den Lotuseffekt.

Alle höheren Pflanzen haben auf ihrer Außenhaut (Epidermis mit Kutikula) eine aufgelagerte Schicht aus Wachsen. Diese Wachse sind bei allen Pflanzenarten aus unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzt und haben dadurch individuelle physikalisch-chemische Eigenschaften.

Die Kutikula mit den auf- und eingelagerten Wachsen hat unterschiedliche Funktionen. Die wichtigste ist wohl der Transpirationsschutz. Die Kutikula „dichtet“ den pflanzlichen Organismus ab, damit die Pflanze nicht zu viel und nur kontrolliert über die Spaltöffnungen Wasser verliert. Außerdem wirkt sie als Barriere gegen alle möglichen Krankheitserreger oder pflanzenfressende Insekten.

Man vermutet weitere Funktionen der kutikulären Wachse darin, dass bestimmte Wachskomponenten sich besonders stabil in einer bestimmten Umgebung verhalten oder durch ihre physikalischen Eigenschaften einem bestimmten Zweck dienen (z.B. in einer Kanne der fleischfressenden Kannenpflanze dafür sorgen, dass die Insekten "abrutschen" und nicht mehr hinaus gelangen).

Für so einen speziellen Zweck und eine Barrierefunktion ist auch der Lotuseffekt ein Beispiel: Die Wachskristalle bewirken, dass Wasser abperlt, aber auch Schmutz und Krankheitserreger.

Der Lotuseffekt ist aber sehr aufwändig für die Pflanzen. Für die epikutikulären Wachskristalle, die den Lotuseffekt bewirken, wird eine vielfach größere Wachsmenge benötigt als für Wachsauflagen ohne Kristalle. Außerdem sind die zerbrechlichen Kristalle unter natürlichen Umweltbedingungen nicht stabil, sondern müssen permanent nachgebildet werden, damit sie ihre Funktion erhalten können.

Die Herstellung des Lotuseffekts kostet die Pflanze also viel Energie. Häufig ist das Vorkommen des Lotuseffekts daher auf bestimmte Pflanzenteile (Beispiel Pflaume: bei der Frucht ja, bei den Blättern nein) oder bestimmte Entwicklungsstadien (vor allem junge Stängel und Blätter) beschränkt.

Welche Eigenschaften der pflanzlichen Haut sich im Laufe der Evolution als erfolgreich für das Überleben einer Pflanzenart herausgestellt haben, kann unterschiedlich sein, da die Bedingungen an die die Pflanzen sich angepasst haben unterschiedlich sind. Deshalb bewirken die kutikulären Wachse nicht bei allen Pflanzen und auf allen Pflanzenteilen den Lotuseffekt, sondern haben genau die Eigenschaften, die in ihrer jeweiligen Umgebung die lebensnotwendigsten Funktionen erfüllen.

Die Pflanzen ohne Lotus-Effekt haben also offensichtlich andere Eigenschaften und Mechanismen entwickelt, wie sie sich gegen Verschmutzung und Infektion schützen können.

Eva Reisberg und Prof. Dr. Markus Riederer
Universität Würzburg, Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften

Was kann man eigentlich alles mit einem Chemiestudium machen? Welche Arbeitsbereiche stehen einem offen?

Die Berufsmöglichkeiten nach einem Chemiestudium sind äußerst vielfältig. Das hängt damit zusammen, dass man als Chemiker/Chemikerin nicht nur ein umfangreiches naturwissenschaftliches Wissen erwirbt, sondern auch lernt, logisch-analytisch zu denken. Das ist in vielen Unternehmensbereichen gefragt, nicht nur in der Forschung und Entwicklung.

Welche Berufsfelder einem nach dem Studium offen stehen, hängt aber auch davon ab, wie man die eigenen Schwerpunkte setzt - sowohl im Studium selbst, was man zum Teil schon durch die Wahl der Hochschule und durch die Art des Abschlusses bestimmt, wie auch durch die Praktika, die man auf jeden Fall zusätzlich zum Studium absolvieren sollte. Frühzeitige Kontakte zu Industrie und Forschung sind immer wichtig!

Ziel eines Bachelorstudiums Chemie ist laut Studienführern, „die Vermittlung wissenschaftlicher Fachkenntnisse einschließlich der entsprechenden Methoden und praktischen Fertigkeiten im Bereich der Chemie“. Das Studium führt zu einem ersten berufsqualifizierenden Abschluss, dem Bachelor of Science (B.Sc.).

Dieser Abschluss befähigt für verschiedene Aufgaben in Forschung und Entwicklung in typischen Unternehmen der chemischen Industrie, insbesondere auch für Tätigkeiten in mittelständischen Unternehmen. Außerdem qualifiziert der Bachelor-Abschluss für weiterführende chemienahe Master- oder Promotionsstudiengänge.

Prinzipiell stehen Chemikern nach ihrem Studium folgende Berufsfelder offen:

  • Akademische Karriere (dazu braucht es in jedem Fall eine Promotion)
  • Chemische Industrie: Forschungsabteilung, Produktion, Produktentwicklung und  Verfahrenstechnik
  • Chemische Analytik: Umweltschutz
  • Marketing
  • Patentwesen
  • Dokumentation in Betrieben
  • Öffentlichkeitsarbeit
  • Unternehmensberatung
  • Unternehmen der Pharma-, Kosmetik-, Nahrungsmittel-, Auto-, Elektro- und Baustoffindustrie sowie der Metallerzeugung und -verarbeitung Wirtschaftsberatung, Energiewirtschaft, Versicherungswesen, Wasserversorgung, Holzverarbeitung und Papierherstellung
  • Bundes- und Landesbehörden sowie kommunale Ämter beschäftigen Chemiker vor allem in den Bereichen Umweltschutz, Überwachung, Genehmigung und Versorgung.
  • Fachbuchverlage
  • Gründung einer eigenen Firma mit erworbenen Spezialwissen

Die Berufsfelder stehen natürlich sowohl Bachelor- als auch Masterstudenten offen. In der Praxis ist es aber oft so, dass Arbeitgeber Masterabsolventen den Bachelorabsolventen vorziehen. Manchmal werden auch Chemisch-technische Assistenten (CTAs) gegenüber den Bachelorabsolventen bevorzugt, mit dem Argument,  CTAs seien besser praktisch ausgebildet. Prinzipiell ist es daher immer gut, im Fach Chemie dem Bachelor- ein Masterstudium und unter Umständen auch eine Promotion folgen zu lassen.

Dipl.-chem. Thomas Ruhland, Macromolecular Chemistry II,  University of Bayreuth,
und der Vorstand der Chemiker Spaß Gemeinschaft (CSG) e.V., dem Alumniverein der Universität Bayreuth

Was versteht man unter Zukunftstechnologien?

Zukunftstechnologien sind Forschungsrichtungen, die ein großes Potenzial für neue Entwicklungen beinhalten. Von ihnen sind daher bahnbrechende Entwicklungsschübe zu erwarten, die unser Leben – ob Wirtschaft, Gesellschaft, Umwelt oder Gesundheit – auf Dauer entscheidend beeinflussen werden.

Zu den Zukunftstechnologien gehören beispielsweise Nanotechnologie, Biotechnologie, künstliche Intelligenz, regenerative Energiegewinnung, Mikro- und Nanoelektronik, Photonik, Materialtechnologien, Robotik oder Medizintechnik.

Zukunftstechnologien eröffnen also zahlreiche Chancen für die Gestaltung einer lebenswerten Welt von morgen. Sie beinhalten aber auch Fragen und möglicherweise Risiken, derer wir uns bewusst sein und denen wir uns rechtzeitig stellen müssen.

Ruth Jesse, Diplom-Biologin,
Wissenschaftliche Referentin der Initiative Junge Forscherinnen und Forscher e.V.

Müssen Nanoteilchen immer künstlich hergestellt werden oder kommen sie auch natürlich vor?

Wenn ein Teilchen die Bezeichnung „Nano“ trägt, sagt das zunächst nur etwas über seine Größe aus: Nanoteilchen oder -partikel sind zwischen einem und hundert Nanometern groß und bestehen aus wenigen bis mehreren tausend Atomen oder Molekülen.

Auch ohne Zutun des Menschen kommen sie natürlicherweise in der Umwelt vor. Sie entstehen seit jeher als ultrafeine Stäube bei Vulkanausbrüchen, Waldbränden oder durch die aufschäumende Gischt der Meere. Sie kommen in Lebensmitteln vor, etwa als nanoskalige Eiweiße und Fette in der Milch und im Hühnerei. Sie sind natürlicher Bestandteil von Böden, Sedimenten und Gewässern, etwa in Form von Eisenhydroxid-Nanopartikeln, Nanomineralien oder Huminsäuren.

Daneben gibt es Nanopartikel, die ungewollt von Menschen verursacht werden: beispielsweise durch Autoabgase, Abrieb von Autoreifen, Sprays, Braten oder Rauchen.

Wenn von Nanopartikeln in Zusammenhang mit Nanotechnologie die Rede ist, sind aber immer gezielt hergestellte und damit künstliche Partikel gemeint. Sie kommen sowohl als Strukturen auf Festkörpern vor (als fest verbundene Beschichtungen), wie auch als in Flüssigkeiten suspendierte Teilchen (etwa in Kosmetika).

Um herauszufinden, ob und wie sich diese Teilchen auf die Umwelt auswirken und um möglichen Risiken rechtzeitig vorzubeugen, wird seit Beginn der nanotechnologischen Forschung und Entwicklung parallel dazu Nano-Risikoforschung betrieben. In Deutschland fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung zusammen mit der Industrie dazu mehrere Projekte. Die Ergebnisse werden im Internetforum www.nanopartikel.info veröffentlicht.

Annika Schirmer, Diplom-Physikerin
Wissenschaftliche Referentin der Initiative Junge Forscherinnen und Forscher e.V.

Gehört auch Bionik zu den Zukunftstechnologien?

Bionik (im Englischen biomimetics oder biomimicry) ist keine Technologie, sondern eine wissenschaftliche Methode, die Biologie und Technik verbindet – und die in verschiedenen Zukunftstechnologien zum Einsatz kommt. Bei Bionik geht es darum, den Ideenreichtum der Natur zu nutzen, um Anwendungen für technische Probleme zu entwickeln.

Geprägt wurde der Begriff 1960 auf einem Kongress vom amerikanischen Luftwaffenmajor J. E. Steele. Als einer der Begründer der Bionik in Deutschland gilt der Zoologe und Biologe Werner Nachtigall.

Angewendet wird die Bionik heute in verschiedenen Wissenschaften, beispielsweise in der Nanotechnologie, der Informatik, den Materialwissenschaften, der Robotik, der Informatik, den Wirtschaftswissenschaften und etlichen mehr.

Ein paar Beispiele: Oberflächen, die nach dem Prinzip des Lotusblattes beschichtet werden, verschmutzen nicht so rasch und lassen sich leichter reinigen. Künstliche Haifischhaut verringert die Reibung eines Körpers im Wasser genauso wie in der Luft. Dadurch kann der Treibstoffverbrauch im Schiffs- wie Luftverkehr gesenkt werden. Auch U-Boote, die wie ein Pinguinkörper oder Autos, die wie Kofferfische geformt sind, benötigen weniger Antriebsenergie.

Aber nicht nur Naturwissenschaftler und Ingenieure lassen sich von der Natur anregen. In der Wirtschaftsbionik geht es darum, aus Organisationsprinzipien der Natur Anregungen für das Management komplexer Unternehmensstrukturen  zu gewinnen und für das soziale Miteinander zu lernen.  Die Datenbionik lernt Informationsverarbeitung von der Natur. So können zum Beispiel naturinspirierte Verkehrssteuerungssysteme entwickelt werden.

Ruth Jesse, Diplom-Biologin
Wissenschaftliche Referentin Initiative Junge Forscherinnen und Forscher e.V.