Du siehst drei Holzproben, die sich unter sehr unterschiedlichen Bedingungen verändert haben und teilweise erstaunlich gut erhalten geblieben sind.

Die erste Probe stammt von einem frischen Haselnussstrauch. Unter dem Lichtmikroskop ist seine klar strukturierte Zellarchitektur gut erkennbar. Die Zellarchitektur sorgt bei der lebenden Pflanze für die Versorgung mit Wasser und Nährstoffen und verleiht dem Holz Stabilität.

Die zweite Probe eines Haselnussstrauchs war bei wärmeren Temperaturen über einen Zeitraum von etwa vier Jahren Feuchtigkeit und Sauerstoff ausgesetzt. Durch biologische und chemische Abbauprozesse beginnt die Zellstruktur langsam zu zerfallen – ein natürlicher Vorgang, der die ursprüngliche Struktur des Holzes zerstört.

Die dritte Probe ist etwa 13.000 Jahre alt, wie wissenschaftliche Analysen mittels Radiokarbondatierung ergaben. Dieses Kiefernholz wurde 8 Meter unter dem Boden in einer homogenen Lehmschicht gefunden. Sie wurde also bei niedrigen Temperaturen, konstanter Luftfeuchtigkeit und ohne Sauerstoff gelagert. Diese Bedingungen verlangsamen den Abbau stark, sodass die mikroskopische Struktur des Holzes bis heute erkennbar ist.

Auch Pfähle von Pfahlbauten bleiben über einen langen Zeitraum gut erhalten, weil sie unter Wasser liegen und dadurch niedrigen Temperaturen und sehr wenig Sauerstoff ausgesetzt sind.

Mithilfe von Licht- und Rasterelektronenmikroskopie lassen sich diese Unterschiede sichtbar machen und erzählen eine Geschichte vom Wandel über die Zeit.

Bronze, Eisen und Stahl haben den Menschen in verschiedenen Zeitaltern die Herstellung von immer besser werdenden Werkzeugen und Waffen erlaubt. Du siehst hier drei verschiedene Metalllegierungen, die mit einem angespitzten Gewicht beschädigt wurden, das aus gleicher Höhe auf die Probe gefallen ist.

Schon mit blossem Auge wird die unterschiedliche Härte der Proben deutlich. Das Gewicht hinterlässt auf der Bronzeplatte eine weitaus grössere Delle als auf der Eisen- oder Stahlplatte. Unter dem Rasterelektronenmikroskop sind die Unterschiede zwischen den Metallen noch detaillierter sichtbar.

Die verschiedenen Eigenschaften von Bronze, Eisen und Stahl, bedeuteten für die Menschheit einen grossen Unterschied.

Kupfer war das erste Metall, aus dem Menschen Werkzeuge hergestellt haben. Es ist aber recht weich und die Werkzeuge waren darum nicht lange nutzbar. Bronze, dass aus einer Mischung (Legierung) von Kupfer und einem anderen Metall (meistens Zinn, aber auch Arsen) besteht, ist bereits deutlich härter. Die Erfindung von Bronze gibt bis heute der Bronzezeit (in Mitteleuropa ca. 2200-800 v. Chr.) ihren Namen. Aus den Bronze-Metallmischungen konnten die Menschen vielfältige Werkzeuge, Waffen und Schmuck herstellen. Je nach Zusammensetzung lag der Schmelzpunkt der Mischungen bei Temperaturen von 850°C bis 1000°C.

Die Herstellung von Eisen verlangte dagegen weit höhere Temperaturen von etwa 2000°C und war erst möglich, nachdem der Mensch den Hochofen erfunden hatte. Diese Neuerung prägte die Eisenzeit (in Mitteleuropa von etwa 900 v. Chr. bis Ende des 1. Jahrhunderts v. Chr.) und erlaubte die Produktion härterer und langlebigerer Werkzeuge und Waffen.

Wird Eisen mit etwa 2% Kohlenstoff verschmolzen, entsteht Kohlenstoffstahl, der noch widerstandsfähiger ist als reines Eisen.

Die Struktur einer Oberfläche beeinflusst, wie leicht sie sich reinigen lässt und wie gut Partikel oder Mikroorganismen daran haften können. Sie sehen hier die Oberflächen eines unglasierten Tongefässes, von Glas und einer Keramikscheibe aus Zirkoniumdioxid.

In der Antike wurden unglasierte Amphoren aus Ton für die Lagerung und den Transport von Lebensmitteln genutzt. Sie waren recht kostengünstig herzustellen und trugen durch den eingeschränkten Feuchtigkeits- und Luftaustausch zur Haltbarkeit der gelagerten Lebensmittel bei. Die raue Innenfläche liess sich jedoch nur schwer reinigen und bot Mikroorganismen eine günstige Wachstumsgrundlage. Gefässe mit solchen rauen Oberflächen lassen sich daher nur eingeschränkt wiederverwenden.

Glas dagegen besitzt eine sehr glatte Oberfläche, an der Partikel und Mikroorganismen nur schlecht haften. Es wird aus Quarzsand (Siliziumdioxid), Soda (Natriumcarbonat) und Kalk (Calciumcarbonat) hergestellt, die bei 1400°C – 1700°C verschmolzen werden. Glasgefässe sind auch heute noch so erfolgreich, weil sie sich leicht reinigen und wiederverwenden lassen.

Auch in der modernen Forschung spielt die Struktur der Oberfläche eine zentrale Rolle. So wird beispielsweise die Oberfläche von Keramik (Zirkonoxid) für Zahnimplantate gezielt strukturiert und deren Eigenschaften intensiv untersucht. Ziel ist es, durch eine nanostrukturierte Oberfläche Implantate widerstandsfähig und langlebig zu machen. Es sollen Bedingungen geschaffen werden, die ein optimale Integration in den Knochen ermöglichen und gleichzeitig eine Besiedelung durch Bakterien zu einschränken.

Diese Station gibt Einblicke in Prozesse, die beim Abfeuern einer Schusswaffe eine Rolle spielen. Die winzigen Spuren, die dabei entstehen, liefern zahlreiche Informationen, die bei der Aufklärung von Straftaten eine wichtige Rolle spielen.

Schwarzpulver – wie wir es hier sehen – wurde über Jahrhunderte als Treibmittel in Feuerwaffen verwendet. Es besteht aus den drei fein gemahlenen, vermischten Hauptbestandteilen Salpeter (Kaliumnitrat ) als Oxidationsmittel, Holzkohle als Brennstoff und Schwefel als Brennstoff und Zündbeschleuniger. Bei der chemischen Reaktion dieser Mischung entsteht eine grosse Menge an Gas und Wärme, die den Einsatz als Treibmittel für Geschosse ermöglichen.

Anhand der gezeigten Patronenhülse ist sowohl unter dem Lichtmikroskop wie auch auf der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme zu sehen, wie sich das Material beim Abschuss verformt und die Oberfläche beschädigt wird. Auch die Kugel verändert ihre Form beim Abschuss und beim Eindringen in das Holz. Die Spuren auf der Kugel sind spezifisch für jede Schusswaffe. Durch den mikroskopischen Vergleich dieser Spuren kann eine Kugel einer bestimmten Waffe zugeordnet werden. Die Patronenhülse dagegen liefert wertvolle Information über das Kaliber der Waffe und lässt ebenfalls Rückschlüsse auf die verwendete Waffe zu.

Wichtige Hinweise befinden sich auch an der Person, die eine Schusswaffe abgefeuert hat. Die sogenannten Schmauchspuren finden sich an der Waffe, an den Händen oder der Kleidung der Schützin oder des Schützen. Es handelt sich hierbei um winzige Mikropartikel, die bei der Verbrennung von Schiesspulver und Zündsatz entstehen. Sie bestehen aus metallischen Rückständen und chemischen Spurenelementen, aus unverbrannten Pulverresten sowie aus verdampftem Material von Hülse und Geschoss. In der Forensik sind sie von grosser Bedeutung, da sie Hinweise auf Schussentfernung, Munitionstyp und Waffe liefern und so zur Rekonstruktion von Schussereignissen beitragen.

Verschiedene Farben können auf unterschiedliche Weise entstehen – zum Beispiel über die Grösse der Farbpartikel im Nanometerbereich. Anhand der hier gezeigten Beispiele von Gold wird deutlich, wie sich die wahrgenommene Farbe eines Materials allein durch die Partikelgrösse verändert.

Glas kann eingefärbt werden, indem den Rohstoffen Quarzsand, Soda und Kalk nach dem Schmelzen färbende Stoffe beigemischt werden. Welche Farbe wir dann sehen, hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, das unser Auge erreicht. Das menschliche Auge nimmt sichtbares Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 380 Nanometern (Violett) bis 780 Nanometern (Rot) wahr. Farbpartikel absorbieren bestimmte Wellenlängen aus dem Sonnenlicht, andere Wellenlängen werden reflektiert, gestreut oder durchgelassen und erreichen das Auge. Welche Wellenlängen dies sind, hängt unter anderem von der chemischen Zusammensetzung, der Partikelgrösse und den Anregungseigenschaften der Partikel ab.

Bei der ersten Probe aus Blattgold absorbiert die Probe einen Teil des blauen und violetten Lichts (im Bereich 200-500 Nanometer), wodurch das reflektierte Licht rötlich-gelb erscheint – was wir als die typische Farbe von Gold erkennen.
Ein weitaus komplexerer Prozess mit verschiedenen Faktoren wie Absorption, Reflektion und Anregung im Inneren der Atome sorgt dafür, dass wir Gold in der zweiten Probe als Rot wahrnehmen. Die Goldpartikeln in der Flüssigkeit haben eine Grösse von etwa 20 Nanometern. Betrachten wir diese, trifft Licht mit einer Wellenlänge von etwa 690 Nanometern auf das Auge und wir sehen Rot.

Je grösser die Goldpartikel sind, desto grösser ist die absorbierte Wellenlänge. Bei der Flüssigkeit mit Partikeln von etwa 150 Nanometern wirkt die Lösung deshalb rosa.