ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ ΚΑΙ ΕΝΑΙΩΡΗΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ ΚΑΙ ΕΝΑΙΩΡΗΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕΡΟΣ Ι: ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ Ποια είναι η πιο σημαντική διαφορά ανάμεσα στις δύο φωτογραφίες (δεξιά), οι οποίες απεικονίζουν το Μανχάταν και τη Γόρτυνα (Σχήμα 1); (Η Γόρτυνα είνια μια από τις αρχαίες πόλεις της Κρήτης). Η απάντηση στο ερώτημα εξαρτάται από το ποιος τη δίνει. Πάντως, αυτό που όλοι θα παρατηρήσουν είναι ότι η Νέα Υόρκη κατοικείται ακόμα και συντηρείται από τους κατοίκους της. Από την άλλη, η Γόρτυνα είναι 42 η Λεωφόρος στο Μανχάταν Γόρτυνα Η αρχαία πόλη στη Κρήτη - Ελλάδα κατεστραμμένη, καθώς δεν έχει wiki/μανχάταν συντηρηθεί εδώ και αιώνες. Αν και Σχήμα 1 το Μανχάταν αφηνόταν μόνο του για 1000 χρόνια θα έμοιαζε πολύ στην Γόρτυνα από πολλές απόψεις (Σχήμα 1) Η κατάσταση αυτή είναι λίγο πολύ ίδια με αυτή που έχουμε στα δωμάτια μας. Πρέπει να κάνετε δουλειές για να τα διατηρήσετε καθαρά. Πρέπει να καθαρίσετε το χάος, να βάλετε τα πράγματα στη θέση τους, να βάλετε τα ρούχα στη ντουλάπα κτλ. Πρέπει να κάνετε πολλή δουλειά! Αν όμως ξεχάσετε να καθαρίσετε το δωμάτιο σας, δηλαδή δεν κάνετε καμία δουλειά, να φανταστείτε πώς θα είναι το δωμάτιο σας; (Σχήμα 2), μπορείτε Καλή δουλειά! Τι χάος! 1

2 Σχήμα-2 Πώς γίνεται να διατηρούμε την τάξη χρησιμοποιώντας τα πράγματα; Τρώγοντας, πίνοντας, ανασαίνοντας και (στην περίπτωση των φυτών) αφομοιώνοντας. Η ενέργεια που δίνουν οι θρεπτικές ουσίες είναι απαραίτητη για τη διατήρηση ενός οργανισμού. Στα συστήματα φυσικών διεργασιών, να προσπαθείτε πάντα να ελαχιστοποιείτε την ενέργεια τους ώστε να είναι πιο σταθερά. Ένας τρόπος να το πετύχετε αυτό είναι να αυξήσετε την αταξία. Πάντως, υπάρχουν πολλοί τρόποι να ελαχιστοποιήσετε την ενέργεια. Για να μπορούν να είναι πιο σταθερά με τη λιγότερη δυνατή ενέργεια, εκτός από τα ευγενή μέταλλα (Au, Pt), όλα τα μέταλλα υπάρχουν σε ενώσεις οξειδίων στη φύση με τη μορφή ορυκτών. Έτσι, ο σίδηρος δε μπορεί να υπάρχει σε μεταλλική μορφή στη φύση. Ο σίδηρος υπάρχει σε εξορύξεις μεταλλευμάτων στο φλοιό της γης. Το μετάλλευμα περνάει από επεξεργασία και παράγει μεταλλικό σίδηρο και νανοσωματίδια σιδήρου (Σχήμα 3). Αιματίτης (Fe 2 O 3 ) του Μίσιγκαν Μεταλλικός Σίδηρος nd_1cm3_cube.jpg Πούδρα σιδήρου Νανοσωματίδιο σιδήρου επικαλυμμένο με άνθρακα σε σταθερή ατμόσφαιρα (αριστερά) και εικόνα TEM (μικροσκοπία με εκπομπή ηλεκτρονίων) του ίδιου υλικού (δεξιά) M Σχήμα 3 Δραστηριότητα-1: Τα υλικά που χρειάζεστε για αυτή τη δραστηριότητα είναι: 3 καρφιά από σίδηρο, 3 γυάλινα βάζα, νερό, αλάτι, μαγειρική σόδα. Αρχικά, πρέπει να ετοιμάσετε υψηλής περιεκτικότητας διαλύματα από αλατισμένο νερό και μαγειρική σόδα. Πάρτε δύο γυάλινα βάζα και βάλτε μέσα λίγο νερό (περίπου ml)και στο ένα βάλτε όσο περισσότερο αλάτι και στο άλλο όσο περισσότερη σόδα μπορείτε. Βάλτε την ίδια ποσότητα νερού στο τρίτο βάζο. Τώρα, έχετε τρία βάζα που περιέχουν νερό, διάλυμα αλατιού και διάλυμα σόδας. Βάλτε από ένα καρφί σε κάθε βάζο και κλείστε ώστε να αποφύγετε την εξάτμιση. Περιμένετε 1-2 μέρες και δείτε τι θα 2

3 συμβεί. Αν έχετε υπομονή περιμένετε περισσότερο. Μην ξεχνάτε να ελέγχετε τα καρφιά και την ποσότητα των διαλυμάτων κάθε μέρα. Σημειώνετε τις αλλαγές. Η Γη αποτελείται από 31,9% σίδηρο και ενώσεις του. Ο πυρήνας της γης σχηματίζεται από σίδηρο κατά 85%. Ο εσωτερικός πυρήνας πιστεύεται ότι είναι στερεός και αποτελείται από Fe και Ni λόγω της υψηλής πίεσης. Ο εξωτερικός πυρήνας σχηματίζεται από Fe, Ni, S και O και έχει υγρή μορφή. Αφού ο πυρήνας αποτελείται κυρίως από Fe, επηρεάζει το μαγνητικό πεδίο της Γης. Ο σίδηρος είναι σημαντικό στοιχείο και για τα βιολογικά συστήματα. Τα άτομα Fe στην αιμοσφαιρίνη και τη μυοσφαιρίνη βοηθούν στη μεταφορά οξυγόνου στο αίμα μας σχηματίζοντας συμπλέγματα. Στα φυτά και τα ζώα ο Fe χρησιμοποιείται στην κυτταρική αναπνοή και τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Ο καθαρός σίδηρος ( 26 Fe) είναι ένα μαλακό μέταλλο το οποίο έχει μαγνητικές ιδιότητες. Μπορεί να μαγνητιστεί εύκολα και να σχηματίσει ηλεκτρομαγνήτες. Δραστηριότητα-2: Κορίτσια, η δραστηριότητα αυτή είναι μόνο για εσάς! Αγοράστε ένα μαγνητικό βερνίκι νυχιών από ένα κατάστημα καλλυντικών και διασκεδάστε! Το βερνίκι περιέχει πούδρα σιδήρου και με τη βοήθεια ενός μαγνήτη μπορείτε να φτιάξετε διαφορετικά σχήματα στα νύχια σας ανάλογα με το μαγνήτη που θα χρησιμοποιήσετε. Με το δικό μου βερνίκι έφτιαξα σχήματα που έμοιαζαν με αστέρια. Καλή διασκέδαση! (Σχήμα-4) Σχήμα-4 Ένα από τα πιο κοινά προϊόντα σιδήρου είναι ο χάλυβας. Καθώς ο σίδηρος είναι πολύ μαλακός για επεξεργασία, αναμιγνύεται με άνθρακα για να σκληρύνει. Όταν ο σίδηρος αναμιγνύεται με άνθρακα (λιγότερο από 2%), το κράμα που παράγεται ονομάζεται χάλυβας. Ο χάλυβας είναι πιο σκληρός και έχει μεγαλύτερη αντίσταση από το σίδηρο, και για τις ιδιότητες του αυτές έχει ευρεία χρήση στη βιομηχανία. Αν έχει περιεκτικότητα περισσότερο από 2% σε άνθρακα, το κράμα ονομάζεται χυτοσίδηρος και είναι πολύ ευαίσθητος για να τον επεξεργαστούμε. 3

4 Ο χάλυβας έχει μαγνητικές ιδιότητες, αφού περιέχει σίδηρο. Κάνει περισσότερο χρόνο να μαγνητιστεί από το σίδηρο, οι μαγνητικές του ιδιότητες όμως διαρκούν περισσότερο. Για το λόγο αυτό ο χάλυβας χρησιμοποιείται για να παρασκευαστούν μόνιμοι μαγνήτες. Το μειονέκτημα του χάλυβα είναι η ικανότητα του να οξειδώνεται όπως ο σίδηρος. Η ιδιότητα του αυτή δεν του επιτρέπει να χρησιμοποιείται σε πολλούς τομείς της βιομηχανίας. Για να περιοριστεί η οξείδωση του, αναμιγνύεται με 10-30% χρώμιο και σχηματίζει το ανοξείδωτο ατσάλι. Η αντίσταση που έχει το ανοξείδωτο ατσάλι στη διάβρωση και τον αποχρωματισμό το κάνει ιδανικό υλικό σχεδόν σε κάθε τομέα. Χρησιμοποιείται σε σκεύη κουζίνας, συσκευές, χειρουργικά εργαλεία, βιομηχανικές κατασκευές, βιομηχανία αυτοκινήτων και αεροπλάνων, δοχεία αποθήκευσης, δοχεία μεταφοράς τροφίμων (κυρίως υγρών), χρηματοκιβώτια, κοσμήματα, ρολόγια κτλ. (Σχήματα 5 και 6) Σχήμα-5 Το κτήριο Atomium στις Βρυξέλλες Ανοξείδωτο σύρμα κουζίνας ml Νανοσωματίδια σιδήρου: Ανοξείδωτο ρολόι Σχήμα-6 Ανοξείδωτοι σωλήνες Όταν εφαρμόζεται διαδικασία εξάτμισης με laser σε σίδηρο υψηλής καθαρότητας, το προϊόν που παράγεται είναι νανοπούδρα σιδήρου (νανοσωματίδια). Όπως αναφέρεται στο πείραμα Κατανοώντας τη Νανοκλίμακα (πείραμα 1), τα σωματίδια μεγέθους νάνο έχουν διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες από τα χύμα υλικά. Η πούδρα σιδήρου ή ο ίδιος ο σίδηρος μπορούν να οξειδωθούν με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας και να σχηματίσουν σκουριά. Η αντίδραση αυτή είναι βραδείας καύσης χωρίς φλόγα να προσπαθεί να θερμάνει και να κάψει το περιβάλλον υλικό. Διαφορετικά, μπορείτε να φανταστείτε τι θα έκανε η πυροσβεστική όταν θα σκούριαζαν όλα τα σιδερένια αντικείμενα; Θα 4

5 ήταν πραγματικός εφιάλτης να προσπαθούν να σβήσουν τη φωτιά από παντού και κάθε στιγμή. Τα νανοσωματίδα σιδήρου οξειδώνονται επίσης, το εμβαδό επιφανείας τους όμως είναι μεγάλο και η αντιδραστικότητα τους μεγιστοποιείται. Για αυτό το λόγο η οξείδωση των νανοσωματιδίων σιδήρου έχει πολλές φλόγες και θερμότητα. Συνήθως, τα νανοσωματίδια σιδήρου γίνονται παθητικά και σχηματίζουν οξείδια των νανοσωματιδίων σιδήρου πριν μεταφερθούν. Δραστηριότητα-3: Δείτε το video για τα νανοσωματίδια σιδήρου. Εναιώρημα μαγνητικών νανοσωματιδίων: Τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι εναιωρήματα μικρών μαγνητικών σωματιδίων με διάμετρο σχεδόν 10 nm σε ισχυρούς ρευστούς φορείς. Η σύνθεση τους είναι συνήθως 5% μαγνητικά στερεά, 10% επιφανειοδραστική ουσία και 85% κομιστή, σε όγκο. Οι επιφανειοδραστικές ουσίες είναι διαλύματα όπως το ολεικό οξύ, το κιτρικό οξύ και η λεκιθίνη σόγιας. Η επιφανειοδραστική ουσία εμποδίζει τα σωματίδια μαγνήτη από συσσώρευση. Ο υγρός κομιστής είναι συνήθως η κηροζίνη (Σχήμα 7) Σχήμα-7 Ferrofluid ( Τα σωματίδια έχουν μόνο ένα μοναδικό μαγνητικό πεδίο και μπορούν να θεωρηθούν θερμικά διεγειρόμενοι μόνιμοι μαγνήτες σε υγρό κομιστή. Οι ιδιότητες τους περιγράφονται και το κύριο πλεονέκτημα ενός μαγνητικού υγρού είναι ο συνδυασμός των ιδιοτήτων του υγρού και του μαγνήτη που επιτρέπει τον έλεγχο της θέσης του υγρού με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου. Τα εναιωρήματα νανοσωματιδίων σιδήρου βρίσκονται στο εμπόριο εδώ και περισσότερες από τέσσερεις δεκαετίες, με εφαρμογές σε δύσκολες σφραγίσεις, λίπανση, μεταφορά θερμότητας και προβλήματα υγρασίας. Οι νέες τους εφαρμογές εντοπίζονται στη βιοιατρική, με τα τελευταία χρόνια να αυξάνεται η χρήση τους και ο συνδυασμός των μαγνητικών νανοσωματιδίων (MNP) με τις ραδιοσυχνότητες (RF) ή τα μικροκύματα(mw) ηλεκτρομαγνητικού πεδίου (EMF). Σήμερα, τα MNP, ως μαγνητίτης (Fe3O4) ή μαγεμίτης (γ- Fe2O3), χρησιμοποιούνται ευρύτατα ως σκιαγραφικά για να αυξήσουν την ευαισθησία κάποιων διαγνωστικών τεχνικών, όπως είναι η μαγνητική τομογραφία. 5

6 Δραστηριότητα -4 Δείτε το video για τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων Τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην τέχνη. Η Sachiko Kodama έχει κατασκευάσει ένα ειδικό συντριβάνι για την τέχνη της που ονομάζεται Morpho Towers ( ) Το Αυστραλιανό συγκρότημα Pendulum χρησιμοποίησε νανοσωματίδια σιδήρου στο video clip τους για το τραγούδι Watercolour ( ). Isis, το συγκρότημα metal από τις ΗΠΑ τα χρησιμοποίησε στο video με την ονομασία 20 minutes 40 years ( ). References: 36&tbm=isch&tbnid=DccgW2I85DiqmM:&imgrefurl= m%25c3%25bczekart/m%25c3%25bczekart-ile-gezipg%25c3%25b6rebilecekleriniz-efes-antikkenti/ &docid=aglds7h0vjbn0m&imgurl= et/hphotosash4/s720x720/419708_ _ _n.jpg&w=720&h=560&ei=zlh TT6n0LqbP4QT_1rGtAw&zoom=1&iact=hc&vpx=998&vpy=2&dur=307&hovh=198&ho vw=255&tx=155&ty=46&sig= &page=6&tbnh=147&tbnw=19 5&ndsp=24&ved=1t:429,r:10,s:115,i: ΜΕΡΟΣ ΙΙ: ΕΛΕΓΞΤΕ ΤΙΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΣΑΣ A-Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. 1- Στα συστήματα φυσικών διεργασιών, να προσπαθείτε πάντα να...την ενέργεια τους ώστε να είναι πιο σταθερά. 2- Ένα από τα πιο κοινά προϊόντα του σιδήρου είναι Η πούδρα σιδήρου ή ο ίδιος ο σίδηρος μπορεί να...με το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα και να σχηματίσουν Τα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων είναι εναιωρήματα μικρών σωματιδίων με διάμετρο σχεδόν..nm σε ισχυρούς ρευστούς φορείς. B-Απαντήστε με (Σ) Σωστό ή (Λ) Λάθος 6

7 ( ) 1- Τα σωματίδια στα εναιωρήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων έχουν ένα μοναδικό μαγνητικό πεδίο ( ) 2- Λόγω της παρουσίας σιδήρου στο χάλυβα, θεωρείται ότι έχει μαγνητικές ιδιότητες ( ) 3- Ο σίδηρος είναι ένα στοιχείο που είναι εξίσου σημαντικό για τα βιολογικά συστήματα ( ) 4. Η οξείδωση των νανοσωματιδίων σιδήρου γίνεται με πολλές φλόγες και θερμότητα 7