Τίτλος: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Κατασκευάζοντας ένα Μοντέλο Φουλερενίου Θέματα: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Κατασκευάζοντας ένα Μοντέλο Φουλερενίου

Transcript

1 Τίτλος: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Κατασκευάζοντας ένα Μοντέλο Φουλερενίου Θέματα: ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Κατασκευάζοντας ένα Μοντέλο Φουλερενίου Χρόνος: 90 λεπτά (2 μαθήματα) Ηλικία: Α' Λυκείου χρονών Διαφοροποίηση: Κατευθυντήριες γραμμές, χρήση της τεχνολογίας κλπ: Οι μαθητές που είναι περισσότερο ικανοί καλούνται να υπολογίσουν τις απαραίτητες παραμέτρους. Με τους πιο ικανούς μαθητές, συζητούνται οι παράμετροι της γεωμετρικής δομής του φουλερένιου μορίου Οι μαθητές που ολοκληρώνουν την εργασία τους γρήγορα, καλούνται να εργαστούν στις επιπρόσθετες ασκήσεις που προσφέρονται. Οι μαθητές εργάζονται σε μια συνεχή εργασία. Δίνεται επεξήγηση για το πως φτιάχνεται ένα μοντέλο φουλερενίου. Οι μαθητές καλούνται να συμπληρώσουν τα φύλλα εργασίας της δραστηριότητας ατομικά ή σε ομάδες των 2-3 μαθητών. Κάθε ομάδα καλείται να βρει και να οργανώσει πληροφορίες για τα φουλερένια ως προς μια συγκεκριμένη πτυχή και να παρουσιάσει τις πληροφορίες που έχει συλλέξει. Εξοπλισμός που απαιτείται για αυτή τη δραστηριότητα: Δύο τυπωμένα αντίγραφα του παραρτήματος 1 Ένα τυπωμένο αντίγραφο του παραρτήματος 2. Ψαλίδια για κόψιμο χαρτιού. Κολλητική ταινία (προτιμότερο διαφανές) Φύλλο εργασίας δραστηριότητας. Προαπαιτούμενη γνώση: Έννοιες του ατόμου, ατόμου του άνθρακα. Είδη πολυγώνων, άθροισμα γωνιών πολυγώνου. Υγεία και Ασφάλεια: Ασφαλής χειρισμός ψαλιδιού. Μαθησιακά αποτελέσματα από τη δραστηριότητα: Όλοι Θα μάθουν τα νεότερα παραδείγματα τεχνολογίας. Θα έχουν εξοικειωθεί με τις αρχές της νανοτεχνολογίας - φοθλερένιο Θα είναι σε θέση να φτιάξουν ένα μοντέλο του φουλερένιου μορίου. Θα είναι σε θέση να αναγνωρίζουν τη γεωμετρική δομή του φουλερενίου. Οι περισσότεροι Θα είναι σε θέση να εντοπίζουν, να συστήματοποιούν και να παρουσιάζουν πληροφορίες για τα μόρια φουλερενίου.. Θα είναι σε θέση να περιγράφουν τη γεωμετρική δομή του φουλερενίου. Μερικοί Θα είναι σε θέση να υπολογίζουν τις γεωμετρικές παραμέτρους του φουλερενίου. μορίου. Θα γνωρίζουν και θα είναι σε θέση να περιγράψουν τις εφαρμογές του φουλερενίου. στο παρόν και στο μέλλον.

2 Κύρια Δραστηριότητα Οι μαθητές αρχίζουν να εργάζονται στο φύλλο εργασίας ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΖΟΝΤΑΣ ΕΝΑ ΜΟΝΤΕΛΟ ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΟΥ. Φουλερένιο ένα μόριο που αποτελείται εξολοκλήρου από άτομα του άνθρακα, μπορεί να έχει σχήμα σφαίρας, ελλειψοειδές ή ενός σωλήνα (νανοσωλήνα). Η δομή του είναι παρόμοια με του γραφίτη αλλά μπορεί επίσης να έχει πενταγωνική ή οκταγωνικά μάτια. Το όνομα του προέρχεται από το όνομα του μηχανικού Buckminster Fuller, ο οποίος σχεδίαζε παρόμοιες γεωδαιτικές κατασκευές. Τα φουλερένια είναι η τρίτη μορφοποίηση του άνθρακα μετά το γραφίτη και το διαμάντι. Αυτά είναι μόρια, που σχηματίζονται εξολοκλήρου από τον άνθρακα (ο αριθμός των ατόμων δεν πρέπει να είναι μικρότερος από είκοσι, πρέπει να είναι ζυγός αριθμός, ακόμη και αν έχει τη μορφή σφαίρας, ελλειψοειδής μορφή, μορφή του σωλήνα ή επίπεδη. Τα σφαιρικά φουλερένια αναφέρονται επίσης ως buckyballs, και η κυλινδρική μορφή αναφέρεται ως νανοσωλήνας άνθρακας ή buckytubes. Δείτε περισσότερα στο: Δίνεται μια πρακτική επεξήγηση. Πώς φτιάχνουμε ένα μοντέλο φουλερένιου. ποδοσφαίρου. Το μόριο φουλερένιου C60 διανέμεται με τη ίδια μορφή όπως μια μπάλα Έχει 32 επιφάνειες, από τις οποίες οι 20 είναι κανονικά εξάγωνα και 12 πεντάγωνα. Αυτές οι επιφάνειες συνδέονται μεταξύ τους με 60 σημεία (κορυφές). Στα φουλερένια, σε κάθε μία από αυτές τις κορυφές υπάρχει ένα άτομο άνθρακα. Το χάρτινο μοντέλο του φουλερένιο C60 μπορεί να φτιαχτεί εύκολα στην τάξη ή στο σπίτι. Θα αποτελείται από 20 εξάγωνα τα οποία συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε τα 12 πενταγωνικά κενά να είναι στα αριστερά. Διαδικασία εργασίας

3 1. Να τυπώσετε αντίγραφα των σελίδων (δύο αντίγραφα από το Παράρτημα 1 και ένα από το Παράρτημα 2). 2. Να κόψετε τη μια μορφή από την πρώτη σελίδα. 3. Να συνδέσετε με κολλητική ταινία τις έδρες που είναι σημειωμένες με το γράμμα C. 4. Να δώσετε προσοχή ότι έχετε πέντε εξάγωνα γύρω από ένα κενό πεντάγωνο. 5. Να επαναλάβετε την ίδια διαδικασία και με το δεύτερο αντίγραφο. 6. Να κόψετε τη φόρμα από τη δεύτερη σελίδα. Θα πρέπει να έχετε δύο ομοιογενείς λωρίδες (κάθε μία είναι φτιαγμένη από πέντε εξάγωνα). 7. Να χρησιμοποιήσετε την κολλητική ταινία και να συνδέσετε την έδρα της μιας λωρίδας που είναι σημειωμένη με το γράμμα A με την ίδια έδρα από την άλλη λωρίδα. 8. Να κολλήσετε την έδρα που είναι σημειωμένη με το γράμμα B με την άλλη έδρα που είναι σημειωμένη με το ίδιο γράμμα. 9. Να συνδέσετε τα μέρη από την πρώτη σελίδα με το μέρος που έχει μόλις φτιαχτεί. Να συνδέσετε τις ελεύθερες έδρες του εξαγώνου με την κολλητική ταινία όπως παρουσιάζεται. 10. Να αναποδογυρίσετε την κατασκευή σας και να συνδέσετε το άλλο μέρος από την πρώτη σελίδα με τον ίδιο τρόπο. 11. Αυτό είναι όλο! Το μοντέλο C60 βρίσκεται στα χέρια σας! Δραστηριότητα Φύλλου Εργασίας Οι μαθητές καλούνται να εργαστούν στο φύλλο εργασίας ατομικά και να απαντήσουν στις ερωτήσεις. Οι πιο ικανοί μαθητές καλούνται να υπολογίσουν τις απαραίτητες παραμέτρους. Επιπρόσθετες ασκήσεις Οι μαθητές που ολοκληρώνουν την εργασία τους γρήγορα καλούνται να εργαστούν στις επιπρόσθετες ασκήσεις που προσφέρονται. (ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Κατασκευάζοντας ένα Μοντέλο Φουλερένιου). Ολομέλεια Οι μαθητές ερωτούνται για τη διαδικασία που έχουν ακολουθήσει. Καλούνται να συζητήσουν τις απαντήσεις που δόθηκαν στις ερωτήσεις. Με τους πιο χαρισματικούς μαθητές, συζητούνται οι παράμετροι της γεωμετρικής δομής του φουλερένιου μορίου.

4 ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΑ Ο στόχος του μαθήματος. Να εξοικειωθούν με τις αρχές της νανοτεχνολογίας - φουλερένιων. Να εξοικειωθούν με τη δομή του φουλερένιου C60, παρασκευάζοντας ένα μοντέλο του φουλερένιου μορίου. Η Νανοτεχνολογία είναι διεπιστημονική και ένας από τους ταχύτερα αναπτυσσόμενους τομείς της επιστήμης. Αυτή η επιστήμη και η προώθηση της τεχνολογίας ανοίγει καινούριες δυνατότητες για την ανάπτυξη νέων υλικών και συσκευών τα οποία κανείς δε θα μπορούσε καν να τα φανταστεί στο παρελθόν. Δυστυχώς, πολύ λίγοι άνθρωποι γνωρίζουν ότι η ανακάλυψη των φουλερένιων το 1985 που οδήγησε στη νανοτεχνολογία, δεν άνοιξε μόνο νέους τομείς στην επιστήμη αλλά επηρέασε έντονα τη φυσική, τη χημεία και πολλά άλλα επιστημονικά πεδία. (ACS to Honor Discovery of Fullerenes. Azo Nanotechnology, Η ανακάλυψη των Φουλερενίων ήταν τόσο σημαντική που βραβεύτηκε το 1996 με το Βραβείο Νόμπελ. Αυτή η ανακάλυψη ήταν εξαιρετικής σημασίας για τη φυσική, τη χημεία, την πληροφορική και άλλους τομείς της επιστήμης. Τα φουλερένια είναι η τρίτη ανακάλυψη τροποποιημένου άνθρακα μετά το γραφίτη και το διαμάντι. Αυτά είναι μόρια, κατασκευασμένα εξολοκλήρου από άνθρακα (ο αριθμός των ατόμων δεν πρέπει να είναι μικρότερος από είκοσι και απαραίτητα να είναι ζυγός), έχουν σχήμα σφαίρας, ελλειψοειδές ή επίπεδο. Τα σφαιρικά φουλερένια ονομάζονται επίσης και ως buckyballs, και εκείνα που έχουν κυλινδρικό σχήμα αναφέρονται ως άνθρακες νανοσωλήνα ή buckytubes. Τα φουλερένια μοιάζουν με γραφίτη από τη δομή τους, μια άλλη τροποποίηση του άνθρακα η οποία σχηματίζεται όταν συνδέσουμε εξαγωνικούς δακτυλίους αλλά στο εσωτερικό θα πρέπει να έχουν πενταγωνικούς (μερικές φορές επταγωνικούς) δακτυλίους, που αποτρέπουν το χαρτί να γίνει επίπεδο.. Τα άτομα του υδρογόνου και του σιδήρου μπορούν να συνδεθούν με τα φουλερένια σχηματίζοντας μεγάλα και περίπλοκα μόρια. Τα φουλερένια είναι ένας από τους κύριους τομείς των νανοϋλικών μαζί με τα νανοσύνθετα, τα νανοσωματίδια, τα κεραμικά, τους νανοσωλήνες άνθρακα και τις λεπτές στρώσεις. -Δείτε περισσότερα στο:

5 C60 Το πρώτο που ανακαλύφθηκε, το πιο γνωστό και αυτό που έχει διερευνηθεί περισσότερο. Αυτό είναι το πιο στρογγυλοποιημένο και το πιο συμμετρικό μόριο που έχει βρεθεί μέχρι σήμερα. Αποτελείται από 60 άτομα άνθρακα, κάθε ένα είναι τοποθετημένο στο μόριο στις κορυφές δύο εξάγωνων και ενός πενταγώνου. Στο μόριο C60 ο αριθμός των εξαγώνων είναι 20, και των πενταγώνων 12. Κάθε πεντάγωνο είναι συνδεδεμένο μόνο με εξάγωνο και κάθε εξάγωνο έχει τρεις κοινές έδρες με τα εξάγωνα και τρεις με τα πεντάγωνα. Την ίδια δομή έχει μια μπάλα του Ευρωπαϊκού ποδοσφαίρου. Αυτό το μόριο έχει διάμετρο που κυμαίνεται ανάμεσα στο 7-15 Å και πάχος ενός ατόμου άνθρακα. Είναι πολύ σταθερό από τη χημικής και φυσικής πλευράς (δεν αρχίζει να διασπάται μέχρι τους 1000 C). Έχει το μεγαλύτερο όριο τεντώματος από οποιοδήποτε γνωστή δισδιάστατη δομή ή στοιχείο Έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα συσκευασίας από όλες τις γνωστές δομές. Υπό κανονικές συνθήκες δεν είναι βατό για όλα τα στοιχεία. Ακόμα και για το άτομο ηλίου με ενέργεια 5eV. Τα άτομα υδρογόνου και σιδήρου μπορούν να συνδεθούν μαζί του, δημιουργώντας μεγάλα και πολύπλοκα μόρια.

6 Έχει συγκριτικά μικρή κριτική θερμοκρασία (33 K), έχοντας επομένως ιδιότητες υπεραγωγών. Το C60 αποτελείται από κίτρινους κρυστάλλους αλλά όταν διασπάται αλλάζει χρώμα σε βιολετί. - Δείτε περισσότερα στο: Ασκήσεις για το επόμενο μάθημα Να βρείτε και να συστηματοποιήσετε τις πληροφορίες από το διαδίκτυο για τα φουλερένια όσον αφορά τους πιο κάτω τομείς: Πως ανακαλύφθηκαν τα Φουλερένια η ιστορία της ανακάλυψης των φουλερενίων Εξερευνητές οι επιστήμονες που ανακάλυψαν τα φουλερένια (Harold W. Kroto, Robert F. Curl, Richard E. Smalley) Βραβείο Νόμπελ πότε, ποιος και για ποιο λόγο δόθηκε το βραβείο Δεύτερο Βραβείο Νόμπελ - ακόμη ένα σημαντικό βραβείο το οποίο συνδέεται με τα Φουλερένια - το γραφένιο, η ανακάλυψη του και οι δυνατότητες από τη χρήση του Σημασία της Ανακάλυψης ποια είναι τα πλεονεκτήματα της ανακάλυψης των φουλερενίων για την επιστήμη και την ανθρωπότητα, ποιες καινούριες δυνατότητες έχουν ανοίξει Τι είναι τα Φουλερένια θεωρία, ορισμός, παραδείγματα και εικόνες Η Προέλευση του Όρου που και γιατί δόθηκε μια τέτοια ονομασία στην καινούρια ανακάλυψη Εφαρμογές ποιες είναι οι εφαρμογές των φουλερενίων τώρα και ποιες είναι οι δυνατότητες της εφαρμογής τους στο μέλλον Τύποι των Φουλερενίων μια περιγραφή των υπαρχόντων τύπων φουλερενίων.

7 ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ: Κατασκευάζοντας ένα Μοντέλο Φουλερενίου Φύλλο εργασίας Από ποια άτομα αποτελείται το Φουλερένιο; Από άνθρακα (C) Πόσα άτομα περιλαμβάνει το μόριο Φουλερένιο C60; 60 άτομα άνθρακα Ποιες άλλες ουσίες γνωρίζετε ότι είναι κατασκευασμένες από άτομα άνθρακα; Γραφίτης, διαμάντι, γραφένιο. Από πόσα και ποια γεωμετρικά σχήματα αποτελείται το Φουλερένιο C Εξάγωνα και 12 πεντάγωνα.

8 Άθροισμα γωνιών πολυγώνου s = (n - 2) 180, n αριθμός των πλευρών ή των γωνιών. Χρησιμοποιώντας τον τύπο για το άθροισμα γωνιών πολυγώνου, να υπολογίσετε το άθροισμα των εσωτερικών γωνιών ενός πενταγώνου. Ποιο είναι το μέτρο μια εσωτερικής γωνίας ενός πενταγώνου; Χρησιμοποιώντας τον τύπο για το άθροισμα των γωνιών ενός πολυγώνου να υπολογίσετε το άθροισμα των εσωτερικών γωνιών ενός εξαγώνου. Ποιο είναι το μέτρο μια εσωτερικής γωνίας ενός εξαγώνου;

9 Στις παρακάτω εικόνες παρουσιάζονται παραδείγματα κανονικών πενταγώνων που εντοπίζονται στη φύση. Να δώσετε περισσότερα παραδείγματα κανονικών πενταγώνων που βρίσκονται στη φύση. Λουλούδι Morning Glory Φέτες Όκρας Αστερίας Πεντάγωνο, ΗΠΑ Γνωρίζοντας το μέτρο της εσωτερικής γωνιάς ενός πενταγώνου, να υπολογίσετε το μέτρο της εσωτερικής γωνίας ενός τριγώνου.

10 Στις παρακάτω εικόνες παρουσιάζονται παραδείγματα κανονικών εξαγώνων που εντοπίζονται στη φύση. Να δώσετε περισσότερα παραδείγματα κανονικών εξαγώνων που βρίσκονται στη φύση Κηρήθρα Κρυσταλική δομή γραφενίου Κινέζικο περίπτερο Γνωρίζοντας το μέτρο της εσωτερικής γωνίας ενός εξαγώνου, να υπολογίσετε το μέτρο της γωνίας του τριγώνου ABC.

11 Να τυπώσετε δύο αντίγραφα της σελίδας Pattern 1 Print two copies of this page.

12 Να τυπώσετε ένα αντίγραφο της σελίδας 12