ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ Δ: ΥΠΕΡΥΔΡΟΦΟΒΑ ΥΛΙΚΑ

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ Δ: ΥΠΕΡΥΔΡΟΦΟΒΑ ΥΛΙΚΑ Όνομα σπουδαστή:... Ημερομηνία:... ΣΤΟΧΟΙ: Να κατανοήσετε την έννοια των υδρόφοβων και υδρόφιλων υλικών. Να εξετάσετε φυσικές υπερυδρόφοβες επιφάνειες σε αντιπαράθεση με κοινές επιφάνειες. Να εξετάστε καινοτόμα προηγμένα υλικά που έχουν σχεδιαστεί να είναι υπερυδρόφοβα, μιμούμενα φυσικά υλικά στη νανοκλίμακα, και να συγκρίνετε με τα καθημερινά υλικά. ΥΛΙΚΑ: - Διάφορες επιφάνειες για την εξέταση: * 1 γυάλινη διαφάνεια μικροσκοπίου * 1 επίπεδο κομμάτι πλαστικού 10x10 cm (π.χ. κόψτε ένα κομμάτι λείου πλαστικού φύλλου όπως πλαστικό ντοσιέ, ή χρησιμοποιήστε ένα CD) * 1 επίπεδο κομμάτι αλουμινόχαρτου 10x10 cm * 1 κομμάτι διηθητικού χαρτιού * Κομμάτια υφασμάτων προς σύγκριση (περίπου 10x10 cm) - 3 κομμάτια υφάσματος Nano-Tex Resist Spills - 3 δείγματα 100% βαμβάκι - 2 δείγματα υφάσματος κατασκευασμένο από συνθετικές ίνες, όπως πολυεστέρας ή βαμβάκι/πολυ-μίγμα υφασμάτων (σε αυτό το πρωτόκολο χρησιμοποιήσαμε ένα ύφασμα με 70% πολυεστέρα και 30% βαμβάκι). 1

2 - Διάφοροι παράγοντες λεκέδων για να επιλέξετε * 1 ποτήρι νερό, * 1 ποτήρι χυμό και/ή 1 ποτήρι κόκα κόλα * Βαλσάμικο ξύδι ή κρασί (1 ποτήρι) * Μαγειρικό λάδι (1 ποτήρι) * Κέτσαπ (1 κουτάλι) * Μουστάρδα (1 κουτάλι) * Μαγιονέζα (1 κουτάλι) * Οργανικό χώμα (μία-δύο χούφτες) - Διαφορετικά φύλλα φυτών (συλλέξτε τα από τον κήπο του σχολείου ή φέρτε τα από το σπίτι) * Ένα φύλλο κοινού φυτού όπως ο κισσός * Ένα κομμάτι φύλλο νούφαρου ή νεροκάρδαμου - Φιάλη εργαστηρίου γεμάτη νερό - Σταγονόμετρο (ή πιπέτες Pasteur) για να εφαρμόσετε τους υγρούς παράγοντες λεκέδων πλαστικά μαχαίρια ή κουτάλια την εφαρμογή άλλων παραγόντων λεκέδων - Έναν κάδο με απορρυπαντικό πλυντηρίου και νερό (ίσως χρειαστεί να το μοιραστείτε με ολόκληρη την τάξη) - 1 μαρκαδόρο διαρκείας - Πολλά πλαστικά κύπελα για το νερό και τους παράγοντες λεκέδων - Πολλά πλαστικά πιάτα για τα υλικά κατά τη διεξαγωγή εξέτασης του υλικού - Κόλλα για χαρτί και ψαλίδι ΣΗΜΕΙΩΣΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ: Σε αυτό το πείραμα δεν χρησιμοποιούνται χημικά αλλά μόνο κοινά υγρά και στερεά. Ωστόσο, είναι πιθανό να λεκιαστείτε, γι αυτό πλύνετε τα χέρια και τις επιφάνειες σχολαστικά, μετά τους χειρισμούς. Χρησιμοποιήστε κατάλληλα ρούχα προστασίας, γάντια και προστατέψτε τα μάτια. Συγκεντρώστε όλα τα υγρά και το νερό πλυσίματος σε γυάλινα/πλαστικά δοχεία, και πετάξτε τα στο νεροχύτη. Όλα τα πειράματα θα διεξαχθούν με δική σας ευθύνη. Το Aarhus University (inano) και ολόκληρη η κοινοπραξία NANOYOU δεν αναλαμβάνουν την ευθύνη για φθορές ή επακόλουθες μόνιμες απώλειες, ως αποτέλεσμα της διεξαγωγής των πειραμάτων που περιγράφονται. 2

3 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Τώρα θα εξετάσετε μία σειρά υλικών, ξεκινώντας από τα πιο κοινά και προχωρώντας σε πιο προηγμένα. Όταν θα εξετάσετε τα υλικά με νερό ή άλλα υγρά, τοποθετήστε το υλικό μέσα σε ένα πλαστικό πιάτο προκειμένου να συγκεντρώσετε το νερό σωστά. Πετάξτε το νερό που έχει συλλεχθεί μεταξύ των σταδίων των δοκιμών. ΜΕΡΟΣ 1: Κατανόηση των ιδιοτήτων της επιφάνειας: από υδρόφοβες έως υπερυδρόφοβες Μία σημαντική ιδιότητα της επιφάνειας ενός στερεού υλικού είναι η συμπεριφορά της στο νερό, δηλαδή, το πώς τα υγρά αλληλεπιδρούν με την επιφάνεια. Σε δύο οποιεσδήποτε επιφάνειες, τα σταγονίδια νερού μπορεί να: Έχουν διαφορετική μορφή Να απορροφηθούν ή να απωθηθούν Να τείνουν να κινηθούν ή να κυλήσουν διαφορετικά σε μία επιφάνεια με κλίση. Μέρος 1 α: Η μορφή του σταγονιδίου Τοποθετήστε σε πλαστικά πιάτα τις έξι επιφάνειες που πρόκειται να εξετάσετε: μία γυάλινη διαφάνεια, ένα κομμάτι πλαστικό, ένα τετράγωνο κομμάτι αλουμινόχαρτου, ένα τετράγωνο κομμάτι διηθητικού χαρτιού, και ένα φύλλο κάθε τύπου. Τοποθετήστε μερικά σταγονίδια νερού πάνω σε κάθε υλικό. 3

4 Ε1. Ποιες είναι οι μορφές των σταγονιδίων στις διαφορετικές επιφάνειες; Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα, σχεδιάζοντας τη μορφή των σταγονιδίων: Υλικό Μορφή (προφίλ) του σταγονιδίου Αλουμινόχαρτο Πλαστικό Διηθητικό χαρτί Γυαλί Κοινό φύλλο Φύλλο νεροκάρδαμου/νούφαρου Ε2. Περιγράψτε με δικά σας λόγια τις διαφορές στις μορφές των σταγονιδίων. Κατά την άποψή σας, πώς μπορούν να εξηγηθούν αυτές οι διαφορές; (Αναφερθείτε στις απαντήσεις που δόθηκαν στη δραστηριότητα προθέρμανσης) 4

5 Μέρος 1β: Από τους εραστές του νερού στους εχθρούς του νερού Η συμπεριφορά του νερού στην επιφάνεια σχετίζεται με το μέρος της διάταξης των μορίων στη διεπαφή της επιφάνειας, τα οποία μπορεί να είναι είτε υδρόφιλα ( αγαπούν το νερό ) ή υδρόφοβα ( μισούν το νερό ). Σκεφθείτε τι συμβαίνει όταν ρίχνετε λάδι στο νερό το λάδι έχει την τάση να συσσωματώνεται, να σχηματίζει μία μεγάλη σταγόνα και να παραμένει στην επιφάνεια του νερού. Αυτό συμβαίνει επειδή το λάδι είναι υδρόφοβο και τα δύο υγρά προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν την επαφή τους. Υπάρχουν πολλές πτυχές στη συμπεριφορά του νερού στην επιφάνεια ενός υλικού, αλλά μία από αυτές τις συμπεριφορές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσουμε την ποσότητα της συμπεριφοράς ύγρανσης: Παρατηρώντας τη μορφή του σταγονιδίου στην επιφάνεια, είναι δυνατόν να μετρήσουμε τη γωνία επαφής, τη γωνία στην οποία το υγρό σταγονίδιο συναντά τη στερεή επιφάνεια, όπως απεικονίζεται στον παρακάτω πίνακα. Όσο περισσότερο η επιφάνεια μισεί το νερό, τόσο περισσότερο το σταγονίδιο νερού θα κυλήσει σαν χάντρα προσπαθώντας να ελαχιστοποιήσει την επαφή με την επιφάνεια. Οι επιφάνειες μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με την γωνία επαφής τους, όπως απεικονίζεται στον παρακάτω Πίνακα, και κυμαίνονται από υδρόφιλη ως ενδιάμεση, υδρόφοβη ως υπερυδρόφοβη επιφάνεια. Ε3. Σύμφωνα με το πείραμα του Μέρους 1 α και την παραπάνω εξήγηση, συμπληρώστε τα στοιχεία που λείπουν στον ακόλουθο πίνακα: Μορφή (προφίλ) Αξία γωνίας επαφής Τύπος επιφάνειας Υλικά 5

6 Ε4. Το διηθητικό χαρτί συμπεριφέρθηκε διαφορετικά από τα άλλα υλικά με ποιον τρόπο; Όπως μπορούμε να δούμε, το γεγονός ότι ένα υλικό αγαπά το νερό ή μισεί το νερό, μπορεί να παρατηρηθεί εξετάζοντας τη μορφή καθώς επίσης και την απορροφητικότητα (όπως φαίνεται στην περίπτωση του διηθητικού χαρτιού) Μέρος 1γ: Η ολίσθηση του σταγονιδίου Επιλέξτε τις δύο πιο υδρόφοβες επιφάνειες (συμβουλή: το φύλλο νεροκάρδαμου/νούφαρου θα πρέπει να είναι μία από αυτές). Χρησιμοποιήστε ένα κουτάλι ή μία πιπέτα Pasteur για να ρίξετε λίγο νερό σε κάθε επιφάνεια, 6

7 ανασηκώστε λίγο τη μία πλευρά της επιφάνειας και παρατηρήστε πώς γλιστρά ή κυλά από την επιφάνεια. (Πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα δοχείο για να συλλέξετε το νερό, και να έχετε σε ετοιμότητα μία χαρτοπετσέτα). Ε6. Τα σταγονίδια νερού ύγραναν τις επιφάνειες (π.χ. παρέμεινε νερό στις επιφάνειες όταν σταματήσατε να το ρίχνετε;) Ποια ένδειξη έχετε; Δώστε μία απάντηση για κάθε τύπο επιφάνειας που εξετάσατε. Ε7. Οι σταγόνες νερού κύλησαν ή γλίστρησαν πάνω από τις επιφάνειες; Ρίξτε λίγο ακόμη νερό σε κάθε μία από τις δύο επιφάνειες και κρατήστε τις οριζόντια στα χέρια σας Ε8. Μπορείτε να ακινητοποιήσετε μία σταγόνα πάνω στην επιφάνεια του κάθε υλικού; Είναι εύκολο ή δύσκολο; Περιγράψτε αυτό που βλέπετε. 7

8 Υδρόφοβο εναντίον υπερυδρόφοβο: Σε μία υδρόφοβη επιφάνεια, τα σταγονίδια νερού απωθούνται από την επιφάνεια μπροστά τους. Αυτό επηρεάζει τον τρόπο που κινείται το νερό στην επιφάνεια. Ωστόσο, σε μία υπερυδρόφοβη επιφάνεια, το νερό απωθείται τόσο έντονα που φαίνεται ότι δεν υπάρχει πια καμία αλληλεπίδραση μεταξύ των σταγονιδίων και της επιφάνειας, και οι σταγόνεις κυλούν ελεύθερα, σχεδόν όπως μία χάντρα, στην επιφάνεια. Ε9. Βάσει όλων των παραπάνω παρατηρήσεων και πληροφοριών, ποια είναι η περισσότερο υδρόφοβη επιφάνεια από τις δύο; Εξηγήστε. Είναι αυτό σύμφωνο με τις μορφές των σταγονιδίων που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση αυτών των τύπων επιφανειών; Ε10. Γράψτε τα συμπεράσματά σας γι αυτό το πείραμα (συσχετίστε με κάθε μέρος του πειράματος) ΜΕΡΟΣ 2 Ανάλυση ενός λειτουργικού νανο-υλικού. Όπως είδατε στο πρώτο πείραμα, τα φύλλα του νούφαρου διαθέτουν το εντυπωσιακό χαρακτηριστικό της πλήρους απώθησης του νερού, είναι υπερυδρόφοβα. Η συνέπεια είναι ότι τα σταγονίδια νερού κυλούν από την επιφάνεια του νερού και έτσι τραβούν τους ρύπους μακριά από αυτό. Αυτό το φαινόμενο που ονομάζεται αυτο-καθαρισμός, καθιστά το φύλλο του νούφαρου καθαρό και ανθεκτικό στο νερό. Βρίσκουμε το ίδιο φαινόμενο και σε άλλα φύλλα, όπως τα φύλλα του νεροκάρδαμου και κρίνου. 8

9 Πώς λειτουργεί; Αυτό είναι το νάνο! Λεπτομερής ανάλυση SEM (scanning electron microscopy) φύλλων, που εμφανίζουν το φαινόμενο του νούφαρου, αποκάλυψε την παρουσία νανοκρυστάλλων κεριού στην επιφάνεια του φύλλου. Αυτά τα κρύσταλλα παρέχουν ένα στρώμα που απωθεί το νερό, το οποίο ενισχύεται από την τραχύτητα της επιφάνειας: Τα σταγονίδια νερού σε ένα τέτοιο φύλλο είναι σε επαφή κυρίως με τον αέρα που έχει παγιδευτεί μεταξύ των νανο-στύλων κάτω από το σταγονίδιο. Αν σκεφτούμε την ιδανική περίπτωση ενός μεμονωμένου σταγονιδίου νερού να κρέμεται στον αέρα, θα έχει μία εντελώς σφαιρική μορφή. Για ένα σταγονίδιο νερού σε μία επιφάνεια με νανοδομές, όσο περισσότερος αέρας είναι παγιδευμένος στην επιφάνεια κάτω από τη σταγόνα, τόσο πιο πολύ πλησιάζουμε σε αυτή την ιδανική σφαιρική κατάσταση, καθιστώντας την υπερυδρόφοβη επιφάνεια. Στην περίπτωση του φύλλου νούφαρου, το σταγονίδιο έχει μία γωνία επαφής περίπου 150, κάτι που αναγκάζει το νερό να γίνει χάντρα και να κυλήσει μακριά. Η παρακάτω εικόνα δείχνει την προοδευτική μεγέθυνση ενός φύλλου νεροκάρδαμου. Στην τελευταία εικόνα, στη δεξιά πλευρά, εμφανίζονται νανοκρύσταλλα μεγέθους μερικών δεκάδων νανομετρων. A B C D Εικόνα 1. Κοντινές απόψεις μίας προοδευτικής μεγέθυνσης φύλλων νεροκάρδαμου, όπου αποκαλύπτει την παρουσία νανοκρυστάλλων στην επιφάνεια (τελευταία εικόνα δεξιά). (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό(a): A. Snyder, Exploratorium; (B, C): A. Marshall, Stanford University, (D): A. Otten and S. Herminghaus, Göttingen, Γερμανία. Όλες οι εικόνες είναι υλικό του NISE Network, που ανατυπώθηκαν υπό τους όρους και τις προϋποθέσεις του NISE network.) 9

10 Μαθαίνοντας από τη Φύση: The Lotus Effect. Επιστήμονες υλικών χρησιμοποίησαν για πολύ καιρό διάφορα χημικά, για να τροποποιήσουν τις ιδιότητες ορισμένων επιφανειών. Σκεφθείτε τα μεταλλικά σκεύη κουζίνας, όπως τα τηγάνια: μία στρώση Teflon, το οποίο είναι είδος πλαστικού, προστίθεται στην μεταλλική επιφάνεια του τηγανιού ώστε αυτό να γίνει αντικολλητικό. Η χημεία της επιφάνειας μπορεί, ωστόσο, να χρησιμοποιηθεί μόνο για τη δημιουργία υδρόφοβων επιφανειών και όχι υπερυδρόφοβων. Και όμως, η υπερυδροφοβία βρίσκεται στη φύση, για παράδειγμα (όπως φαίνεται σε αυτό το πείραμα) σε μερικά φύλλα, όπως τα φύλλα νούφαρου, και σε μερικά ζώα, όπως στα πόδια των εντόμων νεροπερπατητές (δείτε Εικόνα 2) Σε αυτά τα φυσικά υλικά όπως το φύλλο νούφαρου, η υπερυδροφοβία προκύπτει από μία αλληλεπίδραση χημείας (κρύσταλλοι κεριού στην επιφάνεια του φύλλου) και νανο-τοπογραφίας (διαστάσεις, μορφή, απόσταση μεταξύ των νανοκρυστάλλων). Εικόνα 2. Δύο παραδείγματα φυσικών υλικών που εμφανίζουν το φαινόμενο του νούφαρου: (αριστερά) ένας νεροπερπατητής (Εικόνα: Izabela Raszkova, Wiki commons, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0); (δεξιά): ένα φύλλο νούφαρου (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). Το Lotus Effect έχει αποτελέσει έμπνευση για πολυάριθμα καινοτόμα υλικά, όπως χρωστικές ουσίες, επιχρίσματα και υφάσματα. Κάποιες εταιρίες όπως η Nano-Tex, Inc. έχουν τώρα ξεκινήσει να εμπορευματοποιούν υφάσματα, τα οποία έχουν σχεδιαστεί να προσδίδουν υπερυδρόφοβες ιδιότητες στα υφάσματά τους. Αυτό το αποτέλεσμα, 10

11 επιτυγχάνεται από την παρουσία των νανο-ταξινομημένων μουστακιών στην επιφάνεια των ινών που αποτελούν το ύφασμα. Σε αυτό το μέρος του πειράματος, θα αναλύσετε ένα ύφασμα που έχει σχεδιαστεί για να αναπαράγει το Lotus Effect Οι εφαρμογές είναι: - Φιλικά προς το περιβάλλον επιχρίσματα και υφάσματα που απωθούν τους ρύπους και απαιτούν λιγότερο καθαρισμό. Αυτό περιλαμβάνει υλικά όπως χρώματα για τις προσόψεις, υφάσματα (συμπεριλαμβανομένου του προσωπικού ιματισμού) και υγιεινά επιστρώματα. Σε όλα αυτά τα υλικά, το επιπρόσθετο πλεονέκτημα είναι ότι απαιτείται λιγότερο καθάρισμα (συνεπώς λιγότερα απορρυπαντικά και σπατάλη νερού), με ένα επακόλουθο όφελος για το περιβάλλον. - Βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων (εφαρμογή ενέργειας). Ένα από τα προβλήματα με αυτή την τεχνολογία, είναι ότι αυτά τα κύτταρα παραμένουν στην ύπαιθρο και επομένως μπορεί να γίνουν πολύ βρώμικα. Αυτό το στρώμα ρύπου καλύπτει τις καταλυτικές περιοχές των ηλιακών κυττάρων και συνεπώς μειώνει την αποδοτικότητα και το χρόνο ζωής τους. Επενδύοντας την φωτοβολταϊκή μονάδα με ένα υπερυδρόφοβο επίστρωμα, αυτή διατηρείται σημαντικά καθαρότερη. Λόγω της τραχύτητας της νανοεπιφάνειας, το επίστρωμα είναι διαφανές στο φως UV, μία αναγκαιότητα γι αυτόν τον τύπο συσκευών. Το υπερυδρόφοβο επίστρωμα είναι επίσης ανθεκτικότερο, κάτι που βελτιώνει περαιτέρω το χρόνο ζωής της φωτοβολταϊκής μονάδας. 2 α: Αλληλεπίδραση με το νερό Τοποθετήστε ένα κομμάτι Nano-Tex και ένα κομμάτι κανονικού βαμβακερού υφάσματος σε ένα πλαστικό πιάτο και ρίξτε λίγο νερό πάνω τους. Ε11. Ποιο υλικό από το Μέρος 1 α συμπεριφέρεται όπως το ύφασμα Nano-Tex ; Με ποιο τρόπο; Με ποιο υλικό μοιάζει η συμπεριφορά του βαμβακερού; 11

12 2β: Αλληλεπίδραση διαφορετικών υγρών Τώρα, προκειμένου να εξετάσουμε τις εφαρμογές του υφάσματος Nano-Tex, το συγκρίνουμε με κανονικό βαμβακερό ύφασμα και με ένα ημι-συνθετικό. Γι αυτό χρειάζεστε, στο σύνολο, δύο κομμάτια βαμβακερού υφάσματος, δύο κομμάτια ενός ημισυνθετικού υφάσματος, και δύο κομμάτια Nano-Tex (το καθένα περίπου 10x10 cm). Ακολουθήστε τα παρακάτω βήματα. ΒΗΜΑ 1 Το φαινόμενο του λεκέ Εξετάζοντας το φαινόμενο των υγρών (κόκα κόλα, ξύδι, λάδι, κ.λπ) και των παχύρρευστων υγρών (μαγιονέζα, μουστάρδα, κ.λπ) Προκειμένου να διεξάγετε αυτό το πείραμα, ετοιμάστε ένα ποτήρι με κάθε υγρό που επιθυμείτε να εξετάσετε, όπως διατυπώνεται παρακάτω: Επιλέξτε δύο τύπους υγρών (από χυμό, κόκα κόλα, ξύδι, κρασί και λάδι) Επιλέξτε δύο τύπους παχύρρευστων υγρών (από κέτσαπ, μουστάρδα, μαγιονέζα). Τοποθετήστε τα τρία κομμάτια διαφορετικών υφασμάτων σε μία σειρά, αριστερά το βαμβακερό, στο κέντρο το ημι-συνθετικό, και δεξιά το Nano-Tex. Γράψτε σε ένα χαρτί τον τύπο του υφάσματος και τοποθετήστε το κάτω από το κάθε ύφασμα (όπως στην εικόνα παρακάτω). 12

13 Αποφασίστε με ποια σειρά θα τοποθετήσετε τα υγρά και σημειώστε το: Υγρό 1 Υγρό 2 Παχύρρευστο Υγρό 1 Παχύρρευστο Υγρό 2 Με την βοήθεια μίας πιπέτας ή ενός σταγονόμετρου, ρίξτε μία σταγόνα από κάθε υγρό που θα εξετάσετε, επάνω στο κάθε ύφασμα. Χρησιμοποιήστε ένα κουτάλι ή μία σπάτουλα για να τοποθετήσετε τα παχύρρευστα υγρά στο ύφασμα. Σε ένα διαθέσιμο σημείο, σημειώστε το με μαρκαδόρο διαρκείας. Για να συγκρίνετε τα υφάσματα πρέπει να προσδιορίσετε το χρόνο του λεκιάσματος γι αυτό το πείραμα (π.χ. 5 λεπτά). Σημειώστε το στον παρακάτω πίνακα 13

14 Μετά τον χρόνο που προσδιορίσατε, αφαιρέστε απαλά τα υγρά από το ύφασμα, τρίβοντάς τα με ένα κομμάτι χαρτιού κουζίνας. Χρησιμοποιήστε ένα υγρό ύφασμα για να αφαιρέσετε τα παχύρρευστα υλικά από τα υφάσματα. Προσέξτε να μην αναμίξετε τα διαφορετικά υγρά. Σημείωση: Όλα τα υλικά που εξετάσατε πρέπει να αποθηκευθούν για περαιτέρω εξέταση Ε12. Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας στον πίνακα που παρέχεται. Σε κάθε τετραγωνίδιο αναφερθείτε σε δύο πτυχές, όπου μπορεί να υπάρχουν τρία επίπεδα για κάθε πτυχή: Απορρόφηση: Καθόλου, λίγο, πολύ Λέκιασμα: Καθόλου, λίγο, πολύ 14

15 Χρόνος λεκιάσματος του υγρού: δευτερόλεπτα (συμπληρώστε) Υλικό/ επιλεγμένο υγρό 1 υγρό 1 (για παράδειγμα χυμός) 2 υγρό 2 3 παχύρρευστο υγρό 1 (για παράδειγμα μουστάρδα) 4 παχύρρευσ το υγρό 2 Μαρκαδ όρος Βαμβακερό ύφασμα Ημι-συνθετικό ύφασμα Nano-Tex Ε13. Υπήρξε κάποια διαφορά μεταξύ των υφασμάτων; Αναπτύξτε 15

16 Ε14. Αφαιρέθηκαν όλοι οι λεκέδες από το Nano-Tex ; Αναπτύξτε ΒΗΜΑ 2 Το φαινόμενο του ρύπου Σε αυτό το βήμα χρησιμοποιείται οργανικό χώμα για να συγκρίνετε το ύφασμα Nano-Tex με κανονικό βαμβακερό και ημι-συνθετικό ύφασμα. Πάρτε τρία καθαρά, στεγνά κομμάτια υφάσματος, ένα από κάθε τύπο, και τοποθετήστε λίγο οργανικό χώμα στο κέντρο του κάθε υφάσματος. Διπλώστε το ύφασμα, τρίψτε το, και στη συνέχεια ανοίξτε το κάθε κομμάτι υφάσματος, αφαιρέστε το χώμα και παρατηρήστε. Σημείωση: Όλα τα υλικά που εξετάστηκαν πρέπει να αποθηκευθούν για περαιτέρω εξέταση Ε15. Λερώθηκαν όλα τα υφάσματα με τον ίδιο τρόπο; Περιγράψτε. 16

17 Τώρα προσπαθήστε να καθαρίσετε τα υφάσματα με τα χέρια σας. Ε16. Μπορέσατε να καθαρίσετε τα υφάσματα; Υπάρχει σαφής διαφορά μεταξύ τους; Αν ναι, περιγράψτε ποιο ύφασμα καθαρίστηκε ευκολότερα. Ε17. Υπήρξε κάποιο ύφασμα που καθαρίστηκε εντελώς και φαίνεται σαν καινούργιο; ΒΗΜΑ 3 Επίπεδο καθαρισμού Εξέταση για την ευκολία καθαρισμού. Τώρα προσπαθήστε να καθαρίσετε τα τρία υφάσματα που χρησιμοποιήσατε στο ΒΗΜΑ 1 και ΒΗΜΑ 2 με κρύο νερό και σαπούνι. Ε18. Καθάρισαν όλα τα υφάσματα; Αν όχι, ποια καθάρισαν; Ε19. Ποιο ύφασμα καθάρισε ευκολότερα; Ε20. Υπάρχει ένας τύπος (ή περισσότεροι) λεκέ, ο οποίος δεν βγήκε από τα δείγματα Nano- Tex ; Ποιος; Γιατί πιστεύετε ότι συνέβη αυτό; 17

18 Πώς λειτουργεί; Το ύφασμα Nano-Tex έχει σχεδιαστεί για να μιμείται το Lotus Effect. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός μεγάλου αριθμού πολύ μικρών καρφιτσών ή μουστακιών στην επιφάνεια των ινών. Συνεπώς, το ύφασμα δεν περιέχει ένα επιφανειακό επίχρισμα (το οποίο θα μπορούσε να αφαιρεθεί με το πλύσιμο ή με τον ιδρώτα), αλλά μάλλον οι ίνες είναι νανο-κατασκευασμένες. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό, το οποίο είναι υπερυδρόφοβο, όπως απεικονίζεται από την γωνία επαφής, που έχει υπολογιστεί και φαίνεται στην Εικόνα 3. NANO-TEX LOTUS * Μία εικόνα της γωνίας επαφής του φύλλου νούφαρου παρουσιάζεται για σύγκριση Εικόνα 3. Εικόνα υψηλής ανάλυσης Nano-Tex υφάσματος (Ευγενική παραχώρηση των εικόνων από την Nano- Tex, Inc., Copyright Nano-Tex. Inc). (Δεξιά): εικόνες γωνίας επαφής σταγονιδίων νερού σε ύφασμα Nano-Tex και σε φύλλο νούφαρου (Εικόνες: inano; Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). Η νανοδομή της επιφάνειας, που απωθεί τα σταγονίδια νερού (καθώς επίσης και άλλα υγρά), εξηγεί το φαινόμενο του αυτο-καθαρισμού. Όταν ένα σταγονίδιο νερού κυλά πάνω στο ρύπο, το σταγονίδιο αφαιρεί το σωματίδιο από την επιφάνεια του φύλλου, σε αντίθεση με μία σταγόνα που ολισθαίνει πάνω στην επιφάνεια, αφήνοντας πίσω σωματίδια (Εικόνα 4). 18

19 Εικόνα 4. (Επάνω) Διάγραμμα που συνοψίζει τη σύνδεση μεταξύ τραχύτητας και αυτο-καθαρισμού: στην επάνω εικόνα, ένα σταγονίδιο νερού αφαιρεί τον ρύπο από μία επιφάνεια, χάρη στο φαινόμενο του νούφαρου (κάτω): Γραφική παρουσίαση των ρύπων και των σταγονιδίων νερού σε ένα φύλλο νούφαρου (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: William Thielike, Wiki commons, Creative Commons Ε21. Γράψτε τα συμπεράσματά σας για το Μέρος 2 αυτού του πειράματος: Ε22. Ποιες είναι οι δυνατές εφαρμογές των νανοσωματιδίων; Εξηγήστε. (Συγκρίνετε και συζητήστε με ολόκληρη την τάξη) 19

20 Παρακολουθήστε με τον εκπαιδευτικό σας το βίντεο NANOYOU Video 4: Lotus Effect - Part 2 Σε αυτό το βίντεο θα δείτε μία σχεδιασμένη επιφάνεια, που αποτελείται από πορώδη σιλικόνη, η οποία είναι υπό ανάπτυξη στα εργαστήρια του inano, Aarhus University, και η οποία μιμείται τις ιδιότητες του φύλλου του νούφαρου. Συζητήστε με τον εκπαιδευτικό σας τις εφαρμογές στις οποίες νομίζετε ότι τέτοιου είδους ιδιότητες θα ήταν χρήσιμες.. ΜΝΕΙΑ: Αυτό το πείραμα προσαρμόστηκε εν μέρει από τη δραστηριότητα Εφαρμογής: Nano-Tex, ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ: Ευχαριστούμε τη Nano-Tex, Inc. για την ευγενική παροχή ενός κομματιού υφάσματος Nano-Tex (ανθεκτικό στους λεκέδες και αδιάβροχο), και για την παροχή εικόνων αυτού του υλικού. Ο συντάκτης επιθυμεί να ευχαριστήσει τον Anton Ressine (inano, Aarhus University) για την παροχή του δείγματος πορώδους σιλικόνης, που εμφανίζεται στα βίντεο του πειράματος. 20