ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΛΩΤΟΥ

Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΛΩΤΟΥ Εικονικό εργαστήριο: 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Πρόλογος για καθηγητές 2. Εισαγωγή 3. Μαθησιακή διαδικασία 4. Συμπέρασμα 5. Αξιολόγηση Το πλάνο του μαθήματος έχει δημιουργηθεί για να βοηθήσει τους καθηγητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης να κάνουν μια εισαγωγή στο φαινόμενο του λωτού από την οπτική της νανοτεχνολογίας στην τάξη και να χρησιμοποιήσουν τις πληροφορίες που δίνονται στην ιστοσελίδα ( ). Απευθύνεται σε Διάρκεια Θεματικές Ομάδες μαθητών ηλικίας ετών 90 λεπτά Φυσική-Χημεία-Βιολογία ΣΤΟΧΟΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Το μάθημα για το "Φαινόμενο του Λωτού" εξερευνά τη νανοδομή του λωτού, τον τρόπο με τον οποίο δημιουργεί και χρησιμοποιεί υδρόφοβες επιφάνειες στη φύση και πώς οι μηχανικοί έχουν δημιουργήσει τεχνητά προϊόντα τα οποία μιμούνται τις ιδιότητες των φυσικών αυτών επιφανειών. Οι μαθητές έρχονται σε επαφή με τις υδρόφοβες επιφάνειες μέσα από δραστηριότητες. ΣΚΟΠΟΙ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Κατανόηση των ιδιοτήτων που έχουν τα φύλλα του λωτού. Σύνδεση των μαθημάτων φυσικών επιστημών με τη διαδικασία αυτό-καθαρισμού. Εκμάθηση εφαρμογών της νανοτεχνολογίας στο πλαίσιο του φαινομένου του λωτού Περιγραφή των συνεκτικών και συγκολλητικών δυνάμεων και της αντίδρασης που έχουν στο νερό ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ Θα πρέπει οι μαθητές να γνωρίζουν τους παρακάτω όρους οι οποίοι περιλαμβάνονται στο κείμενο μελέτης: Άτομα και δεσμοί Υδρόφιλος Υδρόφοβος 2

3 ΠΡΟΣΔΟΚΩΜΕΝΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ Κατανόηση του φυσικού μηχανισμού του φαινομένου του λωτού Κατανόηση του όρου Βιομίμηση και της σχέσης του με νανοτεχνολογικές εφαρμογές Κατανόηση ότι η επιφανειακή τάση του νερού είναι ο λόγος σχηματισμού σταγονιδίων και ότι οι ιδιότητες της επιφάνειας επαφής προκαλούν περαιτέρω παραμόρφωση του σφαιρικού σχήματος των σταγονιδίων. Κατανόηση ότι το νερό υγραίνει μόνο ορισμένα στερεά Κατανόηση του φυσικού μηχανισμού του αυτό-καθαρισμού Κατανόηση της σχέσης ανάμεσα στις ιδιότητες των επιφανειών και τον αυτό-καθαρισμό ΥΛΙΚΑ Κείμενο μελέτης για τους μαθητές Video των πειραμάτων Υλικά για τις δραστηριότητες ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΑΘΗΤΩΝ Κουίζ Πίνακας αυτοαξιολόγησης ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΙΔΕΑ Αναθέστε στους μαθητές να μάθουν τις προσεγγίσεις της βιομίμησης. 3

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ Σύντομη Περιγραφή της Δραστηριότητας και Συνοπτικό Θεωρητικό Υπόβαθρο Η υδρόφοβη ικανότητα των φύλλων του λωτού οφείλεται στη δομή του. Η επιφάνεια του φύλλου έχει δομή διπλής επίστρωσης μίκρο-νάνο. Το πρώτο στρώμα του φύλλου του λωτού καλύπτεται από μικρές προεξοχές (θηλές) σε απόσταση μικρόμετρα μεταξύ τους με ακτίνα 5-10 μικρόμετρα. Κάθε προεξοχή είναι καλυμμένη με φουσκάλες από ένα υδρόφοβο, κηρώδες υλικό το οποίο έχει μετά βίας 100 nm ( m) ύψος. Όταν εφαρμόζονται σταγονίδια νερού στο φύλλο του λωτού, επικάθονται ελαφρά στις άκρες των υδρόφοβων προεξοχών. Το κερί εμποδίζει τις σταγόνες του νερού να εισέλθουν στα μεσοδιαστήματα και σαν αποτέλεσμα, μόλις 2-3% της επιφάνειας των σταγόνων έρχεται σε επαφή με το φύλλο. Η γωνία επαφής με την οποία ένα υγρό συναντά μια στερεή επιφάνεια συμβάλλει επίσης στην ιδιότητα απώθησης του νερού. Καθώς η γωνία επιφανείας μικραίνει (<90 o ), τα σταγονίδια γίνονται πιο επίπεδα και η επιφάνεια είναι πιο υγρή. Όταν η γωνία επαφής μεγαλώνει (>90 o ), η περιοχή ανάμεσα στο σταγονίδιο και την επιφάνεια μικραίνει και αυτό οδηγεί σε πιο στεγνή επιφάνεια. Οι κηρώδεις φουσκάλες στις θηλές (με δομή διπλής επίστρωσης μίκρο-νάνο) δημιουργούν μια γωνία επαφής 157. Αυτό μειώνει τη δύναμη της συγκόλλησης και επενδύει το λωτό με μια υδρόφοβη επιφάνεια. Άρα, το νερό δε μπορεί να υγράνει την επιφάνεια και εκτοπίζεται εύκολα. Σχήμα 1: θ είναι η γωνία επαφής. Όταν η γωνία επαφής μικραίνει (<90 ο ), τα σταγονίδια γίνονται πιο επίπεδα και η επιφάνεια γίνεται πιο υγρή. Όταν η γωνία επαφής μεγαλώνει (> 90 o ), η περιοχή μεταξύ του σταγονιδίου και της επιφάνειας γίνεται μικρότερη και αυτό οδηγεί σε μία στεγνή επιφάνεια (*) ΕΙΣΑΓΩΓΗ «Η νανοτεχνολογία είναι μια ιδέα που οι περισσότεροι άνθρωποι απλά δεν πιστεύουν." Ralph Merkle Ο καθηγητής ξεκινά μια συνεδρία καταιγισμού ιδεών με τις ακόλουθες ερωτήσεις (Αφήνοντας παράλληλα τους μαθητές να εκφράσουν τις απόψεις / ιδέες τους, βοηθώντας τους να ανακαλέσουν προηγούμενες γνώσεις τους και παροτρύνοντας τους να συνειδητοποιήσουν / δουν τις αρχές, τις έννοιες και τις σχέσεις): Τα πάντα λερώνονται μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Ενδύματα, κτίρια, αυτοκίνητα, έπιπλα, κλπ... Δεν θα ήταν πολύ καλύτερα αν όλα αυτά δεν λερώνονταν, ή έμεναν καθαρά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα; Σκεφτείτε τα πλεονεκτήματα της καθαριότητας που διαρκεί περισσότερο. Σε θέματα υγείας και αισθητικής. 4

5 Μπορείτε να σκεφτείτε ένα τέτοιο τεχνολογικό χαρακτηριστικό για τα υλικά; Ποια είναι η σχέση μεταξύ της καθαριότητας που διαρκέι και απώθησης επίδρασης των υλικών; Με γνώμονα αυτά που ξέρετε για τη νανοτεχνολογία, τι σημαίνει νάνο-επικάλυψηι; ΜΑΘΗΣΙΑΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Πριν το μάθημα Ανάθεση εργασίας: Δώστε στους μαθητές το κείμενο για το Φαινόμενο του Λωτού και ζητήστε τους να το μελετήσουν. Προετοιμασίες πριν το μάθημα: Προετοιμασία των υλικών που χρειάζονται για τις δραστηριότητες Διαρρύθμιση της τάξης για να παρακολουθήσετε το video. Κατά τη διάρκεια του μαθήματος Βήμα-1: Ο καθηγητής θα πρέπει να θέσει τα ακόλουθα ερωτήματα αναφορικά με το κείμενο. Ερώτηση 1: Πώς αναπαριστάται η επιφάνεια του λωτού στις οδηγίες για τους μαθητές; Η επιφάνεια του λωτού αναπαριστάται σαν ένα τροπικό δάσος. Βήμα 2: Δείξτε στους μαθητές τα video-1 και 2 για το φαινόμενο του λωτού. Βήμα-3: Ξεκινήστε τη Δραστηριότητα 2 που περιγράφεται στις οδηγίες για τους μαθητές. Συζητήστε τι συμβαίνει και συνδέστε το με το video των πειραμάτων. Βήμα-4: Κάντε τις ακόλουθες ερωτήσεις σχετικά με τη δραστηριότητα Ερώτηση 2: Τι συνέβη στο νερό που ψεκάστηκε στο φύλλο του λωτού; Η φυσική ιδιότητα ενός μορίου που απωθείται από μια μάζα νερού ονομάζεται υδροφοβία (φόβος του νερού). Οι υδροφοβικές δομές είναι μη-πολωμένες δομές, σε αντίθεση με το νερό. Για αυτό το λόγο οι δομές αυτές έχουν την τάση να ελαχιστοποιήσουν την επιφάνεια διεπαφής με το νερό. Όταν πέφτει νερό σε μια υδρόφοβη επιφάνεια, το νερό απωθείται από την επιφάνεια και μόρια νερού ελαχιστοποιούν το εμβαδό επιφανείας τους και σχηματίζουν σταγονίδια στην υδρόφοβη επιφάνεια. Για το λόγο αυτό, μπορούμε να δούμε το σχηματισμό σταγονιδίων στο φύλλο όταν ψεκάζεται με νερό. Ερώτηση 3: Ποιό ήταν το φαινόμενο που δημιούργησε το νερό στη σκόνη πάνω στο φύλλο του λωτού; Πολωμένα μόρια σκόνης σχηματίζουν διπολική αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου ή δεσμούς υδρογόνου με το νερό. Αυτό βοηθά τη σκόνη να προσκολληθεί στην επιφάνεια των σταγονιδίων νερού καθώς αυτά κυλούν. 5

6 Ερώτηση 4: Για ποιο λόγο το λάδι δε μπορεί να κάνει σταγονίδια όπως το νερό στο φύλλο του λωτού; Η επιφάνεια του φύλλου του λωτού είναι μη-πολωμένη. Το λάδι είναι μη πολωμένο επίσης. Η ιδιότητα αυτή εμποδίζει το λάδι να κάνει σταγονίδια όπως το νερό και βοηθά να αλληλεπιδράσουν με αδύναμες δυνάμεις και η επιφάνεια του φύλλου υγραίνεται με λάδι. Ερώτηση 5: Μπορούν όλα τα φυτά να παρουσιάσουν φαινόμενα του λωτού; Όχι, επειδή η λεία επιφάνεια που έχουν κάποια φυτά δε μπορεί να παρουσιάσει αυτή την ιδιότητα. Το νερό αλληλεπιδρά με την επιφάνεια του νερού και δεν παράγει σταγονίδια. Ερώτηση 6: Ποιο μπορεί να είναι το κοινό σημείο εντόμων που κινούνται στο νερό, μιας βελόνας που επιπλέει στην επιφάνεια και των σταγονιδίων νερού πάνω στο φύλλο του λωτού; Μεγάλη ενέργεια επιφανείας που οδηγεί σε τάση επιφανείας Βήμα -5: Προμηθευτείτε ένα ποτήρι νερό, μέλι, χαρτοπετσέτες, φύλλα λωτού, άλλα φύλλα και υδρόφοβο ύφασμα, για να τα χρησιμοποιήσετε όπως περιγράφεται στη δραστηριότητα παρακάτω. Βάλτε στη σειρά ένα φύλλο λωτού και μετά άλλα φύλλα και ζητήστε από ένα μαθητή τα αγγίξει. Ρωτήστε τον πώς τα αισθάνεται (ζητήστε από τους μαθητές να αναφέρουν τις ιδιότητες της επιφάνειας των φύλλων). Πάρτε ένα ποτήρι νερό. Ρίξτε νερό στα φύλλα του λωτού και παρατηρήστε τι θα συμβεί στο φύλλο. Ερώτηση 7: Για ποιο λόγο το νερό δημιουργεί σταγονίδια στο φύλλο του λωτού; Λόγω της τραχύτητας που υπάρχει στην επιφάνεια του φύλλου του λωτού, και καθώς η διεπαφή ανάμεσα στο νερό και στο φύλλο μειώνεται, η περιοχή διεπαφής ανάμεσα στο νερό και τον αέρα αυξάνεται. Με τον τρόπο αυτό τα σταγονίδια νερού έχουν μεγαλύτερη ενέργεια. Η επιφάνεια του φύλλου του λωτού είναι επικαλυμμένη με κερί και οι συνεκτικές δυνάμεις γίνονται μεγαλύτερες από τις συγκολλητικές. Με τον τρόπο αυτό, το νερό σχηματίζει σταγονίδια και κυλάει από την επιφάνεια του φύλλου χωρίς να κολλάει καθόλου.. Βήμα -6: Ρίξτε λίγη σκόνη ή αλεύρι στο φύλλο. Έπειτα ρίξτε λίγο νερό και κουνήστε λίγο το ύλλο ώστε μερικές σταγόνες νερού να ταξιδέψουν πάνω του. Ερώτηση 8: Τι συμβαίνει όταν πέσει νερό στο φύλλο; Τα σωματίδια σκόνης μπαίνουν στα κενά διαστήματα ανάμεσα στις θηλές του φύλλου λωτού επειδή έχουν μεγαλύτερες διαστάσεις από την απόσταση ανάμεσα στις θηλές. Τα σωματίδια σκόνης προσκολλώνται στο νερό επειδή είναι πολωμένο. Με αυτό τον τρόπο, η σκόνη κυλά από την επιφάνεια καθώς κυλούν τα σταγονίδια νερού. 6

7 Φουσκάλες σε μέγεθος νανοκλίμακας προσκρούουν στην επιφάνεια του φύλλου και έλκουν τις σταγόνες προς τα επάνω, έως ότου περιβληθούν σχεδόν ολοκληρωτικά από αέρα. Η επιφάνεια αυτή δημιουργεί τάση σε όλες τις πλευρές της επιφάνειας, και κάνει το νερό να σχηματίζει περισσότερα σταγονίδια και να κολλά λιγότερο στο φύλλο. Πράγματι, το νερό είναι τόσο χαλαρά προσκολλημένο με το φύλλο που και η παραμικρή κίνηση προκαλεί τις σταγόνες νερού να κυλήσουν από αυτό παρασύροντας μαζί τους και τα σωματίδια σκόνης. Η διαδικασία αυτή περιγράφει τον αυτό-καθαρισμό των φύλλων. Ερώτηση 9-) Ποιες είναι οι εφαρμογές που μπορούν να εμπνεύσει τους μηχανικούς το φαινόμενο του λωτού; Η βιομίμηση είναι καινοτομία που βρίσκει την έμπνευση της από τη φύση. Αν κοιτάξουμε τη φύση, θα μας διδάξει τα πάντα, αφού η φύση έχει ήδη επιλύσει πολλά από τα προβλήματα με τα οποία εμείς προβληματιζόμαστε ακόμα: ενέργεια, παραγωγή τροφής, έλεγχος του κλίματος, μη-τοξική χημεία, μεταφορά, συσκευασία και πολλά άλλα. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Ο καθηγητής ολοκληρώνει το μάθημα συζητώντας τα ακόλουθα: Αν θα οργανώνατε μια εκλαϊκευμένη δραστηριότητα, πώς θα αναφερόσαστε για το φαινόμενο του λωτού; Πόσο σημαντικοί νομίζετε ότι είναι το φαινόμενο του λωτού στην τεχνολογία του μέλλοντος; ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Συμπληρώστε τα κενά με τις κατάλληλες εκφράσεις (10 λεπτά) 1. Τα.. μόρια έχουν την τάση να είναι μη-πολωμένα, οπότε προτιμούν άλλα, ουδέτερα μόρια και μη-πολωμένους διαλύτες είναι η μίμηση της Φύσης. 3. Ένας από τους αξιοσημείωτους οργανισμούς που μπορούν να καθαρίσουν τον ίδιο τους τον εαυτό είναι Αν τοποθετηθεί με προσοχή στην επιφάνεια, μια μικρή βελόνα μπορεί να...στην επιφάνεια του νερού, ακόμα και αφού είναι πολλές φορές πιο...από το νερό. 5. Όταν ένας τριχοειδής βυθίζεται σε υγρά όπως το νερό, το νερό...στο τριχοειδές. Λύσεις 1- υδρόφοβα 2- βιομίμηση 3-φυτό λωτού 4- επιπλεύσει, πυκνή 5- ανεβαίνει ΑΝΑΦΟΡΕΣ 7