ΟΔΗΓΙΕΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗ ΛΕΠΤΑ ΥΜΕΝΙΑ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΙ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ SOL-GEL

Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗ ΛΕΠΤΑ ΥΜΕΝΙΑ ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΙ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ SOL-GEL Περιεχόμενα 1. Πρόλογος για καθηγητή 2. Εισαγωγή 3. Μαθησιακή διαδικασία 4. Συμπέρασμα 5. Αξιολόγηση Το σχέδιο μαθήματος είναι δομημένο ώστε να παρέχει σε καθηγητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης μια εισαγωγή στην τεχνική sol-gel από μια διαφορετική οπτική γωνία, καθώς και τα προϊόντα που προέρχονται από sol-gel που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη τεχνολογία, τους κυματοδηγούς. Το σχέδιο ενισχύεται και από τις δύο δραστηριότητες εντός τάξης και τις πληροφορίες που παρέχονται στην ιστοσελίδα ( Ομάδα-στόχος: ηλικίες ετών Διάρκεια: 90 λεπτά Σχολικό Θέμα: Φυσική - Χημεία Στόχος μαθήματος Το μάθημα «λεπτές ταινίες κυματοδηγοί και η sol-gel επεξεργασία" διερευνά το φυσικό φαινόμενο της διάδοσης των κυμάτων. Έχει ως στόχο να παρέχει κατανόηση της διαδικασίας sol-gel και των προϊόντων της, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών ινών που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία μέσω του διαδικτύου. Στόχοι μαθήματος Να μάθουν οι μαθητές σχετικά με τις ιδιότητες των υλικών της sol-gel διαδικασίας και των προϊόντα της Να περιγραφεί η σχέση μεταξύ του διαδικτύου και των οπτικών ινών Να περιγραφεί πώς η τεχνική sol-gel χρησιμοποιείται για την κατασκευή λεπτών μεμβρανών Απαιτούμενη προηγούμενη γνώση Για να κατανοηθούν οι βασικοί όροι που υπάρχουν στο κείμενο απαιτείται γνώση: Βασικών στοιχείων της νανοτεχνολογίας Υλικό και πόροι 1

2 Κείμενο ανάγνωσης μαθητών Βίντεο - Πείραμα Υλικό Δραστηριοτήτων Αξιολόγηση Μαθητών Φύλλο εργασίας μαθητή Ερωτήσεις μαθητή και ιδέες επέκτασης 1- Βρείτε ποια χώρα έχει το γρηγορότερο ίντερνετ στον κόσμο *. 2- Αναθέστε στους μαθητές να γράψουν μια παράγραφο σχετικά με το τι καθορίζει την ταχύτητα του ίντερνετ ψάχνοντας την έννοια bytes/δευτερόλεπτο. * Σύμφωνα με τη Cisco, η Νότια Κορέα έχει την καλύτερη ευρυζωνική υπηρεσία στον κόσμο, με μια μέση ταχύτητα λήψης δεδομένων 33,5 megabits ανά δευτερόλεπτο, σχεδόν τρεις φορές την ταχύτητα της χώρας στη δεύτερη θέση (Χονγκ Κονγκ) και ταχύτητα αποστολής δεδομένων 17 megabits ανά δευτερόλεπτο, μεγαλύτερη από το διπλάσιο της αντίστοιχης ταχύτητας του Χονγκ Κονγκ, και έχει 100% ευρυζωνική διείσδυση. ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΓΙΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΥΣ Σύντομο Θεωρητικό υπόβαθρο Μια οπτική ίνα είναι μια εύκαμπτη, διαφανής ίνα κατασκευασμένη από υψηλής ποιότητας διάθλασης γυαλί (διοξείδιο του πυριτίου) ή πλαστικό, ελαφρώς παχύτερο από μια ανθρώπινη τρίχα. Μπορεί να λειτουργήσει ως ένας κυματοδηγός, ή «σωλήνας φωτός", για τη μετάδοση φωτός μεταξύ των δύο άκρων της ίνας. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται στις επικοινωνίες οπτικών ινών, και επιτρέπουν την μετάδοση σε μεγαλύτερες αποστάσεις και σε υψηλότερου εύρους ζώνης (ταχύτητες δεδομένων) από ό, τι άλλες μορφές. Οι ίνες χρησιμοποιούνται αντί των μεταλλικών συρμάτων, επειδή τα σήματα οδεύουν κατά μήκος τους με λιγότερη απώλεια και είναι επίσης απρόσβλητα σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Οι οπτικές ίνες περιλαμβάνουν ένα διαφανή πυρήνα που περιβάλλεται από ένα διαφανές υλικό επένδυσης με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης. Η ολική εσωτερική ανάκλαση κρατά το φως στον πυρήνα, και αυτό κάνει την ίνα να δρα ως κυματοδηγός. 2

3 Εικόνα 1: Μια δέσμη οπτικών ινών. (2) Ο δείκτης διάθλασης είναι ένας τρόπος μέτρησης της ταχύτητας του φωτός σε ένα υλικό. Το φως ταξιδεύει ταχύτερα στο κενό με ταχύτητα περίπου km/sec. Ο δείκτης διάθλασης υπολογίζεται διαιρώντας την ταχύτητα του φωτός στο κενό με την ταχύτητα του φωτός σε κάποιο άλλο μέσο. Όταν το φως που ταξιδεύει σε ένα οπτικά πυκνό μέσο προσπίπτει στο όριο του υλικού με μια οξεία γωνία (μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία), τότε αντανακλάται πλήρως. Αυτό ονομάζεται ολική εσωτερική ανάκλαση. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται σε οπτικές ίνες για να κρατήσει το φως στον πυρήνα. Το φως ταξιδεύει μέσω του πυρήνα της ίνας, ανακλώμενο εμπρός και πίσω από το σύνορο μεταξύ του πυρήνα και της επενδύσεως. Επειδή το φως πρέπει να χτυπήσει το όριο με γωνία μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, μόνο το φως που εισέρχεται στην ίνα μέσα σε ένα ορισμένο εύρος γωνιών μπορεί να ταξιδεύει στην ίνα χωρίς διαρροή. Αυτό το εύρος γωνιών ονομάζεται ο κώνος αποδοχής της ίνας (3). Σχήμα 2: Ένα λέιζερ ανακλώμενο σε ακρυλική ράβδο, που απεικονίζει τη συνολική εσωτερική ανάκλαση του φωτός σε ένα μια πολυτροπική οπτική ίνα (4). Η γενική ονομασία «διαδικασία sol-gel» εμπεριέχει μια μεγάλη ομάδα μεθόδων για τη λήψη υλικών από διαλύματα, στα οποία ο σχηματίζεται πήκτωμα σε ένα από τα στάδια της διαδικασίας. Η πιο γνωστή εκδοχή της διεργασίας sol-gel βασίζεται στις διαδικασίες ελεγχόμενης υδρόλυση των ενώσεων, συνήθως αλκοξείδια M (OR) x (Μ = Si, Ti, Zr, V, Ζη, ΑΙ, Sn, Ge, Μο, W, κλπ. ) ή αντίστοιχα χλωρίδια, εντός ενός υδατικού ή οργανικού μέσου, συνήθως αλκοόλης. Στο πρώτο στάδιο της διεργασίας sol-gel οι αντιδράσεις υδρόλυσης και πολυσυμπύκνωσης οδηγούν στο σχηματισμό ενός κολλοειδούς διαλύματος, δηλαδή sol, σωματιδίων υδροξειδίου. Η αύξηση της χύδην συγκέντρωσης της διεσπαρμένης φάσης ή άλλες μεταβολές στις εξωτερικές συνθήκες (ρη, διαλύτης υποκατάστασης) οδηγούν στο σχηματισμό ισχυρών επαφών μεταξύ των σωματιδίων και στο σχηματισμό ενός μονολιθικού πήγματος, στο οποίο τα μόρια διαλύτη περικλείονται σε ένα εύκαμπτο, αλλά αρκετά σταθερό, τρισδιάστατο πλέγμα που σχηματίζεται από σωματίδια των υδροξειδίων. Η συγκέντρωση των κολλοειδών διαλυμάτων που ακολουθείται από πηκτωματοποίηση συντελείται χρησιμοποιώντας διαπίδυση, υπερδιήθηση, ηλεκτροδιάλυση, εξάτμιση σε χαμηλές θερμοκρασίες, ή εκχύλιση. Κρίσιμο ρόλο στη διεργασία sol-gel παίζουν οι διεργασίες της απομακρύνσεως του διαλύτη από το πήκτωμα (στέγνωμα ). Ανάλογα με τη μέθοδο, η σύνθεση μπορεί να οδηγήσει σε διάφορα προϊόντα ( ξηρογέλες, ambigels, κρυογέλες, αεροπηκτώματα ). Κοινά χαρακτηριστικά αυτών των προϊόντων περιλαμβάνουν η διαφύλαξη των νάνο-διαστάσεων των δομικών στοιχείων και 3

4 η επαρκώς υψηλή τιμή ειδικής επιφάνειας ( εκατοντάδες m 2 /g ), αν και η χύδην πυκνότητα μπορεί να ποικίλει εκατοντάδες φορές. Τα περισσότερα προϊόντα της sol-gel συνθέσεως χρησιμοποιούνται ως πρόδρομοι στην δημιουργία νάνο-σκονών οξειδίων, λεπτών μεμβρανών ή κεραμικών (5). Η μέθοδος sol-gel περιλαμβάνει επίσης τη διαδικασία πολυμερούς -gel, κατά την οποία ο σχηματισμός πήγματος επιτυγχάνεται με την εισαγωγή ενός υδατο- διαλυτού πολυμερούς στο αρχικό διάλυμα, που ακολουθείται από εξάτμιση. Η λυοφιλοποίηση ή υπερκρίσιμη ξήρανση των πηκτωμάτων πολυμερούς με επακόλουθη θερμική κατεργασία σε αδρανή ατμόσφαιρα χρησιμοποιείται για την παραγωγή κρυογελών και αεροπηκτωμάτων του άνθρακα και (6). Σχήμα 3: σχήμα τεχνολογιών sol-gel και των προιόντων τους (7) Εισαγωγή Το να αγαπάς την ομορφιά είναι το να βλέπεις το φως. (8) Βίκτωρας Ουγκώ Υπάρχουν δυο τρόποι να διαδίδεις το φως: Να είσαι το κερί ή ο καθρέφτης που το ανακλά. (8) Edith Wharton Η εκπαίδευση είναι ότι απομένει όταν κάποιος ξεχάσει όλα όσα έμαθε στο σχολείο. (8) Albert Einstein Ο καθηγητής ξεκινά μια συνεδρία καταιγισμού ιδεών με τις ακόλουθες ερωτήσεις (ταυτόχρονα αφήνει τους μαθητές να εκφράσουν τις απόψεις / ιδέες τους, βοηθώντας τους να ανακαλέσουν προηγούμενες γνώσεις τους και με την παρότρυνσή να συνειδητοποιήσουν τις αρχές, τις έννοιες και τις σχέσεις): Πώς μπορούμε να επικοινωνούμε μέσω του διαδικτύου; Τι θα καταλάβετε αν πω: Όλη η ηλεκτρονική βιομηχανία εξαρτάται από λεπτά υμένια σήμερα; ΜΑΘΗΣΙΑΣΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 4

5 Πριν τη διάλεξη Ανάθεση: Δίνεται στους μαθητές το κείμενο με τίτλο «λεπτά υμένια κυματοδηγών και επεξεργασία sol-gel» και τους ζητάτε να το διαβάσουν. Προετοιμασία πριν το μάθημα: Σχεδιάζουμε το δωμάτιο για να παρακολουθήσουμε τα βίντεο του πειράματος. Προετοιμασία των υλικών που απαιτούνται σε δραστηριότητες όπως εξηγείται παρακάτω. Στη Διάλεξη > Βήμα 1: Ζητούμε τις απαντήσεις από τις παρακάτω ερωτήσεις σχετικά με το κείμενο. Ερώτηση 1: Τι είναι το intranet; Intranet είναι ο γενικός όρος για μια συλλογή ιδιωτικών δικτύων ηλεκτρονικών υπολογιστών στο πλαίσιο ενός οργανισμού. Χρησιμοποιεί τεχνολογίες δικτύων ως εργαλείο για να διευκολύνει την επικοινωνία μεταξύ των ανθρώπων ή των ομάδων εργασίας για να βελτιωθεί η δυνατότητα κοινής χρήσης των δεδομένων και της συνολικής βάσης των γνώσεων των εργαζομένων ενός οργανισμού. Ερώτηση 2 : Πού έχετε ακούσει τον όρο οπτική ίνα; Στις τηλεπικοινωνίες πρακτικές. Ερώτηση 3 : Τι είναι οι οπτικές ίνες ; Είναι ίνες οπτικά καθαρού γυαλιού (γραμμές οπτικών ινών) στο πάχος της ανθρώπινης τρίχας, που μεταφέρουν ψηφιακές πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις. Ερώτηση 4 : Τι είναι η ολική εσωτερική αντανάκλαση ; Η ολική εσωτερική ανάκλαση είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν ένα κύμα χτυπά το όριο δυο μέσων σε μια γωνία μεγαλύτερη από μια συγκεκριμένη κρίσιμη γωνία σε σχέση με την κανονική (κάθετη κατεύθυνση) προς την επιφάνεια. Αν ο δείκτης διαθλάσεως είναι χαμηλότερος από την άλλη πλευρά του ορίου και η γωνία προσπτώσεως είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα (φως) δεν μπορεί να περάσει από το όριο και ανακλάται εντελώς. Ερώτηση 5 : Τι είναι ένα sol ; Ένα sol είναι ένα κολλοειδές εναιώρημα από πολύ μικρά στερεά σωματίδια σε ένα υγρό συνεχές μέσο. > Βήμα -2 : Ξεκινάμε τη Δραστηριότητα - 1 που περιγράφεται στις κατευθυντήριες γραμμές Φοιτητές». > Βήμα -3 : Ζητάμε να απαντηθεί η ακόλουθη ερώτηση σχετικά με τη δραστηριότητα. Ερώτηση 6 : Τι παρατήρησες στην δραστηριότητα 1 ; Όλοι γνωρίζουμε ότι το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή - πώς συνέβη αυτό ; 5

6 Σύμφωνα με το φαινόμενο ολικής εσωτερικής ανάκλασης το φως διαδίδεται μέσα στην οπτική ίνα ανακλάται εσωτερικά και διαδίδεται προς τα όρια της οπτικής ίνας. > Βήμα -4 : Ξεκινάμε τη Δραστηριότητα - 2 που περιγράφεται στις κατευθυντήριες γραμμές των μαθητών. > Βήμα -5 : Κάνουμε την παρακάτω ερώτηση σχετικά με τη δραστηριότητα. Ερώτηση 7 : Γιατί νομίζετε ότι είδαμε διάφορα χρώματα από το μονόχρωμο βερνίκι νυχιών ; Η ταινία αντανακλά το φως με διαφορετικό τρόπο ανάλογα με το πάχος του. > Βήμα -6 : Ξεκινάμε τη Δραστηριότητα - 3 που περιγράφεται στις κατευθυντήριες γραμμές μαθητών. > Βήμα -7 : Εκκίνηση της δραστηριότητας - 4 που περιγράφεται στις κατευθυντήριες γραμμές μαθητών. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Συζήτηση: Ποια άλλα υλικά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να φτιάξουμε οπτικές ίνες; ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Α. Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. ( 5 λεπτά) 1 Ένα... είναι μια σταθερή διασπορά των κολλοειδών σωματιδίων ή πολυμερών σε ένα διαλύτη είναι μια χημική διαδικασία διαλύματος που χρησιμοποιείται για να φτιαχτούν κεραμικά και γυάλινα υλικά με τη μορφή λεπτών μεμβρανών, ινών, ή σκονών. 3 - Μια... αποτελείται από ένα τρισδιάστατο συνεχές δίκτυο, το οποίο περικλείει μία υγρή φάση. 4 - Μια... είναι ουσιαστικά ένας κυματοδηγός για το φως. Β. Επιλέξτε Σωστό (Σ) ή λάθος (Λ) για κάθε μία από τις ακόλουθες δηλώσεις. ( 5 λεπτά) ( ) 1 - Υπάρχει συσχέτιση μεταξύ του διαδικτύου και των οπτικών ινών. ( ) 2 Οι οπτικές ίνες έχουν έναν πυρήνα και μια επένδυση που περιβάλλει τον πυρήνα. ( ) 3 Οι οπτικές ίνες είναι ένα σύστημα πληροφορικής που μεταδίδει το φως διαμέσου ινών γυαλιού, συνδέουν τον αναπτυγμένο κόσμο και παρέχουν πληροφορίες φορές ταχύτερα από την τεχνολογία καλωδίων χαλκού. ( ) 4. Ο δείκτης διαθλάσεως της επένδυσης σε μια οπτική ίνα είναι μεγαλύτερος από εκείνο του πυρήνα. ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Α. Συμπληρώστε τα κενά 1-2 sol - sol-gel 3 - gel 4 - οπτική ίνα Β. Γράψτε True ( Σ ) ή False ( Λ) 1 Σ, 2 Σ, 3 Λ, 4 Λ 6

7 ΑΝΑΦΟΡΕΣ (1) (Guinness World Record) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 7