NTSE - Nano Technology Science Education Project No: 511787-LLP-1-2010-1-TR-KA3-KA3MP ΚΥΜΑΤΟΔΗΓΟΙ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ SOL GEL ΔΙΑΒΑΣΜΑ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Έχετε ποτέ σκεφτεί γιατί το διαδίκτυο είναι γρηγορότερα όταν χρησιμοποιείτε συνδέσεις οπτικών ινών; Ή, ποια είναι η σχέση μεταξύ του διαδικτύου και των οπτικών ινών; Λέγεται ότι το διαδίκτυο μοιάζει με τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Μπορείτε να σκεφτείτε γιατί είναι έτσι; Οι οπτικές ίνες είναι ένα σύστημα παροχής δεδομένων ικανές να μεταφέρουν φως και ήχο μέσω γυάλινων ινών. Στις τηλεπικοινωνίες, η τεχνολογία οπτικών ινών έχει αντικαταστήσει την τεχνολογία με τη χρήση χάλκινων καλωδίων, παρέχοντας πληροφορίες 1000 φορές γρηγορότερα και 100 φορές μακρύτερα. Μία οπτική ίνα τυπικά περιλαμβάνει ένα πυρήνα, ο οποίος περιβάλλεται από μια επένδυση υλικού με μικρότερο δείκτη διάθλασης (Εικ. 1). Το φως παραμένει στον πυρήνα λόγω ολικής εσωτερικής ανάκλασης, και η ίνα δρα ως κυματοδηγός. Εικόνα 1: Οπτική ίνα (1) Ο δείκτης διάθλασης είναι ένας τρόπος μέτρησης της ταχύτητας του φωτός σε ένα υλικό. Το φως ταξιδεύει ταχύτερα στο κενό, όπως και στο διάστημα. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι περίπου 300.000 χιλιόμετρα (186.000 μίλια) ανά δευτερόλεπτο. Ο δείκτης διάθλασης υπολογίζεται διαιρώντας την ταχύτητα του φωτός στο κενό με την ταχύτητα του φωτός στο άλλο μέσο. Ο δείκτης διάθλασης του κενού είναι επομένως 1, εξ ορισμού. Η τυπική τιμή δείκτη διάθλασης για την επένδυση μιας οπτικής ίνας είναι 1,52. (Ο δείκτης διαθλάσεως της επένδυσης είναι μικρότερος από εκείνον του πυρήνα, επιτρέποντας στις ακτίνες του φωτός που βρίσκονται στον πυρήνα να ανακλώνται ολικά και να παραμένουν στον πυρήνα.) Η ολική εσωτερική ανάκλαση είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν ένα Εκόνα 2: Διάδοση του φωτός. (2) 1
διαδιδόμενο κύμα εισέρχεται σε ένα μέσο με μια γωνία μεγαλύτερη από μια συγκεκριμένη κρίσιμη γωνία, σε σχέση με την κάθετη προς την επιφάνεια. Εάν ο δείκτης διάθλασης είναι μικρότερος από την άλλη πλευρά του μέσου και η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, το κύμα δεν μπορεί να περάσει μέσα από το υλικό και αντανακλάται εξ ολοκλήρου. Το διαδίκτυο οπτικών ιών μοιάζει με τον εγκέφαλο, επειδή οι λειτουργίες του εξαρτώνται από την ικανότητα των ηλεκτροχημικών σημάτων μετάδοσης σε άλλα κύτταρα, και το κατά πόσον αυτά ανταποκρίνεται κατάλληλα στα σήματα που λαμβάνονται από άλλα κύτταρα. Επιπλέον, η μυελίνη που καλύπτει τους νευρίτες στα κύτταρα του εγκεφάλου (νευρώνες) μοιάζει με την επικάλυψη των οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές εφαρμογές, όπως σε οπτικούς οδηγούς φωτός σε ιατρικές εφαρμογές ή σε εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των πινακίδων, της τέχνης, της μόδας, και των Εικόνα 3: το εγγεφαλικό κύτταρο. (3) παιχνιδιών. Μερικές μπουτίκ κοσμημάτων χρησιμοποιούν οπτικές ίνες για να φωτίζουν τις βιτρίνες τους από πολλές διαφορετικές οπτικές γωνίες. Εικόνα 4: όπτικές ίνες που χρησιμοποιούνται σε ρούχα (4) Συνεπώς, ποια μπορεί να είναι η σχέση μεταξύ των «λεπτών υμενίων» και της επεξεργασίας sol-gel"; Ο όρος "sol-gel" αναφέρεται σε μία διαδικασία στην οποία στερεά νάνο-σωματίδια διαλύονται σε ένα υγρό (ένα κολλοειδές διάλυμα), και κατόπιν επαναφέρονται με ένα ελεγχόμενο τρόπο, για να σχηματίσουν ένα συνεχές τρισδιάστατο δίκτυο που εκτείνεται σε όλο το υγρό (μία γέλη). (5) Οι πρώτες ύλες για την παρασκευή του «sol» είναι συνήθως ανόργανα άλατα μετάλλων ή μεταλλικών οργανικών ενώσεων, όπως αλκοξείδια μετάλλου. Το sol-gel είναι μια χημική διαδικασία που χρησιμοποιείται για να κατασκευαστούν κεραμικά και γυάλινα υλικά σε μια ευρεία ποικιλία μορφών λεπτών υμενίων, ινών, ή σκόνης. Αυτές οι δομές περιλαμβάνουν εξαιρετικά λεπτές σκόνες σφαιρικού σχήματος, 2
λεπτής επίστρωσης φιλμ, κεραμικές ίνες, μικροσκοπικές ανόργανες μεμβράνες, μονολιθικά κεραμικά και γυαλιά, και εξαιρετικά πορώδη υλικά aerogel. Σε μία τυπική διαδικασία sol-gel, το αρχικό υλικό υποβάλλεται σε μία σειρά από αντιδράσεις υδρόλυσης και πολυμερισμού για να σχηματίσουν ένα κολλοειδές εναιώρημα, ή ένα «sol». Περαιτέρω επεξεργασία του «sol» επιτρέπει σε κάποιον να κάνει κεραμικά υλικά σε διάφορες μορφές: Λεπτές ταινίες μπορεί να παραχθούν σε ένα κομμάτι του υποστρώματος με επικάλυψη μέσω περιστροφής ή εμβάπτισης-επικάλυψης. Wet τζελ μπορεί να παραχθεί αν το "sol" χύνεται σε ένα καλούπι. Με περαιτέρω ξήρανση και θερμική επεξεργασία, η γέλη μετατρέπεται σε πυκνά κεραμικά ή γυάλινα αντικείμενα. Aerogel, ένα πολύ πορώδες και εξαιρετικά χαμηλής πυκνότητας υλικό, μπορεί να επιτευχθεί εάν το υγρό σε υγρή γέλη απομακρύνεται υπό μία υπερκρίσιμη κατάσταση. Η εξαιρετικά λεπτή και ομοιόμορφη κεραμική σκόνη σχηματίζεται από καθίζηση, sprey πυρόλυση ή τεχνικές γαλακτώματος. Κεραμικές ίνες μπορούν να εξαχθούν από το διάλυμα με την προσαρμογή του ιξώδους του sol. Μια επισκόπηση της διεργασίας sol-gel παρουσιάζεται στο σχήμα 5. Εκόνα 5: η διαδικασία sol-gel (6) Η εφεύρεση: Όταν οι ίνες υάλου του πυρήνα εισήχθησαν στις αρχές του 1950, χρησιμοποιούνταν μόνο σε μικρά μήκη, λόγω της παρουσίας προσμίξεων. Το 1966, οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί Charles Kao και ο George Hockham πρότειναν τη χρήση ινών στις τηλεπικοινωνίες και μέσα σε δύο δεκαετίες, οι ίνες γυαλιού πυριτίου είχαν παραχθεί με επαρκή καθαρότητα ώστε τα υπέρυθρα σήματα φωτός να μπορούν να ταξιδέψουν μέσα από αυτά για 100 χιλιόμετρα. Το 2009 ο Kao τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την εργασία του. Στη συνέχεια, εισήχθησαν πλαστικές ίνες, που η παραγωγή τους είναι φθηνότερη και πιο ευέλικτη από τις ίνες γυαλιού, αλλά και με μεγαλύτερη απώλεια του φωτός σε αυτές, με αποτέλεσμα η χρήσεις τους να περιορίζονται σε μικρότερες συνδέσεις στο εσωτερικό των κτιρίων ή τα αυτοκίνητα. (7) 3
Εικόνα 6: Εικόνα του Charles Kao στο εργαστήριό του (7) Δραστηριότητα-1: ΦΤΙΑΞΤΕ ΤΗ ΔΙΚΗ ΣΑΣ ΟΠΤΙΚΗ ΙΝΑ Θα χρειαστείτε : Ένα μεγάλο και άδειο πλαστικό μπουκάλι Ένα Laser pointer Ένα τρυπάνι Πρόσβαση σε ένα νεροχύτη Πώς να κάνετε το πείραμα : 1. Ανοίξτε μια τρύπα στη μέση της πλαστικής φιάλης. 2. Καλύψτε την τρύπα με το δάχτυλό σας και γεμίστε το μπουκάλι με νερό. Μην τοποθετείτε το καπάκι πίσω στο μπουκάλι. Κρατήστε τη φιάλη κοντά σε νεροχύτη. 3. Ρίξτε το φως ενός λέιζερ μέσα από το πίσω μέρος της φιάλης έτσι ώστε να λάμπει κατ' ευθείαν έξω από την τρύπα. 4. Πάρτε το δάχτυλό σας μακριά από την τρύπα και παρακολουθήστε το φως που λάμπει. Γιατί συνέβη αυτό ; Αυτό που βλέπετε είναι ένα σημείο του φωτός στο κάτω μέρος του νερού. Αλλά όπως όλοι γνωρίζουμε, το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή - Πώς συνέβη αυτό ; Αν κάθεστε κάτω από το νερό σε μια πισίνα και να εξετάσουμε κατ 'ευθείαν επάνω, συνήθως μπορείτε να δείτε μια κυματιστή εικόνα της οροφής, άλλα και κολυμβητές πάνω από την επιφάνεια. Ωστόσο, αν προσπαθήσετε κοιτάζοντας την επιφάνεια από μια ρηχή γωνία, θα παρατηρήσετε ότι δεν μπορείτε πλέον να δείτε το ανώτατο όριο, αλλά η επιφάνεια συμπεριφέρεται λίγο σαν ένα καθρέφτη. 4
Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ολική εσωτερική ανάκλαση και συμβαίνει όταν η γωνία μεταξύ της επιφάνειας του ύδατος και την κατεύθυνση του ταξιδεύει το φως είναι αρκετά μικρή. Δραστηριότητα-2: ΦΤΙΑΞΤΕ ΤΟ ΔΙΚΟ ΣΑΣ ΛΕΠΤΟ ΥΜΕΝΙΟ Θα χρειαστείτε : Ένα ρηχό ταψί Ένα στενό κομμάτι μαύρο χαρτί Ένα καθαρό βερνίκι νυχιών Πώς θα κάνετε το πείραμα : 1. Κρατώντας το ένα άκρο, τοποθετήστε το χαρτί στο ταψί. Βεβαιωθείτε ότι είναι εντελώς κάτω από το νερό ( εκτός από το τέλος που κρατάτε ). 2. Χρησιμοποιήστε το βουρτσάκι για να στάξετε μία σταγόνα βερνικιού νυχιών πάνω στην επιφάνεια του νερού. 3. Παρακολουθήστε τι συμβαίνει - το βερνίκι αμέσως απλώνεται σε ένα λεπτό στρώμα! 4. Σηκώστε το χαρτί πάνω και έξω από το νερό. 5. Η ταινία βερνικιού νυχιών θα κολλήσει στο χαρτί. Μήπως το βερνίκι των νυχιών φαίνεται ακόμα καθαρά; Γιατί συνέβη αυτό ; Το βερνίκι νυχιών απλώνεται σε ένα λεπτό στρώμα, το οποίο δημιουργεί ιριδίζοντα χρώματα στο χαρτί. Η ταινία είναι μόνο μερικές εκατοντάδες νανόμετρα πάχους. Η ταινία είναι ελαφρώς παχύτερη σε ορισμένες περιοχές και λεπτότερη σε άλλες. Η ταινία αντανακλά το φως με διαφορετικό τρόπο ανάλογα με το πόσο παχιά είναι, έτσι ώστε να βλέπετε διαφορετικά χρώματα. Λεπτές ταινίες μπορεί να αντανακλούν το φως με ειδικούς τρόπους, επειδή είναι μόνο μερικές εκατοντάδες νανόμετρα πάχους. Αυτό είναι στο ίδιο μέγεθος με το μήκος κύματος του ορατού φωτός. Οι φυσαλίδες του σαπουνιού και οι πετρελαιοκηλίδες είναι μερικά άλλα παραδείγματα των λεπτών υμενίων που δημιουργούν όμορφα, ιριδίζοντα χρώματα. Δραστηριότητα-3: Παρακολουθήστε την ταινία Fiber optic thin film fabrication by sol-gel processing. Δραστηριότητα-4: Παρακολουθήστε την ταινία σχετικά με τις οπτικές ίνες στο http://www.youtube.com/watch?v=0mwmkbet_5i 5
ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ Α. Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. (5 λεπτά) 1 Το... είναι μια σταθερή διασπορά των κολλοειδών σωματιδίων ή πολυμερών σε ένα διαλύτη. 2 -... είναι μια διαδικασία χημικού διαλύματος που χρησιμοποιείται για την κατασκευή κεραμικών και γυάλινων υλικών με τη μορφή λεπτών μεμβρανών, ινών ή σκόνης. 3 - Το... αποτελείται από ένα τρισδιάστατο συνεχές δίκτυο, που περικλείει μία υγρή φάση. 4 - Μια... είναι ουσιαστικά ένα κυματοδηγός για το φως. Β. Επιλογή 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 επένδυση που περιβάλλει τον πυρήνα. ( ) 3 Οι οπτικές ίνες είναι ένα σύστημα μετάδοσης δεδομένων που εκπέμπουν φως μέσα από ίνες γυαλιού και συνδέουν τον αναπτυγμένο κόσμο παρέχοντας πληροφορίες 100.000 φορές πιο γρήγορα από ό, τι τα καλώδια τεχνολογίας χαλκού. ( ) 4. Ο δείκτης διαθλάσεως της επένδυσης της οπτικής ίνας είναι μεγαλύτερος από εκείνον του πυρήνα. ΑΝΑΦΟΡΕΣ (1) http://www.britannica.com/ebchecked/topic/205837/fibre-optics (2) http://en.wikipedia.org/wiki/optical_fiber (3) http://webspace.ship.edu/cgboer/neuron.gif (4)lhttp://www.lumigram.com/catalog/images/luminous%20fiber%20optic%20dress%20(Lu mit(op%20sophia)%201.jpg (4) lhttp://www.luxurylaunches.com/wp-content/uploads/2012/12/tablecloth2.jpg (5) http://www.aerogel.org/?p=992 (6) http://www.lswn.it/files/img_1_sol_gel_process.jpg (7) http://www.goforich.co.uk/cafescientifique/images/kao_1219.jpg http://www.aflglobal.com/products/fiber-optic-cable/opgw.aspx (Fiber optic cable) http://sewreview.com/img/gallery/913.jpg (Fiber optic fashion) http://www.bbc.co.uk/norfolk/features/ba_festival/ks_fibreoptics.pdf http://www.doctormadscience.com/video/fiber-optic-water/ http://www.nisenet.org/sites/default/files/catalog/uploads/9881/diy_nano_print_rainbow film 03 21.pdf http://www.uio.no/studier/emner/matnat/kjemi/kjm5100/h06/undervisningsmateriale/ 10KJM5100_2006 sol gel_d.pdf http://eltexamprep.com/files/chapter%207%20the%20internet%20and%20fiber%20op tics.ppt 6