NTSE - Nano Technology Science Education Project No: 511787-LLP-1-2010-1-TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΜΑΘΗΤΕΣ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ Εικονικό εργαστήριο: http://vlab.ntse-nanotech.eu/nanovirtuallab/ 1
ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Τα σωματίδια με μέγεθος ανάμεσα σε 1 και 100 nm θεωρούνται νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια είναι σωματίδια ανάμεσα στο χύμα υλικό και τις ατομικές ή μοριακές δομές. Τα χύμα υλικά έχουν σταθερές φυσικές ιδιότητες ανεξάρτητα από το μέγεθος τους. Το σχήμα και το μέγεθος των σωματιδίων μπορεί να επηρεάσει τις φυσικές ιδιότητες ενός υλικού. Για παράδειγμα, τα διαλύματα των νανοσωματιδίων χρυσού διαφέρουν σε χρώμα ανάλογα με το μέγεθος τους (Σχήμα 1). Σχήμα 2: Μεσαιωνικά χρωματισμένο παράθυρο από γυαλί με τη χρήση της νανοτεχνολογίας. (2) Η ιδιότητα αυτή του χρυσού αποτελεί ένα πολύ γνωστό παράδειγμα των αρχικών εφαρμογών της νανοτεχνολογίας. Τα νανοσωματίδια χρυσού χρησιμοποιήθηκαν για να χρωματίσουν κόκκινα τα γυάλινα παράθυρα κατά τη διάρκεια του Μεσαίωνα. Το ασήμι χρησιμοποιήθηκε αντίστοιχα για το κίτρινο χρώμα. (Σχήμα 2). Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων είναι το εμβαδό επιφανείας. Τα υλικά με πολύ μικρά σωματίδια έχουν συχνά πολύ μεγάλο εμβαδό επιφανείας αναλογικά με τον όγκο τους. Όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδό επιφανείας, τόσο μεγαλύτερη αντιδραστικότητα έχουν. Υπάρχουν δύο βασικές προσεγγίσεις στην κατασκευή νανοσωματιδίων. Η από πάνω προς τα κάτω και η από κάτω προς τα πάνω. Η μέθοδος από πάνω προς τα κάτω ουσιαστικά μειώνει το μέγεθος υλικών που έχουν μεγάλο μέγεθος κατεβαίνοντας τη νανοκλίμακα. Η μέθοδος από κάτω προς τα πάνω δημιουργεί προϊόντα χτίζοντας τα άτομο προς άτομο (ή μόριο προς μόριο). Πρόκειται για μια χρονοβόρα μέθοδο και οι επιστήμονες αναζητούν μια λύση η οποία θα τοποθετεί συστατικά μοριακής κλίμακας μαζί, τα οποία θα αυτό-συγκεντρώνονται αυθόρμητα από κάτω προς τα επάνω σχηματίζοντας διατεταγμένες δομές. Η μέθοδος από πάνω προς τα κάτω μπορεί να περιγραφεί ως το να κόβουμε ένα κέικ σε πολύ μικρά κομμάτια. Η μέθοδος από κάτω προς τα επάνω συμβολίζεται με: προσθέτω αλεύρι, ζάχαρη και κακάο σε πολύ μικρά κομμάτια ένα-ένα για να φτιάξω το κέικ. 2 Σχήμα 1. Η διάμετρος των νανοσωματιδίων χρυσού καθορίζει το μήκος κύματος του φωτός που απορροφάται. Τα χρώματα σε αυτό το διάγραμμα απεικονίζουν αυτό το αποτέλεσμα. (1)
Όταν κατασκευάζουμε νανουλικά, προσπαθούμε να διατηρήσουμε τις μικρές διαστάσεις των συστατικών μετά την κατασκευή. Παρ όλα αυτά, σε κάποιες περιπτώσεις παρουσιάζεται συσσώρευση, η οποία συμβάλλει στην εξασθένηση των πλεονεκτημάτων των νανουλικών. Οι επιστήμονες αναζητούν τρόπους να εμποδίσουν τη συσσωμάτωση, όπως είναι η επικάλυψη της επιάνειας που εμποδίζει την ένωση των σωματιδίων. Ένα παράδειγμα της μεθόδου από κάτω προς τα επάνω είναι η καθίζηση. Η διαλυτότητα εξαρτάται από το διαλύτη και τη θερμοκρασία. Όταν τα στερεά διαλυθούν εντελώς στο σημείο βρασμού και το διάλυμα αφήνεται να ψυχθεί, η καθίζηση ξεκινά σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Στην αρχή, το ίζημα δεν είναι ορατό με γυμνό μάτι. Αυτό οφείλεται στην έλλειψη διάθλασης του ορατού φωτός από το ίζημα, αφού το μέγεθος των ιζημάτων είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός. Όταν το μέγεθος των ιζημάτων μεγαλώνει τόσο όσο να είναι συγκρίσιμο με το μήκος κύματος του φωτός, ξεκινά η διάθλαση και το διάλυμα γίνεται θολό. Καθώς η καθίζηση συνεχίζεται, το μέγεθος των ιζημάτων μεγαλώνει και πραγματοποιείται συσσώρευση ανάμεσα στα ιζήματα. Τελικά, το μέγεθος τους φτάνει τα 0.1 mm και μπορούμε να τα διακρίνουμε ως μεμονωμένα σωματίδια. Το φως αντανακλάται από τα αντικείμενα και έρχεται στα μάτια μας. Τα μάτια τότε εστιάζουν στο φως και το μετατρέπουν σε μικρούς ηλεκτρικούς παλμούς. Οι ηλεκτρικοί παλμοί αναπτύσσονται στους δέκτες φωτός (ράβδοι και κώνοι) και έπειτα μεταφέρονται μέσω του οπτικού νεύρου στον εγκέφαλο. Εκεί στην πραγματικότητα βλέπουμε τα πράγματα. Το ορατό φως αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 400 700 nm και σε χρωματικό εύρος από μωβ σε κόκκινο. Το γυμνό μάτι δε μπορεί να δει αντικείμενα μικρότερα από 0.1 mm (1/10.000 m). Το πάχος μιας τρίχας είναι περίπου 0.1 mm. Το μικρότερο ορατό αντικείμενο με τη χρήση συμβατικού μικροσκοπίου είναι 1 μικρόμετρο (1/1.000.000 m), αφού το ορατό φως έχει εύρος μήκους κύματος παρόμοιο με το μέγεθος αυτό. Οι νανοκρύσταλλοι έχουν ευρεία εφαρμογή σε τομείς όπως: κβαντικές ύλες, αντιβακτηριδιακά υλικά επικάλυψης, αυτοκαθαριζόμενα υλικά επικάλυψης, προηγμένες τεχνικές απεικόνισης και θεραπεία του καρκίνου. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 1: Πάρτε αρκετές οδοντογλυφίδες και χωρίστε καθεμία σε δύο κομμάτια. Βουτήξτε κάθε πλευρά της οδοντογλυφίδας σε μέλι και φτιάξτε γεωμετρικά σχήματα κάνοντας συνδυασμούς. Έπειτα, βάλτε τις σε ζεστό νερό και ανακατέψτε αργά. Παρατηρήστε τι συμβαίνει. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 2: Πάρτε ένα κουτί με μέγεθος 60-70 dm 3. Γεμίστε το με μπαλάκια του πίνγκ-πόνγκ. Κουνήστε κατά διαστήματα το κουτί για τα επόμενα 15 λεπτά χωρίς να το γυρίσετε ανάποδα. Έπειτα, ανοίξτε το, αφαιρέστε τα επάνω στρώματα από μπαλάκια και παρατηρήστε την ακολουθία τους. Προσπαθήστε να καταλάβετε το σχηματισμό της κρυσταλλικής δομής. 3 Σχήμα 3- Κουτί γεμάτο με μπάλες πινγκ-πονγκ
Ένα κυβικό κουτί (40x40x40 cm) γεμίζει με μπαλάκια του πινγκ-πονγκ (Σχ.-3). Προσέχοντας να μην πέσει, χτυπάμε το κουτί περιοδικά σε κάθε μια από τις απέναντι πλευρές του. Η στοίβα από τα μπαλάκια ηρεμεί ώστε να καλύψει τα κενά που υπάρχουν ανάμεσα. Τα μπαλάκια στο πάνω μέρος του κουτιού λιγοστεύουν. Οι δομές FCC και HCP προσπαθούν να σχηματιστούν στο κουτί. Όταν σχεδόν τα μισά μπαλάκια έχουν αφαιρεθεί από το κουτί, διαμορφώνονται οι δομές όπως φαίνονται στα Σχ. 3α και 3β Σχήμα 3α Σχήμα 3β Καθώς αυξάνεται το μέγεθος του κουτιού, αυξάνεται και ο αριθμός από τα μπαλάκια. Η αύξηση αυτή μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε ένα μοντέλο όσο γίνεται πιο κοντά στην πραγματικότητα καθώς και την πιθανότητα να παρατηρήσουμε τις πυκνές δομές που σχηματίζονται. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 3: Η δραστηριότητα αυτή πρέπει να γίνει σε στρογγυλό τραπέζι διαμέτρου περίπου 1 μέτρου μαζί με τους φίλους σου. Δώσε από 50 οδοντογλυφίδες σε κάθε φίλο σου. Θα πρέπει να βάλετε στη σειρά τις οδοντογλυφίδες όπως φαίνεται στις παρακάτω φωτογραφίες. Συνεχίστε να τις βάζετε στη σειρά έως ότου όλες οι οδοντογλυφίδες σας συναντηθούν στη μέση του τραπεζιού. Στην αρχή κάντε το πείραμα μόνοι σας, μετά με 3 φίλους και τελικά με 10 φίλους και δώστε τους απεριόριστο χρόνο (η δομή που σχηματίζεται είναι κρυσταλλική δομή μεγάλης ακτίνας. Η δομή που σχηματίζει ο ένας μαθητής μπορεί να ονομαστεί μονοκρυσταλλική, οι τρεις μαθητές πολυκρυσταλλική και οι δέκα μαθητές νανοκρυσταλλική). Δοκιμάστε αυτή τη δραστηριότητα με τους ίδιους φίλους και την ίδια τεχνική αλλά αυτή τη φορά δώστε τους μόνο 10 δευτερόλεπτα. Βάλτε όλες τις οδοντογλυφίδες στο τραπέζι και ζητήστε τους να τις τοποθετήσουν στον περιορισμένο αυτό χρόνο. Δείτε τι θα γίνει (η δομή που θα προκύψει ονομάζεται άμορφη δομή και έχει διάταξη βραχείας ακτίνας). 4
Τα άτομα σχηματίζουν κυψελίδες οι οποίες εντοπίζονται σε συγκεκριμένα σημεία των κυττάρων αυτών. Υποθέστε ότι τα άτομα σχηματίζουν ένα κυβικό κύτταρο. Η πάνω επιφάνεια του κύβου αναπαριστάται με ροζ χρώμα. Οι οδοντογλυφίδες αναπαριστούν τις εκατέρωθε δύο παράλληλες γραμμές σε αυτά τα επίπεδα (Σχήμα 4 α ) Σχήμα 4α Όταν τα διαλύματα ψύχονται αργά, τα στερεά που παθαίνουν καθίζηση μπορεί να σχηματίσουν δομές μεγάλης ακτίνας. Το σχήμα 4β απεικονίζει το σχηματισμό δομής μεγάλης ακτίνας (κρυσταλλική δομή) με οδοντογλυφίδες. Στην αρχή, η οδοντογλυφίδα που αναπαριστάται με ανοιχτό μπλε χρώμα (επάνω αριστερά) τοποθετείται στο τραπέζι με διάμετρο 1 m. Έπειτα, τοποθετήστε τις οδοντογλυφίδες όπως φαίνεται το πράσινο, κόκκινο και σκούρο μπλε στο σχήμα. Η δραστηριότητα αυτή μπορεί να σας πάρει όσο χρόνο χρειάζεστε. Σχήμα 4β Όταν τα διαλύματα ψύχονται πολύ γρήγορα, τα στερεά που παθαίνουν καθίζηση μπορεί να έχουν διάταξη βραχείας ακτίνας. Το Σχήμα 5 απεικονίζει το σχηματισμό μιας τέτοιας καθίζησης με οδοντογλυφίδες. Προσπαθήστε να βάλετε τις οδοντογλυφίδες στη σειρά σε 10 δευτερόλεπτα. Η ακολουθία των οδοντογλυφίδων μπορεί να μη μοιάζει με αυτή του σχήματος. Σχήμα-5 5
Τρεις μαθητές ξεκινούν να βάλουν σε διάταξη τις οδοντογλυφίδες ξεκινώντας από διαφορετικές πλευρές. Όταν η οδοντογλυφίδα ενός μαθητή επικαλύπτει μια άλλη, η διάταξη σε αυτή την κατεύθυνση πρέπει να σταματήσει. Παρ όλα αυτά, η διάταξη στην ορθογώνια κατεύθυνση πρέπει να συνεχιστεί, επικαλύπτοντας προς αυτή την κατεύθυνση. Η τελική διάταξη που σχηματίζεται ονομάζεται πολυκρυσταλλική (σχήμα 6). Δοκιμάστε αυτή τη δραστηριότητα με 10 μαθητές και θα πάρετε μια δομή που θα μοιάζει με νανοκρυσταλλική. Σχήμα-6 6
ΕΛΕΓΞΤΕ ΤΙΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΣΑΣ A- Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. 1. Καθώς ο οξικός ψευδάργυρος διαλύεται στο διάλυμα, διαχωρίζεται σε.. και.. ιόντα. 2. Όταν ο οξικός ψευδάργυρος διαλυθεί εντελώς, το διάλυμα είναι.. και.. 3. Η διαλυτότητα των ιοντικών ενώσεων εξαρτάται από το διαλύτη και. Β - Απαντήστε με (Σ) Σωστό ή (Λ) Λάθος ( ) 1- Καθώς το διάλυμα ψύχεται, αυξάνεται η διαλυτότητα του οξικού ψευδαργύρου. Τα ιόντα έρχονται κοντά μεταξύ τους και σχηματίζουν νανοκρυσταλλικές δομές. ( ) 2- Όταν το διάλυμα ψύχεται, τα διαλυμένα σωματίδια αρχίζουν να παθαίνουν καθίζηση. Είναι ορατά όταν φτάσουν το 0.1mm σε μέγεθος. ( ) 3- Αφού το μέγεθος του ιζήματος είναι μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός, τα σωματίδια δε μπορούν να διαθλάσουν το φως. Αναφορές (1) http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html (2) Image courtesy of NanoBioNet ev. http://www.webexhibits.org/causesofcolor/9.html http://trynano.org/nanomaterials.html http://nanosense.org/ http://www.nano.gov 7
8