ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

NTSE - Nan Technlgy Science Educatin Prject N: 511787-LLP-1-2010-1-TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Εικονικό εργαστήριο: http://vlab.ntse-nantech.eu/nanvirtuallab/ 1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Πρόλογος για καθηγητές 2. Εισαγωγή 3. Διαδικασία μάθησης 4. Συμπέρασμα 5. Αξιολόγηση Το πλάνο του μαθήματος έχει δημιουργηθεί για να βοηθήσει τους καθηγητές δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης να κάνουν μια εισαγωγή στη νανοτεχνολογία στην τάξη και να χρησιμοποιήσουν τις πληροφορίες που δίνονται στην ιστοσελίδα (www.ntse-nantech.eu ). Απευθύνεται σε Διάρκεια Θεματικές Ομάδες μαθητών ηλικίας 13-18 ετών 90 λεπτά Φυσική-Χημεία-Βιολογία ΣΤΟΧΟΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Το μάθημα Νανοκλίμακα και Νανοτεχνολογία δίνει την ευκαιρία στους μαθητές να εξερευνήσουν και να κατανοήσουν τη μετρική κλίμακα της νανοκλίμακας, τις ιδιότητες των νανοσωματιδίων και τα θέματα με τα οποία ασχολείται η νανοτεχνολογία. Οι μαθητές θα αναπτύξουν την ικανότητα να μετατρέπουν συνήθεις μετρικές κλίμακες σε νάνο και να αντιληφθούν τη νανοκλίμακα. ΣΚΟΠΟΙ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Κατανόηση της νανοτεχνολογίας. Κατανόηση της νανοκλίμακας. Αύξηση της ικανότητας μετατροπής μονάδων σε νανόμετρα ΠΡΟΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ Θα πρέπει οι μαθητές να γνωρίζουν τους παρακάτω όρους οι οποίοι περιλαμβάνονται στο κείμενο: Διεθνές Σύστημα Μονάδων (ΜΣ) Να μπορούν να κάνουν υπολογισμούς με εκθετικούς αριθμούς Να μπορούν να μετατρέπουν μονάδες Να μπορούν να υπολογίζουν όγκο και εμβαδό γεωμετρικών σχημάτων ΠΡΟΣΔΟΚΩΜΕΝΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ Να κατανοήσουν τη νανοκλίμακα Να κατανοήσουν τη νανοτεχνολογία Να μάθουν περισσότερα για τη νανοτεχνολογία και τις εφαρμογές της. 2

Να συνειδητοποιήσουν πόσο μικρά είναι τα νανοσωματίδια ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΠΗΓΕΣ Υλικό ανάγνωσης για τους μαθητές Βίντεο Υλικά για δραστηριότητες ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΑΘΗΤΩΝ Κουίζ Πίνακας αξιολόγησης 3

1. ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΕΣ ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΣΥΝΟΠΤΙΚΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Νανοτεχνολογία είναι η κατανόηση και ο έλεγχος της ύλης στη νανοκλίμακα, σε διαστάσεις ανάμεσα σε περίπου 1 και 100 νανόμετρα, στις οποίες μοναδικά φαινόμενα επιτρέπουν καινοτόμες εφαρμογές. Μελετώντας την επιστήμη, τη μηχανική και την τεχνολογία της νανοκλίμακας στο σύνολο της, η νανοτεχνολογία περιλαμβάνει την απεικόνιση, μέτρηση, μοντελοποίηση και διαχείριση της ύλης σε αυτή την κλίμακα. Το γυμνό ανθρώπινο μάτι μπορεί να δει αντικείμενα μεγέθους μέχρι 0,1 χιλιοστόμετρα περίπου. Με τη βοήθεια συμβατικού μικροσκοπίου, το μάτι μπορεί να δει αντικείμενα μεγέθους περίπου 1 μικρομέτρου ( 10-3 mm). Τα αντικείμενα τα οποία βρίσκονται σε νανοκλίμακα δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι και συμβατικά μικροσκόπια. Οι επιστήμονες βλέπουν και δουλεύουν με αντικείμενα σε νανοκλίμακα με τη χρήση Μικροσκοπίων Ατομικής Δύναμης (Atmic Frce Micrscpes-AFM) και Ηλεκτρονικών Μικροσκοπίων Διάδοσης (Transmissin Electrn Micrscpes -TEM). Σχήμα 1 - Διαστάσεις διαφορετικών αντικειμένων, μικροσκόπια που χρειάζονται για να γίνουν ορατά και επιστημονικό υπόβαθρο. (1) Τα Ηλεκτρονικά Μικροσκόπια Διάδοσης (TEM) είναι μικροσκόπια που δεσμεύουν εικόνες σε διάστασεις ατόμου. Δέσμες ηλεκτρονίων στέλνονται στο υλικό το οποίο είναι εξαιρετικά λεπτό (μικρότερο από 1 μm) και το ηλεκτρόνιο διαπερνά το υλικό. Το σύστημα αποτελείται από ένα σύστημα φακών σε σπειροειδή μορφή ώστε να δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Αλλάζοντας τη διεύθυνση του ρεύματος μπορεί να αλλάξει η διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου και επομένως να εστιάσει ή να διασπαρθεί η δέσμη ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας (100-500 κιλοβόλτ) περνούν μέσα από το σύστημα φακών και εστιάζουν στο υλικό. Σχήμα 2 -Σωματίδια Νάνο-C60, τα οποία σχηματίζονται όταν τα φουλερένια (ανθρακικές δομές με σφαιρικό σχήμα) ενώνονται μεταξύ τους στο νερό. (2) 4

Καθώς τα ηλεκτρόνια διαπερνούν το υλικό, αλληλεπιδρούν με τα άτομα του υλικού όπως οι ακτίνες άλφα στο πείραμα του Rutherfrd το οποίο ορίζει τη δομή του ατόμου (3). Όταν τα ηλεκτρόνια περάσουν, μεταδίδονται μέσω ενός άλλου συστήματος φακών και κατοπτρίζονται σε μια φθορίζουσα οθόνη Τα Ατομικά Μικροσκόπια Δύναμης (AFM) σαρώνουν την επιφάνεια του υλικού με μια πολύ αιχμηρή και λεπτή ακίδα διαστάσεων ατόμου. Καθώς η ακίδα κινείται πάνω στην επιφάνεια, η διαφορά δυναμικού της ακίδας εντοπίζεται με τη βοήθεια ακτινών λέιζερ και φωτοδιόδων. Σχήμα 3 - Ηλεκτρονική μικρογραφία μιας χρησιμοποιημένης ακίδας AFM διατομής ~100 μικρόμετρων. (4) Σχήμα 4- Εικόνα από Ατομικό Μικροσκόπιο Δύναμης της κατώτερης επιφάνειας ενός φύλλου: τα στόματα επιτρέπουν ανταλλαγή αερίων. (5) 5

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πες μου και θα ξεχάσω, δίδαξέ με και θα θυμάμαι, βάλε με να κάνω και θα μάθω. " Βενιαμίν Φραγκλίνος Το τελευταίο μέρος αυτού του αποφθέγματος είναι η θεμελιώδης έννοια της διερευνητικής μάθησης. Η διερεύνηση εμπεριέχει τη συμμετοχή που οδηγεί στην κατανόηση. Ως εκ τούτου, το να ζητήσουμε από τους μαθητές να συμμετέχουν και να επιτρέψουμε να χρησιμοποιήσουν τη δημιουργικότητά τους, είναι βασικό σημείο για τη διδασκαλία. Όλα τα μαθήματα θα πρέπει να αρχίζουν με μερικές ερωτήσεις που να κεντρίζουν το ενδιαφέρον των μαθητών. Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα του πώς να ξεκινήσει το μάθημα: Νανοκλίμακα και νανοτεχνολογία. Τι νομίζεις ότι σημαίνει "η νανοτεχνολογία στη μόδα»; Πώς θα ερμήνευες την παραπάνω φράση; 1. Η νανοτεχνολογία χρησιμοποιείται σε είδη ένδυσης ή 2. Η λέξη νανοτεχνολογία είναι «της μόδας»; Μερικοί μαθητές θα επιλέξουν την πρώτη εξήγηση, ενώ οι άλλοι θα επιλέξουν τη δεύτερη. Μερικοί απ' αυτούς δεν θα απαντήσουν, αλλά θα το σκεφτούν. Η τελευταία ομάδα δεν θα ενδιαφερθεί καν για ό, τι λέτε. Πρέπει να μειώσουμε το ποσοστό της τελευταίας ομάδας με μια ποικιλία από ενδιαφέρουσες ερωτήσεις μιας και διαφορετικοί μαθητές ενθουσιάζονται από διαφορετικά θέματα. Τί πιστεύετε για την απάντηση στην παραπάνω ερώτηση; Απάντηση: Στην πραγματικότητα και οι δύο ερμηνείες θα ήταν σωστές. Επιπλέον, η νανοτεχνολογία χρησιμοποιείται όχι μόνο σε είδη ένδυσης, αλλά και σε άλλα υλικά. Πολλές εταιρείες χρησιμοποιούν τη νανοτεχνολογία (π.χ. πρόσθετα νανο-σωματιδίών από διοξείδιο του τιτανίου ή οξειδίου του ψευδαργύρου σε συνθέσεις επικάλυψης) για να βελτιώσουν ή να προσθέσουν σε επιφάνειες ειδικά χαρακτηριστικά όπως αντίσταση στους λεκέδες, αντοχή του χρώματος, αυτο-καθαρισμός, αντίσταση στο ζάρωμα, UV -προστασία, επιβράδυνση φλόγας, αντοχή στο νερό, στατική αντοχή και βελτιωμένη θερμική απόδοση. Οι εφαρμογές κυμαίνονται από εσωτερικές επενδύσεις αυτοκινήτων, είδη ένδυσης, οικιακά και βιομηχανικά είδη (π.χ. καλύμματα δαπέδου) και είδη υγειονομικής περίθαλψης (ιατρικές γάζες). Ένα άλλο παράδειγμα εισαγωγικής ερώτησης: Τι είναι το παρακάτω σχήμα; Απάντηση: Το φουλερένιο είναι ένα σφαιρικό κλουβί που αποτελείται από ομοιοπολικά συνδεδεμένα άτομα άνθρακα. Έχει σχήμα σαν μια μπάλα ποδοσφαίρου και εξαιρετικά ισχυρή δομή. 6

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΑΘΗΣΗΣ ΠΡΙΝ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ Ανάθεση εργασίας: Δώστε στους μαθητές το κείμενο για τη Νανοκλίμακα και Νανοτεχνολογία και ζητήστε τους να το μελετήσουν. Προετοιμασίες πριν το μάθημα: Διαμόρφωση της αίθουσας για προβολή βίντεο Προετοιμασία των υλικών που χρειάζονται για τις δραστηριότητες ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΒΗΜΑ 1: Ο καθηγητής θα πρέπει να θέσει τα ακόλουθα ερωτήματα αναφορικά με το κείμενο. Ερώτηση 1: Τι είναι νανοτεχνολογία; Νανοτεχνολογία είναι η κατανόηση και ο έλεγχος της ύλης στη νανοκλίμακα, σε διαστάσεις ανάμεσα σε περίπου 1 και 100 νανόμετρα Ερώτηση 2: Τι είναι νάνο; Η λέξη νάνο προέρχεται από την ελληνική λέξη νάνος. Είναι το ένα δισεκατομμυριοστό από οτιδήποτε. ΒΗΜΑ 2: Δείτε το vide Οι Δυνάμεις του Δέκα (*) στην τάξη σας (δραστηριότητα-1). (*) http://www.pwersf10.cm/film ΒΗΜΑ 3: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα αναφορικά με την παραπάνω δραστηριότητα. Ερώτηση 3: Τι είναι κλίμακα; Ο καθηγητής θα πρέπει να δώσει παραδείγματα από διαφορετικές κλίμακες από το vide Οι Δυνάμεις του Δέκα Ο καθηγητής θα πρέπει να εξηγήσει ότι οι κλίμακες χρησιμοποιούνται για να ορίσουν τη διαφορά στις διαστάσεις σε διαφορετικά αντικείμενα. Ερώτηση 4: Ποια είναι η μεγαλύτερη κλίμακα που είδατε στο vide; millin light years = m Ερώτηση 5: Ποια είναι η μικρότερη κλίμακα που είδατε στο vide; m Ερώτηση 6: Πώς θα νιώθατε να ταξιδεύατε τόσο μεγάλες αποστάσεις στο απόλυτο κενό, όπως είδατε στο vide; Ερώτηση 7: Πώς θα νιώθατε αν μπαίνατε βαθιά μέσα στο δέρμα σας, όπως στο vide; 7

ΒΗΜΑ 4: Κάντε μαζί στην τάξη τη δραστηριότητα-2, με όσα αντικείμενα έχετε διαθέσιμα. Μετρήστε τα αντικείμενα που προτείνονται στη δραστηριότητα ανά ζεύγη και μετατρέψτε τις μετρήσεις σε νανόμετρα. Μελετήστε μαζί στην τάξη την κλίμακα αντικειμένων (Σχήμα-1) η οποία δίνεται στις οδηγίες για τους μαθητές. Βεβαιωθείτε ότι οι μαθητές μετατρέπουν τους εκθετικούς αριθμούς σε δεκαδικούς αριθμούς και συγκρίνετε τους ΒΗΜΑ 5: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα αναφορικά με την παραπάνω δραστηριότητα. Ερώτηση 8: Συγκρίνετε το μέγεθος των ερυθρών αιμοσφαιρίων του αίματος με μια τρίχα. Ερώτηση 9: Συγκρίνετε το μέγεθος ενός βακτηρίου με έναν ιό. Ερώτηση 10: Συγκρίνετε τη διάμετρο ενός μορίου νερού και ενός ατόμου χρυσού. ΒΗΜΑ 6: Κάντε μαζί στην τάξη τη δραστηριότητα-3, υπενθυμίζοντας ότι η νανοτεχνολογία αφορά αντικείμενα μεγέθους 1-100 νανόμετρα και συγκρίνετε αντικείμενα αυτού του μεγέθους. The scale f The Universe ( http://htwins.net/scale/ r http://htwins.net/scale2/ ). Σε κάθε σύνδεσμο μπορείς να εξετάσεις τις ιδιότητες και τις διαστάσεις του αντικειμένου με κλικ πάνω στα αντικείμενα. ΒΗΜΑ 7: Θέστε τα ακόλουθα ερωτήματα αναφορικά με την παραπάνω δραστηριότητα. Ερώτηση 11: Ποιό είναι το μέγεθος του μικρότερου σε μέγεθος πράγματος από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο; Το μικρότερο πράγμα που μπορεί να δει ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο είναι περίπου 5.10-11 m. Ερώτηση 12: Συγκρίνετε τα μεγέθη μορίων νερού και Buckyball (φουλερένια). Δείξτε τη διαφορά σχεδιάζοντας σχήματα με ίδια διαφορά κλίμακας στον πίνακα. Ερώτηση 13: Συγκρίνετε το μέγεθος ενός κυττάρου, του κυττάρου ενός πυρήνα και ενός νανοσωλήνα άνθρακα. ΒΗΜΑ 8: Κάντε τη δραστηριότητα-4 μαζί στην τάξη. Μετρήστε, υπολογίστε και συγκρίνετε τα μεγέθη των σχημάτων που χτίσατε με τους κύβους ζάχαρης. ΒΗΜΑ 9: Θέστε την ακόλουθη ερώτηση αναφορικά με την παραπάνω δραστηριότητα. Ερώτηση 14: Μέτρησε, υπολόγισε και σύγκρινε τα μεγέθη των αντικειμένων που έκτισες με τους κύβους ζάχαρης. Για μαθητές λυκείου(15-18 ετών): Πρώτη κατασκευή: V= 4a. 4a. 4a= 64 a 3 Συνολική επιφάνεια = 6. 16a 2 = 96 a 2 Δεύτερη κατασκευή: V = 8a. 4a. 2a = 64a 3 Συνολική επιφάνεια = 2(8a. 2a) + 2(4a. 2a) + 2(4a. 8a) = 112 a 2 8

Τρίτη κατασκευή: V = 64a. a. a = 64a 3 Για μαθητές γυμνασίου(13-15 ετών): Συνολική επιφάνεια = 4(64a.a) + 2(a. a) = 258 a 2 Μετρήστε το μέγεθος κάθε κατασκευής χρησιμοποιώντας ένα χάρακα και υπολογίστε τον όγκο και τη συνολική επιφάνεια. Ερώτηση 15: Ζητείστε από τους μαθητές σας να χρωματίσουν τις κατασκευές με ακρυλικό χρώμα. Ζητείστε τους να συγκρίνουν την ποσότητα του ακρυλικού χρώματος που χρησιμοποιούν για κάθε σχήμα. Βοηθήστε τους να καταλάβουν ότι καθώς μικραίνει το μέγεθος του σωματιδίου, αυξάνεται η συνολική επιφάνεια και αλλάζουν οι φυσικές και χημικές ιδιότητες. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Συζητήστε με τους μαθητές τα παρακάτω: Ζητήστε τους να σχεδιάσουν στο μυαλό τους ένα προϊόν νανοτεχνολογίας να πουν που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και πώς θα βελτίωνε τη ζωή μας. Πιστεύετε ότι η νανοτεχνολογία θα είναι ευεργετική ή επιβλαβής για την υγεία των ανθρώπων και στο μέλλον; 9

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ A. Επιλέξτε (Σ) Σωστό ή (Λ) Λάθος για τις παρακάτω προτάσεις. 1. 1 εκατοστό είναι 10-7 νανόμετρα. ( ) 2. Το εμβαδό επιφανείας επηρεάζει και τις φυσικές και τις χημικές ιδιότητες. ( ) 3. Νανοτεχνολογία είναι η τεχνολογία που ασχολείται με σωματίδια μεγέθους 1-1000 nm. ( ) B. Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. 1. Ένα ανοιγόκλεισμα των βλεφάρων είναι περίπου το..ενός έτους. 2. Ένας ιός έχει πλάτος σχεδόν.. 3. Καθώς το μέγεθος του σωματιδίου σε νανοκλίμακα, αλλάζουν οι φυσικές και χημικές ιδιότητες ενός υλικού 4. Ένας κλώνος ανθρώπινου DNA έχει.. διάμετρο 5... άτομα υδρογόνου το ένα δίπλα στο άλλο καλύπτουν 1 νανόμετρο 6.. ήταν ο πρώτος επιστήμονας που αναφέρθηκε στην νανοτεχνολογία. 7. Μετατρέψτε τις διάφορες μετρήσεις σε νάνο: a) 1 kg =..ng b) 15 cm =..nm c) 250 ml = nlt d) 250 m =.nm e) 40 mg = ng ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Α. 1- Λ 2- Σ 3- Λ Β. 1- δισεκατομμυριοστό 2-70 νανόμετρα 3- ελλατώνεται 4-2,5 νανόμετρα 5-10 6- Richard Feynman 7- a) ng b), nm c), nlt d), nm e) ng 10

ΑΝΑΦΟΡΕΣ (1) Dean Aslam and Aixia Sha, Διδασκαλία της Νανοτεχνολογίας με Τεχνολογικά Υποβοηθούμενες Επιστήμες, Μηχανική και Μαθηματικά, Τεχνολογικό Εργαστήριο Μίκρο και Νάνο Τεχνολογίας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Michigan State) (2) Ευγενική παραχώρηση από τον Καθηγητή Jseph Hughes, Gergia Institute f Technlgy/Jhn Frtner, Rice University (http://www.britannica.cm/ebchecked/media/137390/transmissin-electrn-micrscpy-can-be-used-tdetect-and-characterize) (3) (http://library.thinkquest.rg/19662/lw/eng/exp-rutherfrd.html) (4) http://en.wikipedia.rg/wiki/atmic_frce_micrscpy (5) http://www.nan2life.rg/press/graphicmaterial.php (Φωτογραφία: nananalytics GmbH) 11