NTSE - Nan Technlgy Science Educatin Prject N: 511787-LLP-1-2010-1-TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΜΑΘΗΤΕΣ ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Εικονικό εργαστήριο: http://vlab.ntse-nantech.eu/nanvirtuallab/ 1
ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Νανοκλίμακα Το πρόθεμα νάνο προέρχεται από την ελληνική λέξη νάνος. Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων, το πρόθεμα νάνο αντιστοιχεί σε ένα-δισεκατομμυριοστό, ή 10-9. Αν έχουμε ένα νάνο από κάτι, έχουμε ένα δισεκατομμυριοστό από αυτό, συμπεριλαμβανομένων των μέτρων (μήκος), δευτερολέπτων (χρόνος), λίτρων (όγκος) και γραμμαρίων (μάζας), και τα οποία αντιπροσωπεύουν μια πολύ μικρή ποσότητα. ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 1: Δείτε το vide για να κατανοήσετε καλύτερα την κλίμακα μέτρησης. http://www.pwersf10.cm/film Πρόθεμα Μέτρηση Επιστημονικό σύμβολο Kil- 1000 m 1 x 10 3 m ecta- 100 m 1 x 10 2 m Deka- 10 m 1 x 10 1 m ΒΑΣΗ 1 m 1 m Deci- 0.1m 1 x 10-1 m Centi- 0.01 m 1 x 10-2 m Milli- 0.001m 1 x 10-3 m Micr- 0.000001 m 1 x 10-6 m Nan- 0.000000001 m 1 x 10-9 m Pic- 0.000000000001 m 1 x 10-12 m Femt- 0.000000000000001 m 1 x 10-15 m Πίνακας-1 Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) (1) ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 2: Μετρήστε διάφορα αντικείμενα που θα βρείτε στο δωμάτιο και μετατρέψτε τα σε νάνο. Το μήκος και το πλάτος του τραπεζιού σας (ή την ακτίνα, αν έχετε στρογγυλό τραπέζι) Το μήκος του βιβλίου Φυσικής Το μήκος που έχει το μολύβι σας Το μήκος της γόμας σας Το μήκος της οδοντόβουρτσας σας 2
Το μήκος μιας τρίχας σας Τη διάμετρο μιας φακής Τη διάμετρο από ένα κουμπί του πουκαμίσου σας Μερικά παραδείγματα νανοκλίμακας είναι: Μια κόλλα χαρτί έχει πάχος περίπου 100,000 νανόμετρα Μια ανθρώπινη τρίχα έχει κατά προσέγγιση διάμετρο από 50,000 έως 100,000 νανόμετρα. Τα νύχια σας μεγαλώνουν ένα νανόμετρο κάθε δευτερόλεπτο. Ένα ανοιγόκλεισμα των βλεφάρων είναι περίπου το ένα-δισεκατομμυριοστό του έτους (νάνο-έτος). Ένα μόριο νερού είναι εγκάρσια περίπου το ¼ ενός νανόμετρου. 10 άτομα υδρογόνου το ένα δίπλα στο άλλο καλύπτουν 1 νανόμετρο. Η μεμβράνη ενός κυττάρου έχει πάχος περίπου 9 νανόμετρα. Ένας ιός έχει πλάτος σχεδόν 70 νανόμετρα. Ένας κλώνος ανθρώπινου DNA έχει 2.5 νανόμετρα διάμετρο Ένα άτομο χρυσού έχει διάμετρο περίπου ένα τρίτο ενός νανόμετρου. Σχήμα 1: Κλίμακα αντικειμένων σε μέτρα (2) ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 3: Μελετήστε τις προσομοιώσεις που δίνονται στις παρακάτω ιστοσελίδες και συζητήστε τις με τους φίλους σας. http://htwins.net/scale/ και http://htwins.net/scale2/. Σε κάθε ιστοσελίδα μπορείτε να δείτε τις ιδιότητες και τις διαστάσεις των αντικειμένων κάνοντας κλικ επάνω τους. Νανοτεχνολογία Τα άτομα είναι τα δομικά υλικά της ύλης. Ένα άτομο έχει διάμετρο περίπου 1/10 nm (10-10 m). Αυτό σημαίνει ότι για να σχηματιστεί 1 νανόμετρο σε μήκος θα πρέπει δέκα άτομα να τοποθετηθούν δίπλα δίπλα. 3
Σχήμα 2: Το συνολικό μήκος 10 ατόμων είναι ~1 nm. Τα μόρια σχηματίζονται από άτομα τα οποία ενώνονται και σχηματίζουν χημικούς δεσμούς μεταξύ τους. Για παράδειγμα, δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου ενώνονται για να φτιάξουν ένα μόριο νερού ( 2 ). Ένα μόριο νερού έχει εγκάρσιο μήκος περίπου ¼ nm. Σχήμα 3: Το συνολικό μήκος 4 μορίων νερού είναι ~1 nm. Ένα μόριο νερού σχηματίζεται από την παρακάτω χημική αντίδραση. 1 (g) + (g) 2 2 2 2 (l) Όπως φαίνεται στην παραπάνω χημική αντίδραση, ένας όγκος αερίου 2 αντιδρά με ½ όγκο αερίου 2 για να σχηματίσει έναν όγκο 2. Το μέγεθος του μορίου νερού που σχηματίζεται μετά την αντίδραση είναι σε νανοκλίμακα. Θεωρείτε ότι ο σχηματισμός νερού είναι νανοτεχνολογική εφαρμογή; Όταν το μόριο νερού σχηματίζεται αυτόματα στη νανοκλίμακα, το φαινόμενο δε θεωρείται νανοτεχνολογική εφαρμογή. Όταν όμως μια νέα δομή σχηματίζεται τοποθετώντας κάποια μόρια νερού σε προκαθορισμένες θέσεις, μόνο τότε μπορούμε να πούμε ότι χρησιμοποιείται νανοτεχνολογία για τη δημιουργία αυτής της δομής. Για παράδειγμα, ο καθορισμός του συμβόλου IBM σε νανοκλίμακα με τη διάταξη ενός προς ένα ατόμων ξένου (Xe) σε επιφάνεια Νικελίου με τη χρήση Μικροσκοπίου Σάρωσης Σήραγγας (STM -Scanning Tunnelling Micrscpes) θεωρείται νανοτεχνολογική εφαρμογή. Σχήμα 4: Το σύμβολο IBM σε νανοκλίμακα με την τοποθέτηση ατόμων Ξένου (Xe) το ένα δίπλα στο άλλο σε επιφάνεια νικελίου. (3) Γενικά, η νανοτεχνολογία μπορεί να οριστεί ως η τεχνολογία που ασχολείται με σωματίδια μεγέθους ανάμεσα σε 1-100 nm. Τα νανοσωματίδια θεωρούνται η γέφυρα ανάμεσα στα συνηθισμένα υλικά και τις δομές ατόμων ή μορίων. Καθώς αλλάζει το μέγεθος του υλικού, και με ταυτόχρονη αύξηση του εμβαδού επιφανείας, αλλάζουν οι φυσικές ιδιότητες ενώ οι χημικές ιδιότητες παραμένουν ίδιες. Φέρτε στο μυαλό σας ένα κύβο ζάχαρης με συγκεκριμένο όγκο. Όταν ο κύβος ζάχαρης συνθλιβεί, δημιουργείται ζάχαρη σε κόκκους. Αυξάνεται επομένως το εμβαδό της επιφάνειας και αλλάζουν οι φυσικές ιδιότητες. Αν οι κόκκοι ζάχαρης κονιοποιηθούν, σχηματίζεται άχνη ζάχαρη και αλλάζουν ξανά οι φυσικές 4
ιδιότητες, καθώς το εμβαδό της επιφάνειας αυξάνεται. Παρ όλα αυτά, ενώ αλλάζουν οι φυσικές ιδιότητες, οι χημικές ιδιότητες παραμένουν ίδιες. Ένα από τα σημαντικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων είναι το μεγάλο εμβαδό επιφάνειας ως προς τον όγκο (σε σύγκριση με τα συνηθισμένα υλικά). Καθώς μειώνεται το μέγεθος του σωματιδίου, μεταβάλλονται οι φυσικές και χημικές ιδιότητες. Όταν το μέγεθος του σωματιδίου μειωθεί σε νάνο μέγεθος, το υλικό μπορεί να αλλάξει φυσικές και χημικές ιδιότητες. Η αύξηση του εμβαδού επιφανείας οδηγεί εξίσου σε μια αύξηση της ικανότητας αντίδρασης με άλλα υλικά. Σχήμα 5: 4 περίπου γραμμάρια νανοσωλήνων άνθρακα έχουν το ίδιο εμβαδό επιφανείας με ένα γήπεδο ποδοσφαίρου (4) Για παράδειγμα, όταν η πούδρα σιδήρου (Fe) οξειδώνεται με το αέριο οξυγόνο ( 2 ) στην ατμόσφαιρα, η αντίδραση της οξείδωσης αποτελεί ένα παράδειγμα αργής καύσης (χωρίς φλόγα). Καθώς το μέγεθος του σωματιδίου της πούδρας Fe μειώνεται στη νανοκλίμακα, η νανοπούδρα σιδήρου δίνει αντίδραση ταχείας καύσης (με φλόγα) με το αέριο 2 στην ατμόσφαιρα. Το μεγάλο εμβαδό επιφάνειας κάνει κάποια νανοσωματίδια πολύ διαλυτά σε υγρά. Η ιδιότητα αυτή συναντάται σε εφαρμογές όπως τα χρώματα, οι χρωστικές ύλες, τα φάρμακα σε μορφή χαπιού και τα καλλυντικά. Το μέγεθος του σωματιδίου μπορεί επίσης να επηρεάσει το χρώμα του υλικού. Σχήμα 6: Τα σωματίδια Αργύρου και Χρυσού έχουν διαφορετικό χρώμα ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα. (5) 5
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ 4: Χρησιμοποιώντας κύβους ζάχαρης φτιάξτε ένα κυβικό πρίσμα με διαστάσεις 10 cm x 10 cm x 10 cm. Υπολογίστε το εμβαδό επιφανείας και τον όγκο του κύβου. a Τοποθετήστε τα δύο στρώματα που βρίσκονται στην κορυφή του κύβου ζάχαρης δίπλα σε αυτά που βρίσκονται στη βάση του κύβου. Υπολογίστε το εμβαδό επιφανείας και τον όγκο και συγκρίνετε τα αποτελέσματα με τον πρώτο κύβο που φτιάξατε. Τοποθετήστε τον ένα κύβο δίπλα στον άλλο και υπολογίστε το εμβαδό επιφανείας και τον όγκο. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα με αυτά του πρώτου μεγάλου κύβου Συγκρίνετε κάθε φορά το εμβαδό επιφανείας και τον όγκο. 6
ΕΛΕΓΞΤΕ ΤΙΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΣΑΣ 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 ΠΗΓΕΣ: (1) http://mrsec.wisc.edu/edetc/nanscale/index.html (2) http://www.discvernan.nrthwestern.edu/whatis/index_html/hwsmall_html (3) http://www.almaden.ibm.cm/vis/stm/atm.html (4) Εικόνα: NASA Ames Centre fr Nantechnlgy (5) Nrth-western University 7