Explorando a nanoescala

Explorando a nanoescala

Lección Enfocar

Esta lección se centra en cómo la nanotecnología ha impactado nuestra sociedad y cómo los ingenieros han aprendido a explorar el mundo a nanoescala. Los estudiantes participan en actividades prácticas para comprender exactamente qué tan pequeña es la nanoescala, explorar cómo cambia el área de la superficie en la nanoescala y trabajar en equipos para desarrollar aplicaciones futuristas de la nanotecnología.

Sinopsis de la lección 

La lección "Exploración a nanoescala" explora cómo la nanotecnología ha impactado al mundo y cómo los ingenieros deben considerar las ramificaciones de trabajar a muy pequeña escala. Los estudiantes trabajan en equipos y exploran la mayor superficie expuesta a medida que los elementos se hacen cada vez más pequeños. Los estudiantes examinan y miden grandes bloques de tofu o gelatina, determinando el área de la superficie. Luego cortan el bloque en pedazos cada vez más pequeños, exponiendo más superficies e impactando el área de la superficie. Los estudiantes también exploran el tamaño de lo pequeño, comparando varios elementos para comprender qué tan grande es un nano. Trabajan como un equipo de ingeniería para determinar una nueva aplicación de nanotecnología para un producto o proceso de su elección. Los equipos presentan conceptos y propuestas a un grupo de posibles financiadores de investigación (el resto de la clase) y luego cada uno vota por la propuesta con mayor potencial. Los equipos de estudiantes completan documentos de reflexión.

Niveles de edad 

8-14.

Aprendiendo Objetivos 

• Aprende sobre nanotecnología. 
• Aprenda sobre la escala. 
• Aprenda sobre el área de superficie. 
• Aprenda sobre el diseño de ingeniería. 
• Aprende sobre el trabajo en equipo y el trabajo en grupos. 

Resultados previstos del alumno 

Como resultado de esta actividad, los estudiantes deben desarrollar una comprensión de: 

• nanotecnología 
• resolución de problemas 
• trabajo en equipo. 

Actividades de la lección 

Los estudiantes aprenden cómo los ingenieros que trabajan en la nanoescala tienen una mayor superficie para trabajar. Los estudiantes trabajan en equipos para explorar áreas de superficie cada vez mayores a medida que bloques grandes se cortan en múltiples partes más pequeñas. Luego exploran el desafío de determinar cómo la nanotecnología podría ayudar a los ingenieros a mejorar un producto o proceso y presentan su propuesta a la clase. 

Recursos/Materiales 

• Información de recursos para maestros 
• Información de recursos para estudiantes 
• Hojas de trabajo para estudiantes (incluido aquí) 

Alineación con los marcos curriculares 

Ver lo incluido alineación del plan de estudios información. 

Recursos de Internet 

• Pruebe Ingeniería (www.tryengineering.org) 
• TryNano (¡Ya estás aquí!) 
• Iniciativa Nacional de Nanotecnología (www.nano.gov) 
• Imágenes de la instalación del microscopio electrónico de Dartmouth (www.dartmouth.edu/~emlab/gallery) 

Lectura complementaria 

• Nanotecnología para tontos (ISBN: 978-0470891919) 
• Nanotecnología: comprensión de los sistemas pequeños (ISBN: 978-1138072688) 

Actividad de escritura opcional 

Escribe un ensayo o un párrafo sobre cómo la nanotecnología podría afectar la exploración espacial. 

Para profesores: 

Objetivo de la lección 

La lección "Exploración a nanoescala" explora cómo la nanotecnología ha impactado al mundo y cómo los ingenieros deben considerar las ramificaciones de trabajar a muy pequeña escala. Los estudiantes trabajan en equipos y exploran la mayor superficie expuesta a medida que los elementos se hacen cada vez más pequeños. Los estudiantes examinan y miden grandes bloques de tofu o gelatina para determinar el área de la superficie. Luego cortan el bloque en pedazos cada vez más pequeños, exponiendo más superficies e impactando el área de la superficie. Los estudiantes también exploran el tamaño de los objetos pequeños, comparando varios elementos para comprender qué tan grande es "nano". Trabajan como un equipo de ingeniería para determinar una nueva aplicación de nanotecnología para un producto o proceso de su elección. Los equipos presentan conceptos y propuestas a un grupo de posibles financiadores de investigación (el resto de la clase) y luego cada uno vota por la propuesta con mayor potencial. Los equipos de estudiantes completan documentos de reflexión. 

Objetivos de la lección 

• Aprende sobre nanotecnología. 
• Aprenda sobre la escala. 
• Aprenda sobre el área de superficie. 
• Aprenda sobre el diseño de ingeniería. 
• Aprende sobre el trabajo en equipo y el trabajo en grupos. 

Materiales 

• Hoja de recursos para estudiantes 
• Hojas de trabajo para estudiantes 
• Un juego de materiales para cada grupo de estudiantes. 
  • Bloque de tofu o gelatina extra firme
  • Superficie de corte (placa de plástico o tabla de cortar)
  • cuchillo sin filo
  • Regla o cinta métrica 

Procedimiento 

1. Muestre a los estudiantes las diversas Hojas de referencia estudiantil. Estos pueden leerse en clase o proporcionarse como material de lectura para la tarea de la noche anterior. 
2. Actividad de superficie 
   • Divida a los estudiantes en grupos de 2 o 3 estudiantes y proporcione un conjunto de materiales por grupo. 
   • Explique que los estudiantes deben trabajar en equipo para determinar el área de superficie de un bloque de tofu en varios puntos (entero, cortado por la mitad, en cuartos, etc.). Los estudiantes primero medirán el bloque completo y determinarán el área de la superficie, luego cortarán el bloque por la mitad y determinarán el área de la superficie, luego la mitad nuevamente, etc. hasta que haya muchos bloques de tofu de aproximadamente 1/2 pulgada de ancho. 
3. Actividad de Aplicaciones a Nanoescala 
   • El mismo grupo de 2-3 estudiantes trabaja para desarrollar una propuesta para una nueva aplicación de la nanotecnología. 
   • Se realizan presentaciones a posibles financiadores de investigaciones (el resto de la clase) que votan por la propuesta con mayor potencial. 
4. Evaluación: los estudiantes completan hojas de evaluación/reflexión.

Tiempo necesario 

Dos o tres sesiones de 45 minutos. 

Consejos 

• Para los estudiantes más jóvenes, una capa de especias o azúcar sobre el tofu o la gelatina puede ayudarles a visualizar cómo ha aumentado la superficie. Use una pequeña cantidad de azúcar o especias para cubrir un bloque grande de tofu y luego muestre a los estudiantes cuánta más azúcar o especias se necesita para cubrir todos los cubos pequeños cortados del bloque grande de tofu. 
• Para estudiantes mayores, incorpore un período de investigación en www.trynano.org para aprender más sobre aplicaciones y nanomateriales. 

Para estudiantes: 

¿Qué es la nanotecnología? 

Imagínese poder observar el movimiento de un glóbulo rojo a medida que avanza por su vena. ¿Cómo sería observar los átomos de sodio y cloro a medida que se acercan lo suficiente como para transferir electrones y formar un cristal de sal u observar la vibración de las moléculas a medida que aumenta la temperatura en un recipiente con agua? Gracias a las herramientas o 'alcances' que se han desarrollado y mejorado durante las últimas décadas, podemos observar situaciones como muchos de los ejemplos al comienzo de este párrafo. Esta capacidad de observar, medir e incluso manipular materiales a escala molecular o atómica se llama nanotecnología o nanociencia. Si tenemos un nano "algo", tenemos una milmillonésima parte de ese algo. Los científicos e ingenieros aplican el prefijo nano a muchos “algos”, incluidos metros (longitud), segundos (tiempo), litros (volumen) y gramos (masa), para representar lo que comprensiblemente es una cantidad muy pequeña. La mayoría de las veces nano se aplica a la escala de longitud y medimos y hablamos de nanómetros (nm). Los átomos individuales tienen menos de 1 nm de diámetro, por lo que se necesitan unos 10 átomos de hidrógeno seguidos para crear una línea de 1 nm de longitud. Otros átomos son más grandes que el hidrógeno pero aún tienen diámetros inferiores a un nanómetro. Un virus típico tiene unos 100 nm de diámetro y una bacteria unos 1000 nm de la cabeza a la cola. Las herramientas que nos han permitido observar el mundo antes invisible de la nanoescala son el Microscopio de Fuerza Atómica y el Microscopio Electrónico de Barrido. 

¿Qué tan grande es pequeño? 

Puede resultar difícil visualizar lo pequeñas que son las cosas a nanoescala. ¡El siguiente ejercicio puede ayudarte a visualizar lo grande que puede ser lo pequeño! Considere una bola de bolos, una bola de billar, una pelota de tenis, una pelota de golf, una canica y un guisante. Piense en el tamaño relativo de estos elementos. 

Microscópio electrónico escaneando 

El microscopio electrónico de barrido es un tipo especial de microscopio electrónico que crea imágenes de la superficie de una muestra al escanearla con un haz de electrones de alta energía en un patrón de escaneo rasterizado. En un escaneo rasterizado, una imagen se corta en una secuencia de franjas (generalmente horizontales) conocidas como "líneas de escaneo". Los electrones interactúan con los átomos que componen la muestra y producen señales que proporcionan datos sobre la forma de la superficie, su composición e incluso si puede conducir electricidad. Muchas imágenes tomadas con microscopios electrónicos de barrido se pueden ver en www.dartmouth.edu/~emlab/gallery. 

¿Qué es el área de superficie? 

El área de superficie es la medida de cuánta área expuesta tiene un objeto. Se expresa en unidades “cuadradas”. Si un objeto tiene caras planas, su área de superficie se puede calcular sumando las áreas de sus caras. Incluso los objetos con superficies lisas, como las esferas, tienen área de superficie. 

Fórmulas de área de superficie 

El área de la superficie de un cubo se puede expresar mediante la fórmula:

X = 6xYxY 

Para determinar el área de la superficie del cubo, primero debes averiguar el área de una de las caras. El área de una cara es Y x Y o Y². Para encontrar el área de la superficie del cubo, debes multiplicar el área de un lado por 6. Si, por ejemplo, Y es igual a 10 mm, entonces el área de una cara sería 100 mm.² y la superficie total del cubo seria 600 mm². 

El área de la superficie de un paralelepípedo rectangular se puede expresar mediante la fórmula:

X = 2 x A x B + 2 x A x C + 2 x B x C 

Como hay dos superficies de este tamaño, necesitamos 2 x A x B como parte de nuestra fórmula para determinar el área de la superficie. También necesitaremos determinar el área de las otras caras. Necesitaremos multiplicar A x C y, como hay dos de estas caras, debemos incluir 2 x A x C en la fórmula del área de superficie completa. Las caras restantes aportan un área de 2 x B x C. Si, por ejemplo, la longitud de A equivalía a 20 mm, B equivalía a 10 mm y C equivalía a 40 mm, entonces: 

A x B = 200 mm, entonces 2 x A x B = 400 mm² 

A x C = 800 mm, entonces 2 x A x C = 1600 mm² 

B x C = 400 mm, entonces 2 x A x C = 800 mm² 

Entonces el área de la superficie del sólido es 2800 mm.².

Por qué es importante el área de superficie 

A nanoescala, las propiedades básicas de las partículas pueden variar significativamente de las de partículas más grandes. Esto podría incluir propiedades mecánicas, si la partícula conduce electricidad, cómo reacciona a los cambios de temperatura e incluso cómo ocurren las reacciones químicas. La relación área de superficie-volumen cambia a medida que las partículas se vuelven más pequeñas. Debido a que las reacciones químicas generalmente tienen lugar en la superficie de una partícula, si hay una mayor superficie disponible para las reacciones, entonces la reacción puede progresar más rápidamente.