El poder del grafeno

El poder del grafeno

Lección Enfocar

Esta lección se centra en el grafeno y sus propiedades y aplicaciones eléctricas. Los estudiantes aprenden sobre nanotecnología y cómo los ingenieros pueden aprovechar las diferencias en el comportamiento de los materiales cuando son pequeños para abordar los desafíos en muchas industrias. Los estudiantes trabajan en equipos para formular hipótesis y luego probar si el grafeno es un conductor o aislante eléctrico. Construyen un circuito simple usando elementos cotidianos y crean una muestra de grafeno usando lápices suaves sobre papel. Observan lo que ven, lo extrapolan a aplicaciones más amplias, presentan sus ideas a la clase y reflexionan sobre la experiencia. 

Sinopsis de la lección 

La lección "El poder del grafeno" explora el grafeno y sus propiedades y aplicaciones eléctricas a escala nanométrica. Los estudiantes trabajan en equipos para probar el grafeno utilizando un circuito simple y consideran cómo este extraordinario material está impactando a muchas industrias. Los equipos evalúan los resultados de sus pruebas, desarrollan nuevas aplicaciones teóricas para el grafeno, presentan sus ideas a la clase y reflexionan sobre la experiencia. 

Niveles de edad 

8-18.

Aprendiendo Objetivos 

• Aprende sobre nanotecnología. 
• Aprende sobre el grafeno. 
• Aprenda sobre circuitos, aisladores y conductores. 
• Descubra cómo la ingeniería puede ayudar a resolver los desafíos de la sociedad.
• Aprenda sobre el trabajo en equipo y la resolución de problemas. 

Resultados previstos del alumno 

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

• grafeno
• circuitos, conductores y aisladores
• nanotecnología 
• trabajo en equipo.

Actividades de la lección 

Los estudiantes exploran la nanotecnología y el material grafeno en términos de su capacidad para conducir electricidad y su impacto en muchas industrias y productos. Los estudiantes prueban el grafeno para ver si será un aislante o conductor en un circuito simple y desarrollan aplicaciones hipotéticas para el grafeno que revolucionarían un producto o sistema. Los equipos presentan sus ideas a la clase y reflexionan sobre la experiencia.  

Recursos/Materiales 

• Información de recursos para maestros 
• Información de recursos para estudiantes 
• Hoja de trabajo del estudiante (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 los avances en nanotecnología han cambiado el campo de la electrónica o la medicina. 

Aviso de seguridad

Los estudiantes NUNCA deben intentar pasar corrientes eléctricas altas a través de un lápiz, ya que esto puede causar la combustión de los materiales del lápiz; Esta actividad debe ser supervisada por los profesores en todo momento. Los estudiantes deben usar guantes aislantes al manipular los clips del conector y colocar la batería al final. 

Para profesores: 

Objetivo de la lección 

La lección "El poder del grafeno" explora el grafeno y sus propiedades y aplicaciones eléctricas a escala nanométrica. Los estudiantes trabajan en equipos para probar el grafeno utilizando un circuito simple y consideran cómo este extraordinario material está impactando a muchas industrias. Los equipos evalúan los resultados de sus pruebas, desarrollan nuevas aplicaciones teóricas para el grafeno, presentan sus ideas a la clase y reflexionan sobre la experiencia. 

Objetivos de la lección 

• Aprende sobre nanotecnología. 
• Aprende sobre el grafeno. 
• Aprenda sobre circuitos, aisladores y conductores. 
• Descubra cómo la ingeniería puede ayudar a resolver los desafíos de la sociedad. 
• Aprenda sobre el trabajo en equipo y la resolución de problemas. 

Materiales 

• Hojas de recursos para estudiantes 
• Hojas de trabajo para estudiantes 
• Un conjunto de materiales para cada grupo de estudiantes:
  • lapices 
  • papel
  • Luz LED
  • Resistencia de 330 ohmios (para evitar que la luz LED se queme)
  • conectores aislados
  • Batería de 9 voltios.  

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. Para presentar la lección, considere preguntar a los estudiantes qué saben sobre aisladores y conductores y si creen que el grafeno se comportaría de alguna manera. 
3. Si hay acceso a Internet disponible, pida a los estudiantes que revisen los recursos en www.trynano.org. El sitio proporcionará información general adicional sobre la nanotecnología y las industrias donde está teniendo un gran impacto. 
4. Equipos de 3 o 4 estudiantes considerarán su desafío y, como equipo, teorizarán si creen que el grafeno conduciría o aislaría la corriente eléctrica. 
5. Luego, los equipos construyen un circuito funcional utilizando una luz LED, una batería y una resistencia, y luego prueban el grafeno (y otros materiales si desea extender la actividad) en una hoja de papel para ver si completa el circuito. 
6. Los equipos observan lo que sucedió, comparan sus hipótesis con los resultados reales, completan una hoja de reflexión y presentan sus experiencias a la clase.

Tiempo necesario 

Una o dos sesiones de 45 minutos. 

Consejos 

• Haga que los estudiantes exploren diferentes tipos de minas de lápiz.
• Explore cómo la forma de la línea (curva, recta, etc.) y la longitud afectan los resultados.

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 grafeno? 

El grafeno es un material bidimensional de un átomo de espesor que consta de átomos de carbono empaquetados en una red cristalina en forma de panal. Esto se conoce como grafeno de una sola capa. También se han sintetizado en el laboratorio grafenos bicapa y multicapa. El grafeno exhibe propiedades eléctricas, ópticas, mecánicas, térmicas y de otro tipo muy interesantes. Eléctricamente, es un semimetal o un semiconductor con banda prohibida cero. El grafeno muestra una resistividad muy baja, por ejemplo, sólo 10^-6 ohmios cm a temperatura ambiente. Una sola capa de película de grafeno es bastante transparente y solo absorbe alrededor de 2% de luz blanca que la atraviesa. Las propiedades mecánicas son excepcionales. 

Las interesantes propiedades del grafeno han provocado una explosión de investigaciones recientemente en su síntesis, caracterización de sus propiedades y desarrollo de aplicaciones. Las aplicaciones prometedoras incluyen dispositivos electrónicos, electrodos transparentes para células solares y pantallas de plasma, compuestos, dispositivos de almacenamiento de energía y sensores químicos y biológicos. 

Actualmente los investigadores son capaces de producir grafeno reduciendo el óxido de grafeno. Este enfoque de síntesis química ahora puede producir cantidades en gramos del material. También es posible depositar una sola capa de grafeno sobre una oblea de silicio. Una técnica llamada deposición química de vapor permite el crecimiento de grafeno monocapa o multicapa a 900-1000 ºC. 

Premio Nobel del Grafeno 

¡Dos investigadores recibieron el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre el grafeno! En 2010, Andre Geim y Konstantin Novoselov compartieron el premio "por experimentos innovadores relacionados con el material bidimensional grafeno". Los investigadores, junto con varios colaboradores, fueron los primeros en aislar las capas de carbono del material grafito, que se utiliza en la “mina” de los lápices.  

Aplicaciones

Desde la medicina hasta la electrónica, muchos gobiernos y organizaciones están dedicando esfuerzos actualmente a la aplicación del grafeno. Este campo ha cambiado drásticamente en un corto periodo de tiempo, convirtiendo al grafeno en un material que está cambiando muchas industrias.