Prueba suerte con Nano

Prueba suerte con Nano

Lección Enfocar

Esta lección se centra en dos actividades sencillas que los estudiantes más jóvenes pueden realizar para apreciar la nanotecnología. Primero, los estudiantes miden sus manos en nanómetros, segundo, los estudiantes aprenden sobre los cristales líquidos, sus aplicaciones y conexiones nanotecnológicas, y prueban cómo el calor de sus manos cambia el color de los cristales. Observan lo que ven, presentan sus hallazgos a la clase y reflexionan sobre la experiencia. 

Sinopsis de la lección 

La lección “Pruebe su mano con Nano” muestra a los estudiantes más jóvenes cuán pequeño es realmente un nano e introduce el concepto de cómo los elementos pueden cambiar el comportamiento en tamaños más pequeños; por ejemplo, los cristales líquidos cambian su comportamiento y su color cuando se exponen a diferentes temperaturas. Los estudiantes trabajan en equipos para medir sus manos en nanómetros y probar una hoja de cristal líquido. Los equipos revisan sus experiencias, presentan sus hallazgos a la clase y reflexionan sobre la experiencia. 

Niveles de edad 

8-11.

Aprendiendo Objetivos 

• Aprende sobre nanotecnología. 
• Aprenda sobre los cristales líquidos. 
• Descubra cómo la ingeniería puede ayudar a resolver los desafíos de la sociedad.
• 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 
• cristales líquidos 
• electricidad
• trabajo en equipo. 

Actividades de la lección 

 Los estudiantes exploran la nanotecnología a través de un ejercicio de medición y temperatura que involucra cristales líquidos. Aprenden sobre las aplicaciones del cristal líquido y cómo el tamaño puede afectar el comportamiento de un material. Los equipos de estudiantes consideran su experiencia, la presentan a la clase y reflexionan sobre la experiencia. 

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) 
• Cristales líquidos (Fundación Nacional de Ciencias uTube) (www.youtube.com/watch?v=nAJgchCI3kg) 
• Introducción al cristal líquido - Universidad McGill (http://barrett-group.mcgill.ca/tutorials/liquid_crystal/LC02.htm).

Lectura complementaria 

• Nanotecnología para tontos (ISBN: 978-0470891919) 
• Ciencia a nanoescala: un libro de texto introductorio (ISBN: 978-9814241038)
• Pantallas de cristal líquido: física y tecnología fundamentales (Serie Wiley en tecnología de pantalla) (ISBN: 978-0470930878)

Actividad de escritura opcional 

Escribe un párrafo sobre cómo las pantallas de cristal líquido han impactado la forma en que vemos televisión. 

Para profesores: 

Objetivo de la lección 

La lección “Pruebe su mano con Nano” muestra a los estudiantes más jóvenes cuán pequeño es realmente un nano e introduce el concepto de cómo los elementos pueden cambiar el comportamiento en tamaños más pequeños; por ejemplo, los cristales líquidos cambian su comportamiento y su color cuando se exponen a diferentes temperaturas. Los estudiantes trabajan en equipos para medir sus manos en nanómetros y enviar mensajes de texto a una hoja de cristal líquido. Los equipos revisan sus experiencias, presentan sus hallazgos a la clase y reflexionan sobre la experiencia.  

Objetivos de la lección 

• Aprende sobre nanotecnología. 
• Aprenda sobre los cristales líquidos. 
• 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 

• Hoja de recursos para estudiantes 
• Hojas de trabajo para estudiantes 
• Materiales de clase: Hoja de cristal líquido de 20 cm x 20 cm aproximadamente (disponible en Amazon y en muchos servicios de suministros científicos y para educadores) 
• Materiales del equipo estudiantil: regla, lápices, papel. 

Procedimiento 

1. Muestre a los estudiantes las 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 tamaño tendría su mano en nanómetros. 
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. Actividad 1: Haga que los estudiantes formulen hipótesis y luego midan su mano en nanómetros, centímetros y pulgadas. Haga que los estudiantes comparen el número real con sus hipótesis y consideren qué tan pequeño es un nanómetro. 
5. Actividad 2: Revise hojas sobre cristales líquidos y sus aplicaciones, luego haga que los estudiantes se turnen para poner su mano sobre una hoja grande de cristal líquido y observen lo que sucede. Los equipos de estudiantes formulan hipótesis y luego prueban qué sucede cuando colocan varios objetos encima de la hoja: su mano, una manzana, un cubito de hielo o un vaso de agua fría. 
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.

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. 

Propiedades a nanoescala 

Las propiedades de los materiales a nanoescala son diferentes en muchos casos de las propiedades de los materiales observadas en otras escalas. Consideremos, por ejemplo, la temperatura de fusión de los metales. Las nanopartículas suelen presentar una temperatura de fusión más baja que los metales correspondientes en masa, y estas temperaturas dependen del tamaño. Por ejemplo, el oro en masa se funde a 1064 grados Celsius, pero una partícula de oro de 4 nm se funde a aproximadamente 850 grados Celsius. 

El color de un material también puede depender del tamaño. La aparición del color es provocada por la absorción parcial de la luz por los electrones de ese material; la parte de la luz no absorbida permanece visible. 

En la mayoría de las superficies metálicas lisas, la luz se refleja enteramente por la altísima densidad de electrones de conducción; por eso las superficies de las placas de metal tienen una apariencia de espejo. Por el contrario, las partículas pequeñas absorben parte de la luz, dando lugar a la aparición de color. Este comportamiento depende del tamaño. 

Por ejemplo, el oro presenta un color diferente según el tamaño de sus partículas. Desde los inicios de la fabricación de vidrio se han utilizado partículas de oro extremadamente pequeñas para fabricar vasos de colores. Los jarrones de rubí (con un color que va del rosa al rojo sangre) se fabricaron utilizando partículas de oro finamente dispersas durante siglos. Muchas vidrieras exhiben un color rojo debido al dopaje con nanopartículas de oro. 

Los nanosistemas no son lo suficientemente grandes como para que se apliquen muchas de las leyes clásicas de la física. Por ejemplo, la ley de Ohm, que describe la relación entre corriente y voltaje en un conductor, no describe la conducción de corriente a través de un nanocables diminuto. Aquí son más importantes otros efectos, conocidos como efectos de la mecánica cuántica.

Cristales líquidos 

Los cristales líquidos (LC) se encuentran en un estado de la materia que tiene propiedades entre las de un líquido habitual y las de un cristal sólido. Por ejemplo, un LC puede fluir como un líquido, pero sus moléculas pueden estar orientadas como un cristal. Hay algunos tipos diferentes de cristales líquidos, pero los cristales líquidos termotrópicos cambian sus propiedades a medida que cambia la temperatura. Si aplica algo caliente (como su mano) a una lámina de cristal líquido recubierta, cambiará de color según la variación de temperatura. ¡Los colores cambian de rojo a naranja y luego a amarillo, luego a verde, azul y morado a medida que los LC se calientan! 

¿Cómo es este Nano? 

Los cambios en la estructura de un material suelen ser demasiado pequeños para verlos directamente, pero a menudo podemos observar cambios en las propiedades del material como resultado de los cambios estructurales. Los cristales líquidos termotrópicos cambian de color cuando se exponen a diferentes temperaturas, por lo que vemos cambiar la propiedad del color aunque no podamos observar en un aula el cambio en su estructura molecular. Los cristales líquidos cambian de color como resultado de ajustes en la disposición de sus moléculas a nanoescala. En nanotecnología, los científicos aprovechan las propiedades peculiares de los materiales a nanoescala para diseñar nuevos materiales y dispositivos. 

Aplicaciones de termómetros 

Las transiciones de color de cristal líquido se utilizan en láminas en muchos termómetros para acuarios y piscinas, así como en termómetros para bebés o para bañeras. Otros materiales de cristal líquido cambian de color cuando se estiran o se estresan. Las láminas de cristal líquido se utilizan a menudo en la industria para buscar puntos calientes en un proceso de fabricación o para mapear el flujo de calor. 

Pantallas de cristal líquido 

Una pantalla de cristal líquido (LCD) es una pantalla plana, una pantalla visual electrónica o una pantalla de video que utiliza las propiedades de modulación de la luz de los cristales líquidos (LC). Los LC no emiten luz directamente. Las pantallas LCD se utilizan en muchos productos, como monitores de computadora, televisores, paneles de instrumentos, dispositivos de juego, relojes, calculadoras y teléfonos.