Mettiti alla prova con Nano

Mettiti alla prova con Nano

Lezione Messa a fuoco

Questa lezione si concentra su due semplici attività che gli studenti più giovani possono svolgere per acquisire apprezzamento per la nanotecnologia. In primo luogo, gli studenti misurano le loro mani in nanometri, in secondo luogo gli studenti imparano i cristalli liquidi, le loro applicazioni e le connessioni nanotecnologiche e testano come il calore delle loro mani cambia il colore dei cristalli. Osservano ciò che vedono, presentano i risultati alla classe e riflettono sull'esperienza. 

Sinossi della lezione 

La lezione "Prova la tua mano con le nanotecnologie" mostra agli studenti più giovani quanto sia realmente piccola una nanotecnologia e introduce il concetto di come gli elementi possono cambiare comportamento a dimensioni più piccole: ad esempio, i cristalli liquidi cambiano il loro comportamento e il loro colore se esposti a temperature diverse. Gli studenti lavorano in squadre per misurare le loro mani in nanometri e testare un foglio di cristalli liquidi. I team rivedono le loro esperienze, presentano i risultati alla classe e riflettono sull'esperienza. 

Livelli di età 

8-11.

Apprendimento Obiettivi 

• Conoscere le nanotecnologie. 
• Scopri di più sui cristalli liquidi. 
• Scopri come l'ingegneria può aiutare a risolvere le sfide della società.
• Conoscere il lavoro di squadra e il lavoro in gruppo. 

Risultati attesi dallo studente 

Come risultato di questa attività, gli studenti dovrebbero sviluppare una comprensione di: 

• nanotecnologia 
• cristalli liquidi 
• elettricità
• lavoro di squadra. 

Attività della lezione 

 Gli studenti esplorano la nanotecnologia attraverso un esercizio di misurazione e temperatura che coinvolge cristalli liquidi. Imparano le applicazioni dei cristalli liquidi e come le dimensioni possono influire sul comportamento di un materiale. I team di studenti considerano la loro esperienza, la presentano alla classe e riflettono sull'esperienza. 

Risorse/Materiali 

• Informazioni sulle risorse per gli insegnanti 
• Informazioni sulle risorse per gli studenti 
• Fogli di lavoro per gli studenti (incluso qui) 

Allineamento ai quadri curriculari 

Vedi l'incluso allineamento del curriculum informazione. 

Risorse Internet 

• ProvaIngegneria (www.tryengineering.org) 
• TryNano (Sei già qui!) 
• Iniziativa nazionale sulle nanotecnologie (www.nano.gov) 
• Cristalli liquidi (National Science Foundation uTube) (www.youtube.com/watch?v=nAJgchCI3kg) 
• Introduzione ai cristalli liquidi – McGill University (http://barrett-group.mcgill.ca/tutorials/liquid_crystal/LC02.htm).

Lettura supplementare 

• Nanotecnologie per principianti (ISBN: 978-0470891919) 
• La scienza su scala nanometrica: un libro di testo introduttivo (ISBN: 978-9814241038)
• Display a cristalli liquidi: fisica e tecnologia fondamentali (serie Wiley nella tecnologia dei display) (ISBN: 978-0470930878)

Attività di scrittura facoltativa 

Scrivi un paragrafo su come gli schermi a cristalli liquidi hanno influenzato il modo in cui guardiamo la televisione. 

Per gli insegnanti: 

Obiettivo della lezione 

La lezione "Prova la tua mano con le nanotecnologie" mostra agli studenti più giovani quanto sia realmente piccola una nanotecnologia e introduce il concetto di come gli elementi possono cambiare comportamento a dimensioni più piccole: ad esempio, i cristalli liquidi cambiano il loro comportamento e il loro colore se esposti a temperature diverse. Gli studenti lavorano in squadre per misurare le loro mani in nanometri e inviare messaggi a un foglio di cristalli liquidi. I team rivedono le loro esperienze, presentano i risultati alla classe e riflettono sull'esperienza.  

Obiettivi della lezione 

• Conoscere le nanotecnologie. 
• Scopri di più sui cristalli liquidi. 
• Scopri come l'ingegneria può aiutare a risolvere le sfide della società. 
• Conoscere il lavoro di squadra e la risoluzione dei problemi. 

Materiali 

• Scheda delle risorse per gli studenti 
• Fogli di lavoro per gli studenti 
• Materiali di lezione: foglio di cristalli liquidi di dimensioni circa 20 cm x 20 cm (disponibile su Amazon e molti servizi di fornitura scientifica ed educativa) 
• Materiali del team studentesco: righello, matite, carta. 

Procedura 

1. Mostra agli studenti le schede di riferimento degli studenti. Questi possono essere letti in classe o forniti come materiale di lettura per i compiti della sera prima. 
2. Per introdurre la lezione, potresti chiedere agli studenti quanto sarebbe grande la loro mano in nanometri. 
3. Se è disponibile l'accesso a Internet, chiedi agli studenti di rivedere le risorse su www.trynano.org. Il sito fornirà ulteriori informazioni di base sulla nanotecnologia e sui settori in cui sta avendo un grande impatto. 
4. Attività 1: Chiedi agli studenti di fare ipotesi e poi misurare effettivamente la loro mano in nanometri, centimetri e pollici. Chiedi agli studenti di confrontare il numero reale con le loro ipotesi e di considerare quanto è piccolo un nanometro. 
5. Attività 2: rivedere i fogli sui cristalli liquidi e le loro applicazioni, quindi chiedere agli studenti, a turno, di mettere la mano su un grande foglio di cristalli liquidi e osservare cosa succede. I gruppi di studenti formulano ipotesi e poi testano cosa succede quando mettono vari oggetti sopra il foglio: la loro mano, una mela, un cubetto di ghiaccio o una tazza di acqua fredda. 
6. I team osservano cosa è successo, confrontano le loro ipotesi con i risultati effettivi, completano un foglio di riflessione e presentano le loro esperienze alla classe.

Tempo necessario 

Una o due sessioni da 45 minuti.

Per studenti: 

Cos'è la nanotecnologia? 

Immagina di poter osservare il movimento di un globulo rosso mentre si muove attraverso la tua vena. Come sarebbe osservare gli atomi di sodio e di cloro mentre si avvicinano abbastanza da trasferire effettivamente gli elettroni e formare un cristallo di sale o osservare la vibrazione delle molecole mentre la temperatura aumenta in una pentola piena d'acqua? Grazie agli strumenti o agli "ambito" che sono stati sviluppati e migliorati negli ultimi decenni, possiamo osservare situazioni come molti degli esempi all'inizio di questo paragrafo. Questa capacità di osservare, misurare e persino manipolare materiali su scala molecolare o atomica è chiamata nanotecnologia o nanoscienza. Se abbiamo un “qualcosa” nano, abbiamo un miliardesimo di quel qualcosa. Scienziati e ingegneri applicano il prefisso nano a molti “qualcosa” tra cui metri (lunghezza), secondi (tempo), litri (volume) e grammi (massa) per rappresentare ciò che è comprensibilmente una quantità molto piccola. Molto spesso nano viene applicato alla scala delle lunghezze e misuriamo e parliamo di nanometri (nm). I singoli atomi hanno un diametro inferiore a 1 nm e sono necessari circa 10 atomi di idrogeno in fila per creare una linea lunga 1 nm. Altri atomi sono più grandi dell'idrogeno ma hanno comunque diametri inferiori a un nanometro. Un tipico virus ha un diametro di circa 100 nm e un batterio ha un diametro di circa 1000 nm dalla testa alla coda. Gli strumenti che ci hanno permesso di osservare il mondo precedentemente invisibile della nanoscala sono il microscopio a forza atomica e il microscopio elettronico a scansione. 

Quanto grande è piccolo? 

Può essere difficile visualizzare quanto siano piccole le cose su scala nanometrica. Il seguente esercizio può aiutarti a visualizzare quanto grande può essere piccolo! Considera una palla da bowling, una palla da biliardo, una pallina da tennis, una pallina da golf, una biglia e un pisello. Pensa alla dimensione relativa di questi elementi. 

Microscopio elettronico a scansione 

Il microscopio elettronico a scansione è un tipo speciale di microscopio elettronico che crea immagini di una superficie del campione scansionandola con un fascio di elettroni ad alta energia in uno schema di scansione raster. In una scansione raster, un’immagine viene tagliata in una sequenza di strisce (solitamente orizzontali) note come “linee di scansione”. Gli elettroni interagiscono con gli atomi che compongono il campione e producono segnali che forniscono dati sulla forma, sulla composizione della superficie e persino sulla sua capacità di condurre elettricità. Molte immagini scattate con microscopi elettronici a scansione possono essere visualizzate su www.dartmouth.edu/~emlab/gallery. 

Proprietà su scala nanometrica 

Le proprietà dei materiali su scala nanometrica sono diverse in molti casi dalle proprietà dei materiali osservati su altre scale. Consideriamo, ad esempio, la temperatura di fusione dei metalli. Le nanoparticelle spesso presentano una temperatura di fusione inferiore rispetto ai corrispondenti metalli sfusi e queste temperature dipendono dalle dimensioni. Ad esempio, l’oro sfuso si scioglie a 1064 gradi Celsius, ma una particella d’oro da 4 nm si scioglie a circa 850 gradi Celsius. 

Il colore di un materiale può dipendere anche dalla dimensione. La comparsa del colore è causata dal parziale assorbimento della luce da parte degli elettroni di quel materiale; la parte non assorbita della luce rimane visibile. 

Sulla maggior parte delle superfici metalliche lisce, la luce viene interamente riflessa dall'altissima densità di elettroni di conduzione; per questo motivo le superfici delle lastre metalliche hanno un aspetto speculare. Al contrario, le piccole particelle assorbono parte della luce, determinando la comparsa del colore. Questo comportamento dipende dalle dimensioni. 

Ad esempio, l'oro presenta un colore diverso a seconda della dimensione delle sue particelle. Particelle estremamente piccole d'oro sono state utilizzate per i vetri colorati sin dagli albori della produzione del vetro. I vasi di rubino (dal colore dal rosa al rosso sangue) sono stati realizzati per secoli utilizzando particelle d'oro finemente disperse. Molte vetrate colorate mostrano un colore rosso a causa del drogaggio con nanoparticelle d'oro. 

I nanosistemi non sono abbastanza grandi da poter applicare molte leggi classiche della fisica. Ad esempio, la legge di Ohm, che descrive la relazione tra corrente e tensione in un conduttore, non descrive la conduzione di corrente attraverso un minuscolo nanofilo. Qui altri effetti, noti come effetti quantomeccanici, sono più importanti.

Cristalli liquidi 

I cristalli liquidi (LC) si trovano in uno stato della materia che ha proprietà tra quelle di un normale liquido e quelle di un cristallo solido. Ad esempio, un LC può scorrere come un liquido, ma le sue molecole possono essere orientate in modo cristallino. Esistono diversi tipi di cristalli liquidi, ma i cristalli liquidi termotropici cambiano le loro proprietà al variare della temperatura. Se applichi qualcosa di caldo (come la tua mano) su un foglio di cristalli liquidi racchiuso, cambierà colore in base alla variazione di temperatura. I colori passano dal rosso all'arancione al giallo, poi verde, blu e viola man mano che le LC diventano più calde! 

Com'è questo Nano? 

I cambiamenti nella struttura di un materiale sono solitamente troppo piccoli per essere visualizzati direttamente, ma spesso possiamo invece osservare i cambiamenti nelle proprietà del materiale come risultato dei cambiamenti strutturali. I cristalli liquidi termotropici cambiano colore quando esposti a temperature diverse, quindi vediamo la proprietà del colore cambiare anche se non possiamo osservare in una classe il cambiamento nella loro struttura molecolare. I cristalli liquidi cambiano colore a seguito di aggiustamenti nella disposizione delle loro molecole su scala nanometrica. Nella nanotecnologia, gli scienziati sfruttano le proprietà peculiari dei materiali su scala nanometrica per progettare nuovi materiali e dispositivi. 

Applicazioni del termometro 

Le transizioni di colore dei cristalli liquidi vengono utilizzate nelle lastre di molti termometri per acquari e piscine, nonché sui termometri per neonati o per il bagnetto. Altri materiali a cristalli liquidi cambiano colore se allungati o stressati. I fogli di cristalli liquidi vengono spesso utilizzati nell'industria per cercare punti caldi in un processo di produzione o per mappare il flusso di calore. 

Display a cristalli liquidi 

Un display a cristalli liquidi (LCD) è un display a schermo piatto, un display visivo elettronico o un display video che utilizza le proprietà di modulazione della luce dei cristalli liquidi (LC). Le LC non emettono luce direttamente. Gli LCD sono utilizzati in molti prodotti come monitor di computer, televisori, cruscotti, dispositivi di gioco, orologi, calcolatrici e telefoni.