Esplorazione su scala nanometrica

Esplorazione su scala nanometrica

Lezione Messa a fuoco

Questa lezione si concentra sull'impatto delle nanotecnologie sulla nostra società e su come gli ingegneri hanno imparato a esplorare il mondo su scala nanometrica. Gli studenti partecipano ad attività pratiche per comprendere esattamente quanto è piccola la nanoscala, esplorare come cambia la superficie su scala nanometrica e lavorare in team per sviluppare applicazioni futuristiche della nanotecnologia.

Sinossi della lezione 

La lezione "Esplorare su scala nanometrica" esplora l'impatto della nanotecnologia sul mondo e il modo in cui gli ingegneri devono considerare le implicazioni del lavoro su scala molto piccola. Gli studenti lavorano in team ed esplorano la maggiore superficie esposta man mano che gli oggetti vengono resi sempre più piccoli. Gli studenti esaminano e misurano grandi blocchi di tofu o gelatina, determinandone l'area superficiale. Quindi tagliano il blocco in pezzi sempre più piccoli, esponendo più superfici e incidendo sulla superficie. Gli studenti esplorano anche le dimensioni del piccolo, confrontando vari elementi per capire quanto è grande un nano. Lavorano come un team di ingegneri per determinare una nuova applicazione della nanotecnologia per un prodotto o processo di loro scelta. I team presentano concetti e proposte a un gruppo di potenziali finanziatori della ricerca (il resto della classe) e poi votano ciascuno per la proposta con il maggior potenziale. I gruppi di studenti completano i documenti di riflessione.

Livelli di età 

8-14.

Apprendimento Obiettivi 

• Conoscere le nanotecnologie. 
• Scopri la scala. 
• Scopri la superficie. 
• Ulteriori informazioni sulla progettazione tecnica. 
• 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 
• risoluzione dei problemi 
• lavoro di squadra. 

Attività della lezione 

Gli studenti apprendono come gli ingegneri che lavorano su scala nanometrica hanno una superficie maggiore su cui lavorare. Gli studenti lavorano in gruppi per esplorare l'aumento della superficie mentre i blocchi di grandi dimensioni vengono tagliati in più parti più piccole. Quindi esplorano la sfida di determinare come la nanotecnologia potrebbe aiutare gli ingegneri a migliorare un prodotto o un processo e presentano la loro proposta alla classe. 

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) 
• Immagini della struttura del microscopio elettronico di Dartmouth (www.dartmouth.edu/~emlab/gallery) 

Lettura supplementare 

• Nanotecnologie per principianti (ISBN: 978-0470891919) 
• Nanotecnologia: comprendere i piccoli sistemi (ISBN: 978-1138072688) 

Attività di scrittura facoltativa 

Scrivi un saggio o un paragrafo su come la nanotecnologia potrebbe avere un impatto sull'esplorazione spaziale. 

Per gli insegnanti: 

Obiettivo della lezione 

La lezione "Esplorare su scala nanometrica" esplora l'impatto della nanotecnologia sul mondo e il modo in cui gli ingegneri devono considerare le implicazioni del lavoro su scala molto piccola. Gli studenti lavorano in team ed esplorano la maggiore superficie esposta man mano che gli oggetti vengono resi sempre più piccoli. Gli studenti esaminano e misurano grandi blocchi di tofu o gelatina determinandone l'area superficiale. Quindi tagliano il blocco in pezzi sempre più piccoli, esponendo più superfici e incidendo sulla superficie. Gli studenti esplorano anche le dimensioni del piccolo, confrontando vari elementi per capire quanto è grande il “nano”. Lavorano come un team di ingegneri per determinare una nuova applicazione della nanotecnologia per un prodotto o processo di loro scelta. I team presentano concetti e proposte a un gruppo di potenziali finanziatori della ricerca (il resto della classe) e poi votano ciascuno per la proposta con il maggior potenziale. I gruppi di studenti completano i documenti di riflessione. 

Obiettivi della lezione 

• Conoscere le nanotecnologie. 
• Scopri la scala. 
• Scopri la superficie. 
• Ulteriori informazioni sulla progettazione tecnica. 
• Conoscere il lavoro di squadra e il lavoro in gruppo. 

Materiali 

• Scheda delle risorse per gli studenti 
• Fogli di lavoro per gli studenti 
• Un set di materiali per ogni gruppo di studenti 
  • Blocco di tofu o gelatina extra solido
  • Superficie di taglio (piatto di plastica o tagliere)
  • Coltello smussato
  • Righello o metro a nastro 

Procedura 

1. Mostra agli studenti le varie schede di riferimento per gli studenti. Questi possono essere letti in classe o forniti come materiale di lettura per i compiti della sera prima. 
2. Attività sulla superficie 
   • Dividere gli studenti in gruppi di 2-3 studenti, fornendo una serie di materiali per gruppo. 
   • Spiegare che gli studenti devono lavorare in squadra per determinare la superficie di un blocco di tofu in vari punti (intero, tagliato a metà, in quarti, ecc.). Gli studenti misureranno prima l'intero blocco e determineranno l'area della superficie, quindi taglieranno il blocco a metà e determineranno l'area della superficie, poi ancora a metà, ecc. Fino a quando non ci saranno molti blocchi di tofu di circa 1/2 pollice di larghezza. 
3. Attività sulle applicazioni su scala nanometrica 
   • Lo stesso gruppo di 2-3 studenti lavora per sviluppare una proposta per una nuova applicazione delle nanotecnologie. 
   • Le presentazioni vengono fatte ai potenziali finanziatori della ricerca (il resto della classe) che votano per la proposta con il maggior potenziale. 
4. Valutazione – Gli studenti completano i fogli di valutazione/riflessione.

Tempo necessario 

Da due a tre sessioni da 45 minuti 

Suggerimenti 

• Per gli studenti più giovani, un rivestimento di spezie o zucchero sul tofu o sulla gelatina può aiutare gli studenti a visualizzare come è aumentata la superficie. Usa una piccola quantità di zucchero o spezie per rivestire un grande blocco di tofu, quindi mostra agli studenti quanto zucchero o spezie sono necessari per rivestire tutti i cubetti tagliati dal grande blocco di tofu. 
• Per gli studenti più grandi, incorporare un periodo di ricerca su www.trynano.org per saperne di più su applicazioni e nanomateriali. 

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. 

Cos'è la superficie? 

La superficie è la misura di quanta area esposta ha un oggetto. È espresso in unità “quadrate”. Se un oggetto ha facce piane, la sua superficie può essere calcolata sommando le aree delle sue facce. Anche gli oggetti con superfici lisce, come le sfere, hanno un'area superficiale. 

Formule per l'area superficiale 

La superficie di un cubo può essere espressa con la formula:

X = 6 x Y x Y 

Per determinare l'area della superficie del cubo, devi prima scoprire l'area di una faccia. L'area di una faccia è Y x Y o Y². Per trovare l'area della superficie del cubo, devi moltiplicare l'area di un lato per 6. Se, ad esempio, Y fosse uguale a 10 mm, l'area di una faccia sarebbe 100 mm² e la superficie totale del cubo sarebbe di 600 mm². 

L'area della superficie di un parallelepipedo rettangolo può essere espressa dalla formula:

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

Poiché ci sono due superfici di queste dimensioni, abbiamo bisogno di 2 x A x B come parte della nostra formula per determinare l'area della superficie. Dovremo anche determinare l'area delle altre facce. Dovremo moltiplicare A x C e, poiché ci sono due di queste facce, dobbiamo includere 2 x A x C nella formula dell'intera superficie. Le facce rimanenti contribuiscono con un'area di 2 x B x C. Se, ad esempio, la lunghezza di A era pari a 20 mm, B pari a 10 mm e C pari a 40 mm, allora: 

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

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

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

Quindi la superficie del solido è 2800 mm².

Perché la superficie è importante 

Su scala nanometrica, le proprietà di base delle particelle possono variare in modo significativo rispetto alle particelle più grandi. Ciò potrebbe includere proprietà meccaniche, se la particella conduce elettricità, come reagisce ai cambiamenti di temperatura e persino come avvengono le reazioni chimiche. Il rapporto area superficiale/volume cambia man mano che le particelle diventano più piccole. Poiché le reazioni chimiche di solito avvengono sulla superficie di una particella, se è disponibile una maggiore area superficiale per le reazioni, la reazione può progredire più rapidamente.