Il potere del grafene

Il potere del grafene

Lezione Messa a fuoco

Questa lezione si concentra sul grafene e sulle sue proprietà elettriche e applicazioni. Gli studenti apprendono le nanotecnologie e come gli ingegneri possono sfruttare le differenze nel comportamento dei materiali quando sono piccoli per affrontare le sfide in molti settori. Gli studenti lavorano in gruppi per ipotizzare e poi testare se il grafene è un conduttore elettrico o un isolante. Costruiscono un circuito semplice utilizzando oggetti di uso quotidiano e creano un campione di grafene utilizzando matite morbide su carta. Osservano ciò che vedono, estrapolano applicazioni più ampie, presentano le loro idee alla classe e riflettono sull'esperienza. 

Sinossi della lezione 

La lezione “Il potere del grafene” esplora il grafene, le sue proprietà elettriche e le sue applicazioni su scala nanometrica. Gli studenti lavorano in team per testare il grafene utilizzando un semplice circuito e considerano l'impatto di questo straordinario materiale su molti settori. I team valutano i risultati dei test, sviluppano nuove applicazioni teoriche per il grafene, presentano le loro idee alla classe e riflettono sull'esperienza. 

Livelli di età 

8-18.

Apprendimento Obiettivi 

• Conoscere le nanotecnologie. 
• Scopri di più sul grafene. 
• Ulteriori informazioni su circuiti, isolanti e conduttori. 
• Scopri come l'ingegneria può aiutare a risolvere le sfide della società.
• Conoscere il lavoro di squadra e la risoluzione dei problemi. 

Risultati attesi dallo studente 

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

• grafene
• circuiti, conduttori e isolanti
• nanotecnologia 
• lavoro di squadra.

Attività della lezione 

Gli studenti esplorano la nanotecnologia e il materiale grafene in termini di capacità di condurre elettricità e il suo impatto su molte industrie e prodotti. Gli studenti testano il grafene per vedere se sarà un isolante o un conduttore in un circuito semplice e sviluppano ipotetiche applicazioni per il grafene che rivoluzionerebbero un prodotto o un sistema. I team presentano le loro idee alla classe e riflettono sull'esperienza.  

Risorse/Materiali 

• Informazioni sulle risorse per gli insegnanti 
• Informazioni sulle risorse per gli studenti 
• Foglio di lavoro per lo studente (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 i progressi nel campo delle nanotecnologie hanno cambiato il campo dell'elettronica o della medicina. 

Avviso di sicurezza

Gli studenti non dovrebbero MAI tentare di far passare correnti elettriche elevate attraverso una matita poiché ciò potrebbe causare la combustione dei materiali della matita; questa attività dovrebbe essere supervisionata in ogni momento dagli insegnanti. Gli studenti devono indossare guanti isolanti quando maneggiano i fermagli del connettore e collegare la batteria per ultima. 

Per gli insegnanti: 

Obiettivo della lezione 

La lezione “Il potere del grafene” esplora il grafene, le sue proprietà elettriche e le sue applicazioni su scala nanometrica. Gli studenti lavorano in team per testare il grafene utilizzando un semplice circuito e considerano l'impatto di questo straordinario materiale su molti settori. I team valutano i risultati dei test, sviluppano nuove applicazioni teoriche per il grafene, presentano le loro idee alla classe e riflettono sull'esperienza. 

Obiettivi della lezione 

• Conoscere le nanotecnologie. 
• Scopri di più sul grafene. 
• Ulteriori informazioni su circuiti, isolanti e conduttori. 
• Scopri come l'ingegneria può aiutare a risolvere le sfide della società. 
• Conoscere il lavoro di squadra e la risoluzione dei problemi. 

Materiali 

• Fogli di risorse per gli studenti 
• Fogli di lavoro per gli studenti 
• Un set di materiali per ogni gruppo di studenti:
  • matite 
  • carta
  • Luce a led
  • Resistenza da 330 Ohm (per evitare che la luce LED si bruci)
  • connettori isolati
  • Batteria da 9 volt.  

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. Per introdurre la lezione, potresti chiedere agli studenti cosa sanno su isolanti e conduttori e se pensano che il grafene si comporterebbe in entrambi i modi. 
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. Squadre di 3-4 studenti considereranno la loro sfida e insieme teorizzeranno se pensano che il grafene possa condurre o isolare la corrente elettrica. 
5. Successivamente i team costruiscono un circuito funzionante utilizzando una luce LED, una batteria e un resistore, quindi testano il grafene (e altri materiali se desideri estendere l'attività) su un pezzo di carta per vedere se completa il circuito. 
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 

Suggerimenti 

• Chiedi agli studenti di esplorare diversi tipi di mine.
• Scopri come la forma della linea (curva, diritta, ecc.) e la lunghezza influiscono sui risultati.

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 il grafene? 

Il grafene è un materiale bidimensionale dello spessore di un atomo costituito da atomi di carbonio racchiusi in un reticolo cristallino a nido d'ape. Questo è noto come grafene a strato singolo. In laboratorio sono stati sintetizzati anche grafeni bistrato e multistrato. Il grafene presenta proprietà elettriche, ottiche, meccaniche, termiche e di altro tipo molto interessanti. Elettricamente è un semimetallo o un semiconduttore con banda proibita pari a zero. Il grafene mostra una resistività molto bassa, ad esempio solo 10^-6 ohm cm a temperatura ambiente. Un singolo strato di pellicola di grafene è abbastanza trasparente e assorbe solo circa 2% di luce bianca che lo attraversa. Le proprietà meccaniche sono eccezionali. 

Le interessanti proprietà del grafene hanno portato recentemente a un'esplosione di ricerche nella sua sintesi, caratterizzazione delle sue proprietà e sviluppo di applicazioni. Le applicazioni promettenti includono dispositivi elettronici, elettrodi trasparenti per celle solari e display al plasma, compositi, dispositivi di accumulo di energia e sensori chimici e biologici. 

Attualmente i ricercatori sono in grado di produrre grafene riducendo l’ossido di grafene. Questo approccio di sintesi chimica può ora produrre quantità in grammi del materiale. È anche possibile depositare un singolo strato di grafene su un wafer di silicio. Una tecnica chiamata deposizione chimica da fase vapore consente la crescita del grafene singolo o multistrato a 900-1000 ºC. 

Premio Nobel per il grafene 

Due ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica per il loro lavoro sul grafene! Nel 2010, Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno condiviso congiuntamente il premio “per esperimenti innovativi riguardanti il materiale bidimensionale del grafene”. I ricercatori, insieme a diversi collaboratori, sono stati i primi a isolare gli strati di carbonio dalla grafite, il materiale utilizzato nella “mina” delle matite.  

Applicazioni

Dalla medicina all’elettronica, molti governi e organizzazioni stanno attualmente dedicando sforzi all’applicazione del grafene. Questo campo è cambiato radicalmente in un breve periodo di tempo, rendendo il grafene un materiale che sta cambiando molti settori.