나노 규모에서 탐색

나노 규모에서 탐색

수업 집중하다

이 수업에서는 나노기술이 우리 사회에 어떤 영향을 미쳤는지, 그리고 엔지니어들이 나노 규모에서 세계를 탐구하는 방법을 어떻게 배웠는지에 중점을 둡니다. 학생들은 실습 활동에 참여하여 나노 크기가 얼마나 작은지 정확히 이해하고, 나노 크기에서 표면적이 어떻게 변하는지 탐구하고, 팀으로 협력하여 나노 기술의 미래 응용 프로그램을 개발합니다.

수업 개요 

"나노 규모 탐구" 수업에서는 나노 기술이 세계에 어떤 영향을 미쳤는지, 그리고 엔지니어가 매우 작은 규모에서 작업할 때 발생할 수 있는 결과를 어떻게 고려해야 하는지 탐구합니다. 학생들은 팀으로 작업하며 품목이 점점 작아짐에 따라 노출되는 표면적 증가를 탐구합니다. 학생들은 두부나 젤라틴의 큰 블록을 검사하고 측정하여 표면적을 결정합니다. 그런 다음 블록을 점점 더 작은 조각으로 분할하여 더 많은 표면을 노출시키고 표면적에 영향을 줍니다. 학생들은 또한 나노의 크기를 이해하기 위해 다양한 항목을 비교하면서 작은 크기를 탐구합니다. 그들은 엔지니어링 팀으로 일하여 자신이 선택한 제품이나 프로세스에 대한 나노기술의 새로운 적용을 결정합니다. 팀은 잠재적인 연구 자금 제공자 그룹(나머지 학급)에게 개념과 제안을 제시한 다음 각각 가장 잠재력이 있는 제안에 투표합니다. 학생 팀은 성찰 문서를 작성합니다.

연령 수준 

8-14.

학습 목표 

• 나노기술에 대해 알아보세요. 
• 규모에 대해 알아보세요. 
• 표면적에 대해 알아보세요. 
• 엔지니어링 디자인에 대해 알아보세요. 
• 팀워크와 그룹 작업에 대해 알아보세요. 

예상되는 학습자 결과 

이 활동의 결과로 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 키워야 합니다. 

• 나노기술 
• 문제 해결 
• 팀워크. 

수업 활동 

학생들은 나노 규모에서 작업하는 엔지니어들이 작업할 수 있는 더 넓은 표면적을 확보하는 방법을 배웁니다. 학생들은 큰 블록이 여러 개의 작은 부품으로 절단됨에 따라 증가하는 표면적을 탐색하기 위해 팀으로 작업합니다. 그런 다음 나노기술이 엔지니어가 제품이나 프로세스를 개선하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 결정하고 자신의 제안을 학급에 발표하는 과제를 탐구합니다. 

자원/재료 

• 교사 자료 정보 
• 학생 리소스 정보 
• 학생용 워크시트(여기에 포함됨) 

커리큘럼 프레임워크에 대한 정렬 

포함된 내용을 확인하세요 커리큘럼 정렬 정보. 

인터넷 리소스 

• TryEngineering (www.tryengineering.org) 
• TryNano (당신은 이미 여기에 있습니다!) 
• 국가 나노기술 이니셔티브(www.nano.gov) 
• 다트머스 전자현미경 시설 이미지(www.dartmouth.edu/~emlab/gallery) 

보충 자료 

• 초보자를 위한 나노기술(ISBN: 978-0470891919) 
• 나노기술: 소규모 시스템의 이해 (ISBN: 978-1138072688) 

선택적인 글쓰기 활동 

나노기술이 우주 탐사에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대한 에세이나 단락을 작성해 보세요. 

교사용: 

수업 목표 

"나노 규모 탐구" 수업에서는 나노 기술이 세계에 어떤 영향을 미쳤는지, 그리고 엔지니어가 매우 작은 규모에서 작업할 때 발생할 수 있는 결과를 어떻게 고려해야 하는지 탐구합니다. 학생들은 팀으로 작업하며 품목이 점점 작아짐에 따라 노출되는 표면적 증가를 탐구합니다. 학생들은 두부 또는 젤라틴의 큰 블록을 검사하고 측정하여 표면적을 결정합니다. 그런 다음 블록을 점점 더 작은 조각으로 분할하여 더 많은 표면을 노출시키고 표면적에 영향을 줍니다. 학생들은 또한 "나노"가 얼마나 큰지 이해하기 위해 다양한 항목을 비교하면서 작은 크기를 탐구합니다. 그들은 엔지니어링 팀으로 일하여 자신이 선택한 제품이나 프로세스에 대한 나노기술의 새로운 적용을 결정합니다. 팀은 잠재적인 연구 자금 제공자 그룹(나머지 학급)에게 개념과 제안을 제시한 다음 각각 가장 잠재력이 있는 제안에 투표합니다. 학생 팀은 성찰 문서를 작성합니다. 

수업 목표 

• 나노기술에 대해 알아보세요. 
• 규모에 대해 알아보세요. 
• 표면적에 대해 알아보세요. 
• 엔지니어링 디자인에 대해 알아보세요. 
• 팀워크와 그룹 작업에 대해 알아보세요. 

재료 

• 학생 자료 시트 
• 학생 워크시트 
• 각 학생 그룹을 위한 자료 세트 1개 
  • 매우 단단한 두부 또는 젤라틴 블록
  • 절단면(플라스틱판이나 도마)
  • 무딘 칼
  • 눈금자 또는 줄자 

절차 

1. 학생들에게 다양한 학생 참고 자료를 보여줍니다. 이 내용은 수업 시간에 읽을 수도 있고 전날 밤 숙제를 위한 읽기 자료로 제공될 수도 있습니다. 
2. 표면적 활동 
   • 학생들을 2~3명의 그룹으로 나누고 그룹당 자료 세트를 제공합니다. 
   • 학생들은 여러 지점(전체, 반으로 쪼개기, 4등분 등)에서 두부 블록의 표면적을 결정하기 위해 팀으로 작업해야 한다고 설명합니다. 학생들은 먼저 전체 블록을 측정하고 표면적을 결정한 다음 블록을 반으로 자르고 표면적을 결정한 다음 너비가 약 1/2인치인 두부 블록이 많이 생길 때까지 다시 반으로 나누는 과정을 진행합니다. 
3. 나노규모 응용 활동 
   • 2~3명의 학생으로 구성된 동일한 그룹이 나노기술의 새로운 응용에 대한 제안을 개발하기 위해 노력합니다. 
   • 가장 잠재력이 높은 제안에 투표한 잠재적인 연구 자금 제공자(나머지 학급의 학생들)에게 프레젠테이션이 이루어집니다. 
4. 평가 – 학생들은 평가/반성 시트를 작성합니다.

필요한 시간 

2~3개의 45분 세션 

팁 

• 어린 학생들의 경우 두부나 젤라틴에 향신료나 설탕 코팅을 하면 학생들이 표면적이 어떻게 증가했는지 시각화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 소량의 설탕이나 향신료를 사용하여 큰 두부 블록을 코팅한 다음 학생들에게 큰 두부 블록에서 잘라낸 모든 작은 큐브를 코팅하는 데 얼마나 더 많은 설탕이나 향신료가 필요한지 보여줍니다. 
• 고학년 학생들의 경우 www.trynano.org에서 연구 기간을 포함하여 응용 및 나노재료에 대해 자세히 알아보세요. 

학생용: 

나노기술이란 무엇입니까? 

정맥을 통해 움직이는 적혈구의 움직임을 관찰할 수 있다고 상상해 보십시오. 나트륨과 염소 원자가 실제로 전자를 전달하여 소금 결정을 형성할 만큼 가까이 다가가는 것을 관찰하거나, 물통에서 온도가 올라갈 때 분자의 진동을 관찰하는 것은 어떤가요? 지난 수십 년 동안 개발되고 개선된 도구 또는 '범위'로 인해 우리는 이 단락 시작 부분에 있는 많은 예와 같은 상황을 관찰할 수 있습니다. 분자 또는 원자 수준에서 물질을 관찰, 측정 및 조작하는 능력을 나노기술 또는 나노과학이라고 합니다. 우리가 나노 "무언가"를 가지고 있다면 우리는 그 무언가의 10억분의 1을 갖게 됩니다. 과학자와 엔지니어들은 미터(길이), 초(시간), 리터(부피), 그램(질량)을 포함한 많은 "무언가"에 나노 접두사를 적용하여 매우 작은 양을 나타냅니다. 대부분 나노는 길이 척도에 적용되며 우리는 나노미터(nm)를 측정하고 이에 대해 이야기합니다. 개별 원자의 직경은 1nm보다 작으며, 길이 1nm의 선을 만들려면 약 10개의 수소 원자가 연속으로 필요합니다. 다른 원자는 수소보다 크지만 직경은 여전히 나노미터보다 작습니다. 일반적인 바이러스의 직경은 약 100nm이고 박테리아의 직경은 머리부터 꼬리까지 약 1000nm입니다. 이전에는 보이지 않았던 나노 규모의 세계를 관찰할 수 있게 해 준 도구는 원자간력현미경과 주사전자현미경입니다. 

작은 것은 얼마나 큰가? 

나노 수준에서 사물이 얼마나 작은지 시각화하는 것은 어려울 수 있습니다. 다음 연습은 얼마나 크고 작은지 시각화하는 데 도움이 될 수 있습니다! 볼링공, 당구공, 테니스공, 골프공, 대리석, 완두콩을 생각해 보세요. 이러한 항목의 상대적인 크기를 생각해 보십시오. 

주사전자현미경 

주사전자현미경은 래스터 스캔 패턴의 고에너지 전자빔으로 시료 표면을 스캔하여 시료 표면의 이미지를 생성하는 특수한 유형의 전자현미경입니다. 래스터 스캔에서 이미지는 "스캔 라인"이라고 알려진 일련의(보통 수평) 스트립으로 잘립니다. 전자는 샘플을 구성하는 원자와 상호 작용하여 표면의 모양, 구성 및 전기 전도 여부에 대한 데이터를 제공하는 신호를 생성합니다. 주사전자현미경으로 촬영한 많은 이미지는 www.dartmouth.edu/~emlab/gallery. 

표면적이란 무엇입니까? 

표면적은 물체가 노출된 면적의 정도를 측정한 것입니다. "제곱" 단위로 표시됩니다. 물체에 평평한 면이 있는 경우 면의 면적을 더하여 표면적을 계산할 수 있습니다. 구와 같이 표면이 매끄러운 물체에도 표면적이 있습니다. 

표면적 공식 

큐브의 표면적은 다음 공식으로 표현됩니다.

X = 6 x Y x Y 

큐브의 표면적을 결정하려면 먼저 한 면의 면적을 알아야 합니다. 한 면의 면적은 Y x Y 또는 Y입니다.². 입방체의 표면적을 구하려면 한 변의 면적에 6을 곱해야 합니다. 예를 들어 Y가 10mm라면 한 면의 면적은 100mm가 됩니다.² 큐브의 전체 표면적은 600mm입니다.². 

직육면체의 표면적은 다음 공식으로 표현됩니다.

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

이 크기의 표면이 두 개 있으므로 표면적을 결정하려면 공식의 한 부분으로 2 x A x B가 필요합니다. 또한 다른 면의 면적도 결정해야 합니다. A x C를 곱해야 하며, 이 면이 2개 있으므로 전체 표면적 공식에 2 x A x C를 포함해야 합니다. 나머지 면은 2 x B x C의 면적을 차지합니다. 예를 들어 A의 길이가 20mm, B의 길이가 10mm, C의 길이가 40mm인 경우: 

A x B = 200mm이므로 2 x A x B = 400mm² 

A x C = 800mm이므로 2 x A x C = 1600mm² 

B x C = 400mm이므로 2 x A x C = 800mm² 

따라서 고체의 표면적은 2800mm입니다.².

표면적이 중요한 이유 

나노 규모에서 입자의 기본 특성은 더 큰 입자와 크게 다를 수 있습니다. 여기에는 기계적 특성, 입자의 전기 전도성 여부, 온도 변화에 반응하는 방식, 화학 반응이 발생하는 방식 등이 포함될 수 있습니다. 입자가 작아짐에 따라 표면적 대 부피 비율이 변경됩니다. 화학 반응은 일반적으로 입자 표면에서 일어나기 때문에 반응에 사용할 수 있는 표면적이 증가하면 반응이 더 빠르게 진행될 수 있습니다.