그래핀의 힘
수업 집중하다
이번 강의에서는 그래핀과 그래핀의 전기적 특성 및 응용에 중점을 둡니다. 학생들은 나노기술에 대해 배우고 엔지니어들이 다양한 산업 분야의 과제를 해결하기 위해 작을 때 재료가 어떻게 작용하는지의 차이를 활용할 수 있는 방법을 배웁니다. 학생들은 팀을 이루어 그래핀이 전기 전도체인지 절연체인지 가설을 세우고 테스트합니다. 일상용품을 이용해 간단한 회로를 만들고 종이에 부드러운 연필을 사용해 그래핀 샘플을 만듭니다. 그들은 자신이 보는 것을 관찰하고, 더 넓은 적용에 적용하고, 자신의 아이디어를 학급에 발표하고, 경험을 반영합니다.
수업 개요
"그래핀의 힘" 수업에서는 그래핀과 그래핀의 전기적 특성 및 나노 규모에서의 응용을 탐구합니다. 학생들은 팀 단위로 간단한 회로 설정을 사용하여 그래핀을 테스트하고 이 놀라운 재료가 많은 산업에 어떤 영향을 미치는지 고려합니다. 팀은 테스트 결과를 평가하고, 그래핀에 대한 새로운 이론적 응용을 개발하고, 아이디어를 학급에 발표하고, 경험을 반영합니다.
연령 수준
8-18.
학습 목표
- 나노기술에 대해 알아보세요.
- 그래핀에 대해 알아보세요.
- 회로, 절연체, 도체에 대해 알아보세요.
- 엔지니어링이 사회의 과제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보세요.
- 팀워크와 문제 해결에 대해 알아보세요.
예상되는 학습자 결과
이 활동의 결과로 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 키워야 합니다.
- 그래핀
- 회로, 도체 및 절연체
- 나노기술
- 팀워크.
수업 활동
학생들은 나노기술과 그래핀 소재의 전기 전도 능력과 다양한 산업 및 제품에 미치는 영향을 탐구합니다. 학생들은 그래핀이 간단한 회로에서 절연체나 도체로 사용되는지 확인하기 위해 테스트하고, 제품이나 시스템에 혁명을 일으킬 그래핀에 대한 가상 응용 프로그램을 개발합니다. 팀은 자신의 아이디어를 학급에 발표하고 경험을 반영합니다.
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
나노기술의 발전이 전자공학이나 의학 분야를 어떻게 변화시켰는지에 대한 에세이나 단락을 작성해 보세요.
안전 고지
학생들은 절대로 연필에 높은 전류를 흐르게 해서는 안 됩니다. 연필 재료가 연소될 수 있기 때문입니다. 이 활동은 항상 교사가 감독해야 합니다. 학생들은 커넥터 클립을 다룰 때 절연 장갑을 착용해야 하며, 배터리는 마지막에 부착해야 합니다.
교사용:
수업 목표
"그래핀의 힘" 수업에서는 그래핀과 그래핀의 전기적 특성 및 나노 규모에서의 응용을 탐구합니다. 학생들은 팀 단위로 간단한 회로 설정을 사용하여 그래핀을 테스트하고 이 놀라운 재료가 많은 산업에 어떤 영향을 미치는지 고려합니다. 팀은 테스트 결과를 평가하고, 그래핀에 대한 새로운 이론적 응용을 개발하고, 아이디어를 학급에 발표하고, 경험을 반영합니다.
수업 목표
- 나노기술에 대해 알아보세요.
- 그래핀에 대해 알아보세요.
- 회로, 절연체, 도체에 대해 알아보세요.
- 엔지니어링이 사회의 과제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보세요.
- 팀워크와 문제 해결에 대해 알아보세요.
재료
- 학생 자료 시트
- 학생 워크시트
- 각 학생 그룹을 위한 자료 세트:
- 연필
- 종이
- LED 조명
- 330옴 저항(LED 조명이 꺼지는 것을 방지하기 위해)
- 절연 커넥터
- 9볼트 배터리.
절차
- 학생들에게 다양한 학생 참고 자료를 보여줍니다. 이 내용은 수업 시간에 읽을 수도 있고 전날 밤 숙제를 위한 읽기 자료로 제공될 수도 있습니다.
- 수업을 소개하기 위해 학생들에게 절연체와 전도체에 대해 무엇을 알고 있는지, 그리고 그래핀이 어느 방식으로든 작동할 것이라고 생각하는지 물어보세요.
- 인터넷 접속이 가능하다면, 학생들에게 www.trynano.org에서 자료를 검토하게 하십시오. 이 사이트는 나노기술과 나노기술이 큰 영향을 미치는 산업에 대한 추가 배경 정보를 제공합니다.
- 3~4명의 학생으로 구성된 팀은 자신의 과제를 고려하고 팀으로서 그래핀이 전류를 전도하거나 절연할 것이라고 생각하는지 이론화합니다.
- 다음으로 팀은 LED 조명, 배터리 및 저항기를 사용하여 작동 회로를 구축한 다음 종이에 그래핀(및 활동을 확장하려는 경우 기타 재료)을 테스트하여 회로가 완성되는지 확인합니다.
- 팀은 무슨 일이 일어났는지 관찰하고, 가설을 실제 결과와 비교하고, 반성문을 작성하고, 자신의 경험을 학급에 발표합니다.
필요한 시간
45분 세션 1~2회
팁
- 학생들에게 다양한 유형의 연필심을 살펴보게 하세요.
- 선 모양(곡선, 직선 등)과 길이가 결과에 어떤 영향을 미치는지 살펴보세요.
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.
그래핀이란 무엇입니까?
그래핀은 벌집 모양의 결정 격자에 탄소 원자가 들어 있는 1원자 두께의 2차원 물질입니다. 이는 단일층 그래핀으로 알려져 있습니다. 이중층 및 다층 그래핀도 실험실에서 합성되었습니다. 그래핀은 매우 흥미로운 전기적, 광학적, 기계적, 열적 및 기타 특성을 나타냅니다. 전기적으로는 밴드갭이 0인 반금속 또는 반도체입니다. 그래핀은 매우 낮은 저항률을 보여줍니다. 예를 들어 단지 10에 불과합니다.-6 실온에서 ohm cm. 그래핀 필름의 단일 층은 이를 통과하는 백색광의 약 2%만 흡수하여 상당히 투명합니다. 기계적 성질은 탁월합니다.
그래핀의 흥미로운 특성으로 인해 최근 합성, 특성 특성화 및 응용 분야 개발에 대한 연구가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 유망한 응용 분야에는 전자 장치, 태양 전지 및 플라즈마 디스플레이용 투명 전극, 복합재, 에너지 저장 장치, 화학 및 생물학적 센서가 포함됩니다.
현재 연구자들은 산화그래핀을 환원시켜 그래핀을 생산할 수 있다. 이러한 화학적 합성 접근법은 이제 물질의 그램량을 산출할 수 있습니다. 실리콘 웨이퍼 위에 단일 층의 그래핀을 증착하는 것도 가능합니다. 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)이라는 기술을 사용하면 900~1000°C에서 단일 또는 다층 그래핀을 성장시킬 수 있습니다.
그래핀의 노벨상
그래핀 연구로 두 명의 연구자가 노벨 물리학상을 받았습니다! 2010년에는 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)가 “2차원 물질 그래핀에 관한 획기적인 실험”으로 공동 수상했습니다. 연구진은 여러 공동 작업자와 함께 연필 "납"에 사용되는 흑연 재료에서 탄소 층을 최초로 분리했습니다.
응용
의학에서부터 전자제품에 이르기까지 많은 정부와 조직에서는 현재 그래핀 적용에 노력을 기울이고 있습니다. 이 분야는 짧은 시간에 극적으로 변화하여 그래핀을 많은 산업을 변화시키는 소재로 만들었습니다.
