Nano에서 직접 사용해 보세요

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수업 집중하다

이 수업은 어린 학생들이 나노기술에 대한 이해를 얻기 위해 할 수 있는 두 가지 간단한 활동에 중점을 둡니다. 첫째, 학생들은 나노미터 단위로 손을 측정하고, 둘째 학생들은 액정, 그 응용 및 나노기술 연결에 대해 배우고, 손의 열이 크리스탈의 색상을 어떻게 변화시키는지 테스트합니다. 그들은 자신이 본 것을 관찰하고, 발견한 것을 학급에 발표하고, 그 경험을 반영합니다. 

수업 개요 

"나노 직접 체험하기" 수업에서는 어린 학생들에게 나노가 실제로 얼마나 작은지 보여주고 더 작은 크기에서 요소의 동작이 어떻게 변할 수 있는지에 대한 개념을 소개합니다. 예를 들어, 액정은 다양한 온도에 노출되면 동작과 색상이 변합니다. 학생들은 팀을 이루어 나노미터 단위로 손을 측정하고 액정 시트를 테스트합니다. 팀은 자신의 경험을 검토하고, 결과를 학급에 발표하고, 경험을 반영합니다. 

연령 수준 

8-11.

학습 목표 

• 나노기술에 대해 알아보세요. 
• 액정에 대해 알아보세요. 
• 엔지니어링이 사회의 과제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보세요.
• 팀워크와 그룹 작업에 대해 알아보세요. 

예상되는 학습자 결과 

이 활동의 결과로 학생들은 다음 사항에 대한 이해를 키워야 합니다. 

• 나노기술 
• 액정 
• 전기
• 팀워크. 

수업 활동 

 학생들은 액정과 관련된 측정 및 온도 연습을 통해 나노기술을 탐구합니다. 그들은 액정 응용 분야와 크기가 재료의 거동 방식에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 대해 배웁니다. 학생 팀은 자신의 경험을 고려하고, 수업에 참석하고, 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) 
• 액정(국립과학재단 uTube) (www.youtube.com/watch?v=nAJgchCI3kg) 
• 액정 소개 – McGill University (http://barrett-group.mcgill.ca/tutorials/liquid_crystal/LC02.htm).

보충 자료 

• 초보자를 위한 나노기술(ISBN: 978-0470891919) 
• 나노 규모의 과학: 입문 교과서(ISBN: 978-9814241038)
• 액정 디스플레이: 기초 물리학 및 기술(디스플레이 기술의 Wiley 시리즈) (ISBN: 978-0470930878)

선택적인 글쓰기 활동 

액정 디스플레이가 우리가 텔레비전을 시청하는 방식에 어떤 영향을 미쳤는지에 대해 한 단락을 작성해 보세요. 

교사용: 

수업 목표 

"나노 직접 체험하기" 수업에서는 어린 학생들에게 나노가 실제로 얼마나 작은지 보여주고 더 작은 크기에서 요소의 동작이 어떻게 변할 수 있는지에 대한 개념을 소개합니다. 예를 들어, 액정은 다양한 온도에 노출되면 동작과 색상이 변합니다. 학생들은 팀을 이루어 나노미터 단위로 손을 측정하고 액정 시트에 문자를 보냅니다. 팀은 자신의 경험을 검토하고, 결과를 학급에 발표하고, 경험을 반영합니다.  

수업 목표 

• 나노기술에 대해 알아보세요. 
• 액정에 대해 알아보세요. 
• 엔지니어링이 사회의 과제를 해결하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 알아보세요. 
• 팀워크와 문제 해결에 대해 알아보세요. 

재료 

• 학생 자료 시트 
• 학생 워크시트 
• 수업 자료: 액정 시트 크기 대략 20cm x 20cm(Amazon 및 다양한 과학 및 교육자 공급 서비스에서 구입 가능) 
• 학생 팀 재료: 자, 연필, 종이. 

절차 

1. 학생들에게 학생 참고 자료를 보여줍니다. 이 내용은 수업 시간에 읽거나 전날 밤 숙제를 위한 읽기 자료로 제공될 수 있습니다. 
2. 수업을 소개하기 위해 학생들에게 손의 크기(나노미터)가 얼마나 되는지 물어보세요. 
3. 인터넷 접속이 가능하다면, 학생들에게 www.trynano.org에서 자료를 검토하게 하십시오. 이 사이트는 나노기술과 나노기술이 큰 영향을 미치는 산업에 대한 추가 배경 정보를 제공합니다. 
4. 활동 1: 학생들에게 가정을 하고 나노미터, 센티미터, 인치 단위로 손을 실제로 측정하게 합니다. 학생들에게 실제 숫자를 자신의 가설과 비교하고 나노미터가 얼마나 작은지 고려하게 하십시오. 
5. 활동 2: 액정과 그 응용에 관한 시트를 검토한 후, 학생들에게 차례대로 큰 액정 시트 위에 손을 얹고 무슨 일이 일어나는지 관찰하게 합니다. 학생 팀은 가설을 세운 다음 손, 사과, 얼음 조각, 찬물 컵 등 다양한 물건을 시트 위에 올려 놓았을 때 어떤 일이 일어나는지 테스트합니다. 
6. 팀은 무슨 일이 일어났는지 관찰하고, 가설을 실제 결과와 비교하고, 반성문을 작성하고, 자신의 경험을 학급에 발표합니다.

필요한 시간 

45분 세션 1~2회.

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. 

나노규모의 특성 

나노 규모의 물질 특성은 많은 경우 다른 규모에서 관찰되는 물질의 특성과 다릅니다. 예를 들어, 금속의 녹는점을 생각해 보세요. 나노입자는 벌크 상태의 해당 금속보다 녹는점이 더 낮은 경우가 많으며 이러한 온도는 크기에 따라 달라집니다. 예를 들어 벌크 금은 섭씨 1064도에서 녹지만 4nm 금 입자는 대략 섭씨 850도에서 녹습니다. 

재료의 색상은 크기에 따라 달라질 수도 있습니다. 색상은 해당 물질의 전자가 빛을 부분적으로 흡수하여 발생합니다. 빛의 흡수되지 않은 부분은 계속 보입니다. 

대부분의 매끄러운 금속 표면에서 빛은 매우 높은 밀도의 전도 전자에 의해 완전히 반사됩니다. 이것이 금속판의 표면이 거울처럼 보이는 이유입니다. 대조적으로, 작은 입자는 빛의 일부를 흡수하여 색상이 나타납니다. 이 동작은 크기에 따라 다릅니다. 

예를 들어, 금은 입자 크기에 따라 다른 색상을 나타냅니다. 매우 작은 금 입자는 유리 제조 초기부터 컬러 유리에 사용되었습니다. 루비 꽃병(핑크색에서 붉은색까지의 색상)은 수세기 동안 잘 분산된 금 입자를 사용하여 만들어졌습니다. 많은 스테인드 글라스 창문이 금 나노 입자로 도핑되어 붉은 색을 띠고 있습니다. 

나노시스템은 많은 고전 물리학 법칙을 적용할 만큼 크지 않습니다. 예를 들어, 도체의 전류와 전압 사이의 관계를 설명하는 옴의 법칙은 작은 나노와이어를 통한 전류 전도를 설명하지 않습니다. 여기서는 양자역학적 효과로 알려진 다른 효과가 더 중요합니다.

액정 

액정(LC)은 일반적인 액체와 고체 결정의 중간 특성을 갖는 물질 상태입니다. 예를 들어, LC는 액체처럼 흐를 수 있지만 분자는 결정과 같은 방향으로 배열될 수 있습니다. 액정에는 몇 가지 유형이 있지만 열방성 액정은 온도 변화에 따라 특성이 변합니다. 감싸진 액정 시트에 뜨거운 물체(손 등)를 대면 온도 변화에 따라 색상이 변합니다. LC가 뜨거워짐에 따라 색상은 빨간색에서 주황색, 노란색, 녹색, 파란색, 보라색으로 변합니다! 

이 나노는 어떤가요? 

재료 구조의 변화는 일반적으로 너무 작아서 직접 볼 수 없지만 구조적 변화의 결과로 재료 특성의 변화를 관찰할 수 있는 경우가 많습니다. 열방성 액정은 다양한 온도에 노출되면 색상이 변합니다. 따라서 교실에서 분자 구조의 변화를 관찰할 수 없더라도 색상 특성이 변하는 것을 볼 수 있습니다. 액정은 나노 수준에서 분자 배열이 조정된 결과 색상이 변합니다. 나노기술에서 과학자들은 나노 규모의 재료의 독특한 특성을 활용하여 새로운 재료와 장치를 설계합니다. 

온도계 응용 

액정 색상 전환은 많은 수족관 및 수영장 온도계의 시트뿐만 아니라 유아 또는 욕조용 온도계에도 사용됩니다. 다른 액정 재료는 늘어나거나 스트레스를 받으면 색상이 변합니다. 액정 시트는 제조 공정에서 핫스팟을 찾거나 열 흐름을 매핑하기 위해 업계에서 자주 사용됩니다. 

액정 디스플레이 

액정 디스플레이(LCD)는 액정(LC)의 광 변조 특성을 사용하는 평면 패널 디스플레이, 전자 영상 디스플레이 또는 비디오 디스플레이입니다. LC는 빛을 직접 방출하지 않습니다. LCD는 컴퓨터 모니터, 텔레비전, 계기판, 게임기, 시계, 계산기, 전화기 등 다양한 제품에 사용됩니다.