Explorando em nanoescala

Explorando em nanoescala

Lição Foco

Esta lição concentra-se em como a nanotecnologia impactou a nossa sociedade e como os engenheiros aprenderam a explorar o mundo em nanoescala. Os alunos participam de atividades práticas para entender exatamente quão pequena é a nanoescala, explorar como a área de superfície muda na nanoescala e trabalhar em equipes para desenvolver aplicações futurísticas da nanotecnologia.

Sinopse da lição 

A lição “Explorando em Nanoescala” explora como a nanotecnologia impactou o mundo e como os engenheiros devem considerar as ramificações de trabalhar em uma escala muito pequena. Os alunos trabalham em equipes e exploram o aumento da área de superfície exposta à medida que os itens ficam cada vez menores. Os alunos examinam e medem grandes blocos de tofu ou gelatina, determinando a área da superfície. Em seguida, eles cortam o bloco em pedaços cada vez menores, expondo mais superfícies e impactando a área da superfície. Os alunos também exploram o tamanho do pequeno, comparando vários itens para entender o tamanho de um nano. Eles trabalham como uma equipe de engenharia para determinar uma nova aplicação da nanotecnologia para um produto ou processo de sua escolha. As equipes apresentam conceitos e propostas a um grupo de potenciais financiadores de pesquisa (o resto da turma) e cada um vota na proposta com maior potencial. As equipes de estudantes completam documentos de reflexão.

Níveis de idade 

8-14.

Aprendizado Objetivos 

• Aprenda sobre nanotecnologia. 
• Aprenda sobre escala. 
• Aprenda sobre a área de superfície. 
• Aprenda sobre projeto de engenharia. 
• Aprenda sobre trabalho em equipe e trabalho em grupo. 

Resultados antecipados do aluno 

Como resultado desta atividade, os alunos devem desenvolver uma compreensão de: 

• nanotecnologia 
• Solução de problemas 
• trabalho em equipe. 

Atividades de aula 

Os alunos aprendem como os engenheiros que trabalham em nanoescala têm uma área de superfície maior para trabalhar. Os alunos trabalham em equipes para explorar o aumento da área de superfície à medida que blocos grandes são cortados em várias partes menores. Em seguida, eles exploram o desafio de determinar como a nanotecnologia pode ajudar os engenheiros a melhorar um produto ou processo e apresentam sua proposta à turma. 

Recursos/Materiais 

• Informações sobre recursos para professores 
• Informações sobre recursos do aluno 
• Planilhas do Aluno (incluído aqui) 

Alinhamento às Estruturas Curriculares 

Veja o incluído alinhamento curricular Informação. 

Recursos da Internet 

• TryEngenharia (www.tryengineering.org) 
• TryNano (você já está aqui!) 
• Iniciativa Nacional de Nanotecnologia (www.nano.gov) 
• Imagens da instalação de microscópio eletrônico de Dartmouth (www.dartmouth.edu/~emlab/gallery) 

Leitura Suplementar 

• Nanotecnologia para leigos (ISBN: 978-0470891919) 
• Nanotecnologia: Compreendendo Pequenos Sistemas (ISBN: 978-1138072688) 

Atividade de escrita opcional 

Escreva um ensaio ou parágrafo sobre como a nanotecnologia pode impactar a exploração espacial. 

Para professores: 

Objetivo da lição 

A lição “Explorando em Nanoescala” explora como a nanotecnologia impactou o mundo e como os engenheiros devem considerar as ramificações de trabalhar em uma escala muito pequena. Os alunos trabalham em equipes e exploram o aumento da área de superfície exposta à medida que os itens ficam cada vez menores. Os alunos examinam e medem grandes blocos de tofu ou gelatina, determinando a área da superfície. Em seguida, eles cortam o bloco em pedaços cada vez menores, expondo mais superfícies e impactando a área da superfície. Os alunos também exploram o tamanho do pequeno, comparando vários itens para entender o quão grande é o “nano”. Eles trabalham como uma equipe de engenharia para determinar uma nova aplicação da nanotecnologia para um produto ou processo de sua escolha. As equipes apresentam conceitos e propostas a um grupo de potenciais financiadores de pesquisa (o resto da turma) e cada um vota na proposta com maior potencial. As equipes de estudantes completam documentos de reflexão. 

lições objetivas 

• Aprenda sobre nanotecnologia. 
• Aprenda sobre escala. 
• Aprenda sobre a área de superfície. 
• Aprenda sobre projeto de engenharia. 
• Aprenda sobre trabalho em equipe e trabalho em grupo. 

Materiais 

• Folha de recursos do aluno 
• Planilhas dos alunos 
• Um conjunto de materiais para cada grupo de alunos 
  • Bloco de tofu ou gelatina extra firme
  • Superfície de corte (placa de plástico ou tábua de corte)
  • Faca cega
  • Régua ou fita métrica 

Procedimento 

1. Mostre aos alunos as diversas Folhas de Referência do Aluno. Estes podem ser lidos em sala de aula ou fornecidos como material de leitura para o dever de casa da noite anterior. 
2. Atividade da área de superfície 
   • Divida os alunos em grupos de 2 a 3 alunos, fornecendo um conjunto de materiais por grupo. 
   • Explique que os alunos devem trabalhar em equipe para determinar a área da superfície de um bloco de tofu em vários pontos (inteiro, cortado ao meio, cortado em quartos, etc.). Os alunos primeiro medirão o bloco inteiro e determinarão a área da superfície, depois cortarão o bloco ao meio e determinarão a área da superfície, depois metade novamente, etc. até que haja muitos blocos de tofu com cerca de 1/2 polegada de largura. 
3. Atividade de aplicações em nanoescala 
   • O mesmo grupo de 2 a 3 alunos trabalha para desenvolver uma proposta para uma nova aplicação da nanotecnologia. 
   • As apresentações são feitas a potenciais financiadores de investigação (o resto da turma) que votam na proposta com maior potencial. 
4. Avaliação – Os alunos preenchem fichas de avaliação/reflexão.

Tempo necessário 

Duas a três sessões de 45 minutos 

Pontas 

• Para os alunos mais novos, uma cobertura de especiarias ou açúcar no tofu ou na gelatina pode ajudar os alunos a visualizar como a área da superfície aumentou. Use uma pequena quantidade de açúcar ou tempero para cobrir um bloco grande de tofu e depois mostre aos alunos quanto mais açúcar ou tempero é necessário para cobrir todos os cubinhos cortados do bloco grande de tofu. 
• Para estudantes mais velhos, incorpore um período de pesquisa em www.trynano.org para aprender mais sobre aplicações e nanomateriais. 

Para estudantes: 

O que é nanotecnologia? 

Imagine ser capaz de observar o movimento de um glóbulo vermelho enquanto ele se move pela sua veia. Como seria observar os átomos de sódio e cloro à medida que se aproximam o suficiente para realmente transferirem eletrões e formar um cristal de sal ou observar a vibração das moléculas à medida que a temperatura aumenta numa panela com água? Devido às ferramentas ou “âmbitos” que foram desenvolvidos e melhorados ao longo das últimas décadas, podemos observar situações como muitos dos exemplos no início deste parágrafo. Essa capacidade de observar, medir e até manipular materiais em escala molecular ou atômica é chamada de nanotecnologia ou nanociência. Se tivermos um nano “algo”, teremos um bilionésimo desse algo. Cientistas e engenheiros aplicam o prefixo nano a muitas “alguma coisa”, incluindo metros (comprimento), segundos (tempo), litros (volume) e gramas (massa) para representar o que é compreensivelmente uma quantidade muito pequena. Na maioria das vezes nano é aplicado à escala de comprimento e medimos e falamos sobre nanômetros (nm). Os átomos individuais têm menos de 1 nm de diâmetro, sendo necessários cerca de 10 átomos de hidrogênio seguidos para criar uma linha de 1 nm de comprimento. Outros átomos são maiores que o hidrogênio, mas ainda têm diâmetros menores que um nanômetro. Um vírus típico tem cerca de 100 nm de diâmetro e uma bactéria tem cerca de 1000 nm da cabeça à cauda. As ferramentas que nos permitiram observar o mundo antes invisível da nanoescala são o Microscópio de Força Atômica e o Microscópio Eletrônico de Varredura. 

Quão grande é pequeno? 

Pode ser difícil visualizar como as coisas são pequenas em nanoescala. O exercício a seguir pode ajudá-lo a visualizar o quão grande e pequeno pode ser! Considere uma bola de boliche, uma bola de bilhar, uma bola de tênis, uma bola de golfe, uma bola de gude e uma ervilha. Pense no tamanho relativo desses itens. 

Microscópio Eletrônico de Varredura 

O microscópio eletrônico de varredura é um tipo especial de microscópio eletrônico que cria imagens da superfície de uma amostra, escaneando-a com um feixe de elétrons de alta energia em um padrão de varredura raster. Em uma varredura raster, uma imagem é cortada em uma sequência de tiras (geralmente horizontais) conhecidas como “linhas de varredura”. Os elétrons interagem com os átomos que compõem a amostra e produzem sinais que fornecem dados sobre a forma, composição da superfície e até mesmo se ela pode conduzir eletricidade. Muitas imagens tiradas com microscópios eletrônicos de varredura podem ser vistas em www.dartmouth.edu/~emlab/gallery. 

O que é área de superfície? 

A área de superfície é a medida de quanta área exposta um objeto possui. É expresso em unidades “quadradas”. Se um objeto tiver faces planas, sua área de superfície poderá ser calculada somando as áreas de suas faces. Mesmo objetos com superfícies lisas, como esferas, possuem área de superfície. 

Fórmulas de área de superfície 

A área da superfície de um cubo pode ser expressa pela fórmula:

X = 6 x Y x Y 

Para determinar a área da superfície do cubo, primeiro você precisa descobrir a área de uma face. A área de uma face é Y x Y ou Y². Para encontrar a área da superfície do cubo, você precisa multiplicar a área de um lado por 6. Se, por exemplo, Y fosse igual a 10 mm, então a área de uma face seria 100 mm² e a área total da superfície do cubo seria 600 mm². 

A área superficial de um paralelepípedo retangular pode ser expressa pela fórmula:

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

Como existem duas superfícies deste tamanho, precisamos de 2 x A x B como parte da nossa fórmula para determinar a área da superfície. Também precisaremos determinar a área das outras faces. Precisaremos multiplicar A x C e, como existem duas dessas faces, precisamos incluir 2 x A x C na fórmula da área de superfície completa. As faces restantes contribuem com uma área de 2 x B x C. Se, por exemplo, o comprimento de A for igual a 20 mm, e B for igual a 10 mm e C for igual a 40 mm, então: 

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

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

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

Portanto, a área da superfície do sólido é 2800 mm².

Por que a área de superfície é importante 

Na nanoescala, as propriedades básicas das partículas podem variar significativamente em relação às partículas maiores. Isto pode incluir propriedades mecânicas, se a partícula conduz eletricidade, como reage às mudanças de temperatura e até mesmo como ocorrem as reações químicas. A proporção entre área de superfície e volume muda à medida que as partículas se tornam menores. Como as reações químicas geralmente ocorrem na superfície de uma partícula, se houver uma área superficial aumentada disponível para reações, a reação poderá progredir mais rapidamente.