O poder do grafeno

O poder do grafeno

Lição Foco

Esta lição se concentra no grafeno e suas propriedades e aplicações elétricas. Os alunos aprendem sobre nanotecnologia e como os engenheiros podem aproveitar as diferenças no comportamento dos materiais quando pequenos para enfrentar desafios em muitos setores. Os alunos trabalham em equipes para formular hipóteses e depois testar se o grafeno é um condutor elétrico ou isolante. Eles constroem um circuito simples usando itens de uso diário e criam uma amostra de grafeno usando lápis macios no papel. Eles observam o que veem, extrapolam para aplicações mais amplas, apresentam as suas ideias à turma e refletem sobre a experiência. 

Sinopse da lição 

A lição “Poder do Grafeno” explora o grafeno e suas propriedades elétricas e aplicações em escala nano. Os alunos trabalham em equipes para testar o grafeno usando um circuito simples configurado e consideram como esse material notável está impactando muitas indústrias. As equipes avaliam os resultados dos testes, desenvolvem novas aplicações teóricas para o grafeno, apresentam suas ideias à turma e refletem sobre a experiência. 

Níveis de idade 

8-18.

Aprendizado Objetivos 

• Aprenda sobre nanotecnologia. 
• Aprenda sobre o grafeno. 
• Aprenda sobre circuitos, isoladores e condutores. 
• Saiba como a engenharia pode ajudar a resolver os desafios da sociedade.
• Aprenda sobre trabalho em equipe e resolução de problemas. 

Resultados antecipados do aluno 

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

• grafeno
• circuitos, condutores e isoladores
• nanotecnologia 
• trabalho em equipe.

Atividades de aula 

Os alunos exploram a nanotecnologia e o material grafeno em termos de sua capacidade de conduzir eletricidade e seu impacto em muitas indústrias e produtos. Os alunos testam o grafeno para ver se ele será um isolante ou condutor em um circuito simples e desenvolvem aplicações hipotéticas para o grafeno que revolucionariam um produto ou sistema. As equipes apresentam suas ideias para a turma e refletem sobre a experiência.  

Recursos/Materiais 

• Informações sobre recursos para professores 
• Informações sobre recursos do aluno 
• Planilha 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 os avanços na nanotecnologia mudaram o campo da eletrônica ou da medicina. 

Aviso de segurança

Os alunos NUNCA devem tentar passar altas correntes elétricas através de um lápis, pois isso pode causar combustão dos materiais do lápis; esta atividade deve ser supervisionada pelos professores em todos os momentos. Os alunos devem usar luvas isolantes ao manusear os clipes do conector e colocar a bateria por último. 

Para professores: 

Objetivo da lição 

A lição “Poder do Grafeno” explora o grafeno e suas propriedades elétricas e aplicações em escala nano. Os alunos trabalham em equipes para testar o grafeno usando um circuito simples configurado e consideram como esse material notável está impactando muitas indústrias. As equipes avaliam os resultados dos testes, desenvolvem novas aplicações teóricas para o grafeno, apresentam suas ideias à turma e refletem sobre a experiência. 

lições objetivas 

• Aprenda sobre nanotecnologia. 
• Aprenda sobre o grafeno. 
• Aprenda sobre circuitos, isoladores e condutores. 
• Saiba como a engenharia pode ajudar a resolver os desafios da sociedade. 
• Aprenda sobre trabalho em equipe e resolução de problemas. 

Materiais 

• Folhas de recursos do aluno 
• Planilhas dos alunos 
• Um conjunto de materiais para cada grupo de alunos:
  • lápis 
  • papel
  • Luz LED
  • Resistor de 330 Ohm (para evitar que a luz LED queime)
  • conectores isolados
  • Bateria de 9 volts.  

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. Para apresentar a lição, pergunte aos alunos o que eles sabem sobre isoladores e condutores e se acham que o grafeno se comportaria de alguma maneira. 
3. Se houver acesso à Internet disponível, peça aos alunos que revisem os recursos em www.trynano.org. O site fornecerá informações adicionais sobre a nanotecnologia e as indústrias onde ela está tendo grande impacto. 
4. Equipes de 3 a 4 alunos considerarão seu desafio e, em equipe, teorizarão se acham que o grafeno conduziria ou isolaria a corrente elétrica. 
5. Em seguida, as equipes constroem um circuito funcional usando uma luz LED, uma bateria e um resistor e, em seguida, testam o grafeno (e outros materiais, se desejarem estender a atividade) em um pedaço de papel para ver se ele completa o circuito. 
6. As equipes observam o que aconteceu, comparam suas hipóteses com os resultados reais, preenchem uma ficha de reflexão e apresentam suas experiências à turma.

Tempo necessário 

Uma ou duas sessões de 45 minutos 

Pontas 

• Peça aos alunos que explorem diferentes tipos de grafite.
• Explore como o formato da linha (curva, reta, etc.) e o comprimento afetam os resultados.

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 grafeno? 

O grafeno é um material bidimensional com um átomo de espessura que consiste em átomos de carbono compactados em uma rede cristalina semelhante a um favo de mel. Isso é conhecido como grafeno de camada única. Grafenos bicamadas e multicamadas também foram sintetizados em laboratório. O grafeno apresenta propriedades elétricas, ópticas, mecânicas, térmicas e outras muito interessantes. Eletricamente, é um semimetal ou semicondutor com bandgap zero. O grafeno apresenta uma resistividade muito baixa, por exemplo, apenas 10^-6 ohm cm à temperatura ambiente. Uma única camada de filme de grafeno é bastante transparente, absorvendo apenas cerca de 2% de luz branca que passa por ela. As propriedades mecânicas são excepcionais. 

As propriedades interessantes do grafeno levaram recentemente a uma explosão de pesquisas em sua síntese, caracterização de suas propriedades e desenvolvimento de aplicações. Aplicações promissoras incluem dispositivos eletrônicos, eletrodos transparentes para células solares e monitores de plasma, compósitos, dispositivos de armazenamento de energia e sensores químicos e biológicos. 

Atualmente os pesquisadores conseguem produzir grafeno reduzindo o óxido de grafeno. Esta abordagem de síntese química agora pode produzir quantidades em gramas do material. Também é possível depositar uma única camada de grafeno em uma pastilha de silício. Uma técnica chamada deposição química de vapor permite o crescimento de grafeno simples ou multicamadas a 900-1000 ºC. 

Prêmio Nobel de Grafeno 

Dois pesquisadores receberam o Prêmio Nobel de Física pelo seu trabalho com o grafeno! Em 2010, Andre Geim e Konstantin Novoselov compartilharam conjuntamente o prêmio “por experimentos inovadores relacionados ao material bidimensional grafeno”. Os pesquisadores, junto com vários colaboradores, foram os primeiros a isolar as camadas de carbono do material grafite, usado no “grafite” do lápis.  

Formulários

Da medicina à electrónica, muitos governos e organizações estão actualmente a dedicar esforços à aplicação do grafeno. Este campo mudou drasticamente num curto período de tempo, tornando o grafeno um material que está a mudar muitas indústrias.