Experimente o Nano

Experimente o Nano

Lição Foco

Esta lição se concentra em duas atividades simples que os alunos mais jovens podem realizar para apreciar a nanotecnologia. Primeiro, os alunos medem as mãos em nanômetros, depois os alunos aprendem sobre cristais líquidos, suas aplicações e conexões nanotecnológicas, e testam como o calor de suas mãos muda a cor dos cristais. Eles observam o que veem, apresentam suas descobertas à turma e refletem sobre a experiência. 

Sinopse da lição 

A lição “Experimente o Nano” mostra aos alunos mais jovens o quão pequeno um nano realmente é e introduz o conceito de como os elementos podem mudar o comportamento em tamanhos menores – por exemplo, os cristais líquidos mudam seu comportamento e sua cor quando expostos a diferentes temperaturas. Os alunos trabalham em equipes para medir as mãos em nanômetros e testar uma folha de cristal líquido. As equipes revisam suas experiências, apresentam suas descobertas à turma e refletem sobre a experiência. 

Níveis de idade 

8-11.

Aprendizado Objetivos 

• Aprenda sobre nanotecnologia. 
• Aprenda sobre cristais líquidos. 
• Saiba como a engenharia pode ajudar a resolver os desafios da sociedade.
• 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 
• cristais líquidos 
• eletricidade
• trabalho em equipe. 

Atividades de aula 

 Os alunos exploram a nanotecnologia através de um exercício de medição e temperatura envolvendo cristais líquidos. Eles aprendem sobre aplicações de cristal líquido e como o tamanho pode afetar o comportamento de um material. As equipes de alunos consideram sua experiência, apresentam à turma e refletem sobre a experiência. 

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) 
• Cristais Líquidos (National Science Foundation uTube) (www.youtube.com/watch?v=nAJgchCI3kg) 
• Introdução ao cristal líquido - Universidade McGill (http://barrett-group.mcgill.ca/tutorials/liquid_crystal/LC02.htm).

Leitura Suplementar 

• Nanotecnologia para leigos (ISBN: 978-0470891919) 
• Ciência em nanoescala: um livro introdutório (ISBN: 978-9814241038)
• Telas de cristal líquido: física e tecnologia fundamentais (série Wiley em tecnologia de exibição) (ISBN: 978-0470930878)

Atividade de escrita opcional 

Escreva um parágrafo sobre como as telas de cristal líquido impactaram a forma como assistimos televisão. 

Para professores: 

Objetivo da lição 

A lição “Experimente o Nano” mostra aos alunos mais jovens o quão pequeno um nano realmente é e introduz o conceito de como os elementos podem mudar o comportamento em tamanhos menores – por exemplo, os cristais líquidos mudam seu comportamento e sua cor quando expostos a diferentes temperaturas. Os alunos trabalham em equipes para medir suas mãos em nanômetros e enviar mensagens de texto para uma folha de cristal líquido. As equipes revisam suas experiências, apresentam suas descobertas à turma e refletem sobre a experiência.  

lições objetivas 

• Aprenda sobre nanotecnologia. 
• Aprenda sobre cristais líquidos. 
• Saiba como a engenharia pode ajudar a resolver os desafios da sociedade. 
• Aprenda sobre trabalho em equipe e resolução de problemas. 

Materiais 

• Folha de recursos do aluno 
• Planilhas dos alunos 
• Materiais de aula: Folha de cristal líquido com tamanho aproximado de 20 cm x 20 cm (disponível na Amazon e em muitos serviços de fornecimento de ciências e educadores) 
• Materiais da equipe de alunos: régua, lápis, papel. 

Procedimento 

1. Mostre aos alunos as folhas de referência dos alunos. 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 qual seria o tamanho de sua mão em nanômetros. 
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. Atividade 1: Peça aos alunos que criem hipóteses e depois meçam suas mãos em nanômetros, centímetros e polegadas. Peça aos alunos que comparem o número real com suas hipóteses e considerem o quão pequeno é um nanômetro. 
5. Atividade 2: Revise as folhas sobre cristais líquidos e suas aplicações e, em seguida, peça aos alunos que se revezem colocando a mão em uma folha grande de cristal líquido e observem o que acontece. As equipes de alunos formulam hipóteses e depois testam o que acontece quando colocam vários itens em cima da folha: a mão, uma maçã, um cubo de gelo ou um copo de água fria. 
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.

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. 

Propriedades em nanoescala 

As propriedades dos materiais em nanoescala são diferentes, em muitos casos, das propriedades dos materiais observados em outras escalas. Considere, por exemplo, a temperatura de fusão dos metais. As nanopartículas geralmente exibem uma temperatura de fusão mais baixa do que os metais correspondentes a granel, e essas temperaturas dependem do tamanho. Por exemplo, o ouro a granel derrete a 1.064 graus Celsius, mas uma partícula de ouro de 4 nm derrete a cerca de 850 graus Celsius. 

A cor de um material também pode depender do tamanho. O aparecimento da cor é causado pela absorção parcial da luz pelos elétrons daquele material; a parte não absorvida da luz permanece visível. 

Na maioria das superfícies metálicas lisas, a luz é inteiramente refletida pela densidade muito alta de elétrons de condução; é por isso que as superfícies das placas de metal têm uma aparência espelhada. Em contraste, pequenas partículas absorvem parte da luz, levando ao aparecimento de cor. Esse comportamento depende do tamanho. 

Por exemplo, o ouro apresenta uma cor diferente dependendo do tamanho de sua partícula. Partículas extremamente pequenas de ouro têm sido usadas em vidros coloridos desde os primórdios da fabricação de vidro. Vasos de rubi (de cor rosa a vermelho-sangue) foram feitos com partículas de ouro finamente dispersas durante séculos. Muitos vitrais apresentam cor vermelha devido à dopagem com nanopartículas de ouro. 

Os nanossistemas não são grandes o suficiente para que muitas leis clássicas da física sejam aplicadas. Por exemplo, a lei de Ohm, que descreve a relação entre corrente e tensão num condutor, não descreve a condução de corrente através de um minúsculo nanofio. Aqui outros efeitos, conhecidos como efeitos mecânicos quânticos, são mais importantes.

Cristais Líquidos 

Os cristais líquidos (LCs) estão em um estado da matéria que possui propriedades entre as de um líquido normal e as de um cristal sólido. Por exemplo, um LC pode fluir como um líquido, mas suas moléculas podem ser orientadas de forma cristalina. Existem alguns tipos diferentes de cristais líquidos, mas os cristais líquidos termotrópicos mudam suas propriedades conforme a temperatura muda. Se você aplicar algo quente (como a mão) em uma folha de cristal líquido envolta, ela mudará de cor de acordo com a variação de temperatura. As cores mudam do vermelho para o laranja, para o amarelo, depois para o verde, o azul e o roxo à medida que os LCs ficam mais quentes! 

Como é esse Nano? 

As alterações na estrutura de um material são geralmente muito pequenas para serem visualizadas diretamente, mas muitas vezes podemos observar alterações nas propriedades do material como resultado das alterações estruturais. Os cristais líquidos termotrópicos mudam de cor quando expostos a diferentes temperaturas – por isso vemos a propriedade da cor mudar, mesmo que não possamos observar na sala de aula a mudança na sua estrutura molecular. Os cristais líquidos mudam de cor como resultado de ajustes no arranjo de suas moléculas em nanoescala. Na nanotecnologia, os cientistas aproveitam as propriedades peculiares dos materiais em nanoescala para projetar novos materiais e dispositivos. 

Aplicações de termômetro 

As transições de cores de cristal líquido são usadas em folhas de muitos termômetros de aquários e piscinas, bem como em termômetros para bebês ou banhos. Outros materiais de cristal líquido mudam de cor quando esticados ou tensionados. Folhas de cristal líquido são frequentemente usadas na indústria para procurar pontos quentes em um processo de fabricação ou para mapear o fluxo de calor. 

Telas de cristal líquido 

Uma tela de cristal líquido (LCD) é uma tela plana, uma tela visual eletrônica ou uma tela de vídeo que usa as propriedades moduladoras de luz dos cristais líquidos (LCs). LCs não emitem luz diretamente. Os LCDs são usados em muitos produtos, como monitores de computador, televisores, painéis de instrumentos, dispositivos de jogos, relógios, calculadoras e telefones.