纳米级探索

纳米级探索

课 重点

本课重点介绍纳米技术如何影响我们的社会，以及工程师如何学会在纳米尺度上探索世界。学生参与实践活动，以了解纳米尺度究竟有多小，探索纳米尺度上表面积的变化，并分组开发纳米技术的未来应用。

课程概要 

“探索纳米级”课程探索纳米技术如何影响世界，以及工程师如何考虑在极小规模下工作所产生的影响。学生分组工作，探索随着物品变得越来越小，暴露的表面积增加。学生检查并测量大块豆腐或明胶，确定表面积。然后他们将大块切成越来越小的碎片，露出更多的表面，并影响表面积。学生还探索小的尺寸，比较各种物品以了解纳米有多大。他们作为一个工程团队工作，为他们选择的产品或工艺确定纳米技术的新应用。团队向一组潜在的研究资助者（班上的其他同学）介绍概念和提案，然后每个人投票选出最有潜力的提案。学生团队完成反思文件。

年龄层 

8-14.

学习 目标 

• 了解纳米技术。 
• 了解规模。 
• 了解表面积。 
• 了解工程设计。 
• 了解团队合作和小组工作。 

预期学习成果 

通过本次活动，学生应该能够理解： 

• 纳米技术 
• 解决问题 
• 团队合作。 

课程活动 

学生们了解到，在纳米尺度上工作的工程师如何拥有更大的工作表面积。学生们分组探索如何将大块切割成多个较小的部分，从而增加工作表面积。然后，他们探索一项挑战，即确定纳米技术如何帮助工程师改进产品或工艺，并向全班同学提出他们的建议。 

资源/材料 

• 教师资源信息 
• 学生资源信息 
• 学生作业表 (包括在这里) 

与课程框架保持一致 

查看包含的 课程调整 信息。 

互联网资源 

• TryEngineering (www.tryengineering.org) 
• TryNano（您已经在这里了！） 
• 国家纳米技术计划（www.nano.gov) 
• 达特茅斯电子显微镜设施图像（www.dartmouth.edu/~emlab/gallery) 

补充阅读 

• 纳米技术入门（ISBN：978-0470891919） 
• 纳米技术：了解小系统（ISBN：978-1138072688） 

可选写作活动 

写一篇文章或一段话来说明纳米技术如何影响太空探索。 

对于教师： 

课程目标 

“探索纳米级”课程探索纳米技术如何影响世界，以及工程师如何考虑在极小规模下工作所产生的影响。学生分组工作，探索随着物品变得越来越小，暴露的表面积增加。学生检查并测量大块豆腐或明胶来确定表面积。然后他们将大块切成越来越小的碎片，露出更多的表面，并影响表面积。学生还探索小的尺寸，比较各种物品以了解“纳米”有多大。他们作为一个工程团队工作，为他们选择的产品或工艺确定纳米技术的新应用。团队向一组潜在的研究资助者（班上的其他同学）介绍概念和提案，然后每个人投票选出最有潜力的提案。学生团队完成反思文件。 

课程目标 

• 了解纳米技术。 
• 了解规模。 
• 了解表面积。 
• 了解工程设计。 
• 了解团队合作和小组工作。 

材料 

• 学生资源表 
• 学生作业表 
• 每组学生一套材料 
  • 特硬豆腐块或明胶
  • 切割面（塑料板或切菜板）
  • 钝刀
  • 尺子或卷尺 

程序 

1. 向学生展示各种学生参考表。这些可以在课堂上阅读，也可以作为前一天晚上家庭作业的阅读材料。 
2. 表面积活性 
   • 将学生分成 2-3 人一组，每组提供一套材料。 
   • 解释学生必须作为一个团队来确定一块豆腐在不同点的表面积（整块、切成两半、切成四份等）。学生将首先测量整块豆腐并确定表面积，然后将豆腐切成两半并确定表面积，然后再切成两半，等等，直到有许多大约 1/2 英寸宽的豆腐块。 
3. 纳米级应用活动 
   • 同一组 2-3 名学生致力于制定纳米技术新应用的提案。 
   • 向潜在的研究资助者（班上的其他同学）进行演示，他们会投票选出最有潜力的提案。 
4. 评估——学生完成评估/反思表。

所需时间 

两到三次 45 分钟的课程 

尖端 

• 对于年龄较小的学生，在豆腐或明胶上涂上香料或糖衣可以帮助学生直观地看到表面积是如何增加的。用少量的糖或香料涂上一大块豆腐，然后向学生展示需要多少糖或香料才能涂上从大块豆腐上切下来的所有小方块。 
• 对于年龄较大的学生，可以在 www.trynano.org 上安排一段时间的研究，以了解有关应用和纳米材料的更多信息。 

对于学生： 

什么是纳米技术？ 

想象一下，当红细胞在血管中移动时，能够观察到它的运动。当钠原子和氯原子靠得足够近，以致于真正转移电子并形成盐晶体时，或者当一锅水的温度升高时，观察分子的振动会是什么感觉？由于过去几十年来开发和改进的工具或“示波器”，我们可以观察到本段开头的许多例子。这种在分子或原子尺度上观察、测量甚至操纵材料的能力被称为纳米技术或纳米科学。如果我们有一个纳米“东西”，那么我们就有这个东西的十亿分之一。科学家和工程师将纳米前缀应用于许多“东西”，包括米（长度）、秒（时间）、升（体积）和克（质量），以表示可以理解的非常小的量。纳米通常应用于长度尺度，我们测量和谈论纳米 (nm)。单个原子的直径小于 1 纳米，大约需要 10 个氢原子排成一排才能形成 1 纳米长的线。其他原子比氢原子大，但直径仍小于纳米。典型的病毒直径约为 100 纳米，细菌从头到尾约为 1000 纳米。让我们能够观察以前看不见的纳米级世界的工具是原子力显微镜和扫描电子显微镜。 

多大才算小？ 

很难想象纳米级的物体有多小。以下练习可以帮助您想象小物体可以有多大！考虑一下保龄球、台球、网球、高尔夫球、大理石和豌豆。想想这些物体的相对大小。 

扫描电子显微镜 

扫描电子显微镜是一种特殊类型的电子显微镜，它通过用高能电子束以光栅扫描模式扫描样品表面来创建样品表面的图像。在光栅扫描中，图像被切割成一系列（通常是水平的）条带，称为“扫描线”。电子与组成样品的原子相互作用并产生信号，提供有关表面形状、成分甚至是否导电的数据。用扫描电子显微镜拍摄的许多图像可以在 www.dartmouth.edu/~emlab/gallery. 

什么是表面积？ 

表面积是衡量物体暴露面积的指标。它以“平方”为单位表示。如果物体有平面，则可以通过将其各面的面积相加来计算其表面积。即使是表面光滑的物体，如球体，也有表面积。 

表面积公式 

立方体的表面积可以用以下公式表示：

X = 6 x Y x Y 

要确定立方体的表面积，首先必须确定一个面的面积。一个面的面积为 Y x Y 或 Y²。要找到立方体的表面积，你需要将一边的面积乘以 6。例如，如果 Y 等于 10 毫米，那么一个面的面积就是 100 毫米² 立方体的总表面积为 600 平方毫米². 

长方体的表面积可以用下式表示：

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

由于有两个表面都是这种尺寸，我们需要 2 x A x B 作为公式的一部分来确定表面积。我们还需要确定其他面的面积。我们需要将 A x C 相乘，而且由于有两个这样的面，我们需要在整个表面积公式中包含 2 x A x C。其余面的面积为 2 x B x C。例如，如果 A 的长度等于 20 毫米，B 等于 10 毫米，C 等于 40 毫米，则： 

A x B = 200 毫米，因此 2 x A x B = 400 毫米² 

A x C = 800 毫米，因此 2 x A x C = 1600 毫米² 

B x C = 400 毫米，因此 2 x A x C = 800 毫米² 

所以固体的表面积是 2800 平方毫米².

为什么表面积很重要 

在纳米尺度上，粒子的基本性质可能与较大粒子有很大不同。这可能包括机械性质、粒子是否导电、它对温度变化的反应，甚至化学反应如何发生。随着粒子变小，表面积与体积的比率会发生变化。由于化学反应通常发生在粒子表面，如果可用于反应的表面积增加，则反应可以进行得更快。