石墨烯的力量

石墨烯的力量

课 重点

本课重点介绍石墨烯及其电学特性和应用。学生将学习纳米技术，以及工程师如何利用材料在较小尺寸时的行为差异来解决许多行业面临的挑战。学生分组进行假设，然后测试石墨烯是电导体还是绝缘体。他们使用日常物品构建一个简单的电路，并使用软铅笔在纸上制作石墨烯样品。他们观察所见，推断出更广泛的应用，向全班同学展示他们的想法，并反思经验。 

课程概要 

“石墨烯的力量”课程探讨了石墨烯及其在纳米尺度上的电学特性和应用。学生分组使用简单的电路设置测试石墨烯，并思考这种非凡的材料如何影响许多行业。团队评估他们的测试结果，为石墨烯开发新的理论应用，向全班展示他们的想法，并反思经验。 

年龄层 

8-18.

学习 目标 

  • 了解纳米技术。 
  • 了解石墨烯。 
  • 了解电路、绝缘体和导体。 
  • 了解工程如何帮助解决社会挑战。
  • 了解团队合作和解决问题。 

预期学习成果 

通过本次活动，学生应该能够理解： 

  • 石墨烯
  • 电路、导体和绝缘体
  • 纳米技术 
  • 团队合作。

课程活动 

学生探索纳米技术和石墨烯材料，了解其导电能力及其对许多行业和产品的影响。学生测试石墨烯，看看它在简单电路中是绝缘体还是导体，并开发石墨烯的假设应用，以彻底改变产品或系统。团队向全班展示他们的想法并反思经验。  

资源/材料 

  • 教师资源信息 
  • 学生资源信息 
  • 学生工作表 (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 

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，介绍纳米技术的进步如何改变电子或医学领域。 

安全须知

学生绝不应尝试让高电流通过铅笔，因为这会导致铅笔材料燃烧；此活动应始终受到教师的监督。学生在处理连接器夹时应戴上绝缘手套，最后安装电池。 

对于教师： 

课程目标 

“石墨烯的力量”课程探讨了石墨烯及其在纳米尺度上的电学特性和应用。学生分组使用简单的电路设置测试石墨烯，并思考这种非凡的材料如何影响许多行业。团队评估他们的测试结果，为石墨烯开发新的理论应用，向全班展示他们的想法，并反思经验。 

课程目标 

  • 了解纳米技术。 
  • 了解石墨烯。 
  • 了解电路、绝缘体和导体。 
  • 了解工程如何帮助解决社会挑战。 
  • 了解团队合作和解决问题。 

材料 

  • 学生资源表 
  • 学生作业表 
  • 每组学生一套材料：
    • 铅笔 
    • 纸
    • LED灯
    • 330欧姆电阻（防止LED灯烧坏）
    • 绝缘连接器
    • 9 伏电池。  

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. 为了介绍课程，可以考虑询问学生他们对绝缘体和导体的了解，以及他们是否认为石墨烯会以任何一种方式表现。 
  3. 如果可以上网，让学生查阅 www.trynano.org 上的资源。该网站将提供有关纳米技术及其产生巨大影响的行业的更多背景信息。 
  4. 由 3 至 4 名学生组成的团队将考虑他们所面临的挑战，并作为一个团队推测石墨烯是否会传导或绝缘电流。 
  5. 接下来，团队使用 LED 灯、电池和电阻器构建一个工作电路，然后在一张纸上测试石墨烯（如果您想扩展活动，可以测试其他材料）以查看它是否完成电路。 
  6. 团队观察发生的事情，将他们的假设与实际结果进行比较，完成反思表，并向全班同学展示他们的经验。

所需时间 

一到两次 45 分钟的课程 

尖端 

  • 让学生探索不同类型的铅笔芯。
  • 探索线条形状（曲线、直线等）和长度如何影响结果。

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. 

什么是石墨烯？ 

石墨烯是一种单原子厚的二维材料，由碳原子组成，这些碳原子堆积成蜂窝状晶格。这被称为单层石墨烯。双层和多层石墨烯也在实验室中合成。石墨烯表现出非常有趣的电、光、机械、热和其他特性。从电学上讲，它是一种半金属或带隙为零的半导体。石墨烯的电阻率非常低，例如仅为 10-6 室温下为 ohm cm。单层石墨烯薄膜相当透明，仅吸收穿过它的约 2% 白光。机械性能非常出色。 

石墨烯的有趣特性最近引发了对其合成、特性表征和应用开发的研究热潮。有前景的应用包括电子设备、太阳能电池和等离子显示器的透明电极、复合材料、储能设备以及化学和生物传感器。 

目前，研究人员能够通过还原氧化石墨烯来生产石墨烯。这种化学合成方法现在可以生产出克级数量的石墨烯。还可以在硅晶片上沉积单层石墨烯。一种称为化学气相沉积的技术可以在 900-1000 ºC 的温度下生长单层或多层石墨烯。 

石墨烯诺贝尔奖 

两位研究人员因石墨烯研究成果而荣获诺贝尔物理学奖！2010 年，安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 因“在二维材料石墨烯方面的开创性实验”共同获得该奖项。这两位研究人员与几位合作者首次从石墨材料中分离出碳层，石墨用于铅笔“铅芯”。  

应用

从医学到电子，目前许多政府和组织都在致力于石墨烯的应用。该领域在短时间内发生了巨大变化，使石墨烯成为改变许多行业的材料。 

阅读更多

纳米技术课程计划
TryNano.org 有多种课程计划，帮助大学预科生获得纳米技术的第一手经验。