Нано хидроизолация

Този урок изследва как материалите могат да бъдат модифицирани в нано мащаба, за да осигурят функции като хидроизолация и устойчивост на петна. Ученическите екипи разработват своя собствена хидроизолационна техника за памучна тъкан и тестват дизайна си върху тъкан, която е променена чрез нанотехнологични приложения.

  • Научете за нанотехнологиите.
  • Научете за хидрофобния ефект.
  • Научете за площта.
  • Научете за работата в екип и работата в групи.

Възрастови нива: 8-18

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали

  • Четири парчета 4 ″ x 4 ″ от обикновен бял памучен плат
  • Едно 4 ″ x 4 ″ парче водоустойчив плат (който е регулиран на нано ниво - не е третиран с водоустойчив спрей). Платът може да бъде намерен на amazon.com или в местен магазин за занаятчийски стоки.
  • Восък
  • пастели
  • Ленено семе
  • Кокосово масло/Криско
  • ланолин
  • Глина
  • Лепило
  • Скоро или занаятчийски пръчки за изглаждане

Материали за тестване

  • Вода (или цветна вода/сок)
  • Мивка или кофа

материали

  • Вода (или цветна вода/сок)
  • Мивка или кофа
  • Микроскоп или обхват на камерата (по избор)

Процес

Върху кофа или мивка излейте вода върху всяко парче плат, докато екипите наблюдават дали водата се набира нагоре или се абсорбира. Ако е възможно, можете да използвате цветна вода или сок, за да видите по -добре дали течността се абсорбира.

Design Challenge

Вие сте част от екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да разработят нов процес за хидроизолация на облекло. За целите на вашето предизвикателство „водоустойчив“ означава, че водата не трябва да се абсорбира от тъканта, а вместо това ще се натрупа върху тъканта.

Критерии

  • Върху тъканта трябва да се натрупа вода.

Ограничения

  • Използвайте само предоставените материали.
  1. Разбийте класа на екипи от 2-3.
  2. Раздайте работния лист за хидроизолация Nano, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
  3. Обсъдете темите в раздела Основни понятия. Помислете да попитате учениците какви дрехи имате, които са водоустойчиви. Какво ги прави водоустойчиви?
  4. Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
  5. Предоставете на всеки екип своите материали.
  6. Обяснете, че учениците трябва да измислят начин да „водоустойчиви“ парче плат, което в крайна сметка да се превърне в риза. В този случай „водоустойчив“ означава, че водата не трябва да се абсорбира от тъканта, а вместо това ще се натрупа върху тъканта.
  7. Обявете времето, което им трябва да разработят и приложат своите хидроизолационни подходи (препоръчително е 1 час).
  8. Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
  9. Учениците се срещат и разработват писмен план за три различни подхода: плат A, плат B и плат C (четвърто парче плат се предоставя в случай на грешки). Те се договарят за материалите, от които ще се нуждаят.
  10. Учениците прилагат своя подход към 3 парчета плат. Те трябва да маркират всяко парче плат, така че да знаят кой процес е приложен.
  11. Инструктирайте учениците визуално да разгледат всяко парче плат (достъпът до микроскоп е полезен). Те трябва да документират това, което виждат, като отбелязват както това, което виждат, така и как пробите от плат се различават една от друга. Те трябва да отбележат дали повърхностите на тъканта изглеждат гладки, неравни, изпъкнали, вдлъбнати или имат други характеристики. След това учениците трябва да проверят пробата от наноплат и да отбележат своите наблюдения.
  12. След това инструктирайте учениците да тестват подходите си за хидроизолация. Над кофата или мивката, излейте вода върху всяко парче плат, докато екипите наблюдават дали водата се набива нагоре или се абсорбира. Ако е възможно, можете да използвате цветна вода или сок, за да видите по -добре дали течността се абсорбира.
  13. Екипите трябва да документират колко водоустойчиво е било всяко парче плат.
  14. Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
  15. За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Идея за разширение

Накарайте по -възрастните ученици да се опитат да премахнат хидроизолационната характеристика на нано тъканите по всякакъв начин, за който се сетят. Например, те могат да изтъркат повърхността, да я боядисат, да я сварят, да я измият, да я замразят или да я гладят.

Незадължително разширение за създаване на модели

Накарайте учениците да изградят модел, представящ хидрофобния ефект. Това може да се направи с топка от пяна с прикрепени сламки или клечки за зъби, за да се симулират малки издатини, подобни на коса, които държат водата далеч от директната повърхност на някои листа. Това също ще помогне визуално да илюстрира как работи хидроизолацията в нано мащаба.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

  1. Дали някой от вашите платове се оказа водоустойчив? Ако да, коя процедура според вас е най -добрата и защо? Ако не, защо мислите, че процедурите Ви не са работили?
  2. Кое решение на друг екип според вас работи най -добре? Защо?
  3. Какво мислите, че би станало, ако изперете и подсушите тъканта си? Ще запази ли хидроизолацията?
  4. Кое беше най -изненадващото наблюдение по време на сравнението с микроскоп (ако завършихте тази част от дейността)?
  5. Как се сравнява нано -обработената тъкан с най -успешната ви тъкан във водния тест?
  6. Как се сравнява нано -обработената тъкан с най -успешната ви тъкан под микроскопа?
  7. Ако трябваше да го направите отново, как вашият екип би подходил по различен начин към това предизвикателство? Защо?
  8. Смятате ли, че инженерите по материали трябва да адаптират оригиналните си идеи по време на тестването на продукта? Защо биха могли?
  9. Открихте ли, че във вашата класна стая има много различни решения, които отговарят на целта на проекта? Какво ви казва това за това как инженерните екипи решават проблеми в реалния свят?
  10. Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами? Обяснете…
  11. Какви други приложения можете да измислите, където една повърхност може да бъде променена в нано мащаба, за да се подобрят функцията или производителността? Една идея е покриването на предните стъкла, така че водата да тече по -бързо ... ... какво можете да мислите?

Модификация на времето

Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.

Какво е нанотехнология? 

Представете си, че можете да наблюдавате движението на червените кръвни клетки, докато се движи през вената ви. Какво би било да наблюдаваш натриевите и хлорните атоми, когато се приближат достатъчно, за да прехвърлят електрони и да образуват солен кристал или да наблюдават вибрациите на молекулите, когато температурата се покачва в тиган с вода? Поради инструментите или „обхвата“, които са разработени и подобрени през последните няколко десетилетия, можем да наблюдаваме ситуации като много от примерите в началото на този параграф. Тази способност за наблюдение, измерване и дори манипулиране на материали в молекулен или атомен мащаб се нарича нанотехнология или нанонаука. Ако имаме нано „нещо“, имаме една милиардна част от това нещо. Учените и инженерите прилагат нанопрефикса към много „неща“, включително метри (дължина), секунди (време), литри (обем) и грамове (маса), за да представят разбираемо много малко количество. Най -често nano се прилага към скалата на дължината и ние измерваме и говорим за нанометри (nm). Отделните атоми са с диаметър по -малък от 1 nm, като отнема около 10 водородни атома подред, за да създаде линия с дължина 1 nm. Други атоми са по -големи от водорода, но все пак имат диаметри по -малки от нанометър. Типичният вирус е с диаметър около 100 nm, а бактерията е с дължина около 1000 nm от главата до опашката. Инструментите, които ни позволиха да наблюдаваме невидимия по -рано свят на наномащаба, са микроскопът с атомна сила и сканиращият електронен микроскоп.

bestdesign36-Bigstock.com

Колко голям е малкият?

Може да бъде трудно да си представите колко малки са нещата на наноразмера. Следното упражнение може да ви помогне да си представите колко „големи“ могат да бъдат малките! Помислете за топка за боулинг, топка за билярд, топка за тенис, топка за голф, мрамор и грах. Помислете за относителния размер на тези елементи.

Сканиращ електронен микроскоп

galitskaya-Bigstock.com

Сканиращият електронен микроскоп е специален тип електронен микроскоп, който създава изображения на повърхността на пробата, като я сканира с високоенергиен лъч от електрони в растерна схема на сканиране. При растерно сканиране изображението се нарязва на поредица от (обикновено хоризонтални) ленти, известни като „линии за сканиране“. Електроните взаимодействат с атомите, съставляващи пробата, и произвеждат сигнали, които предоставят данни за формата, състава на повърхността и дори дали тя може да провежда електричество. Много изображения, направени със сканиращи електронни микроскопи, може да се видят на www.dartmouth.edu/~emlab/gallery

  • Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
  • Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
  • Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (виж инфографиката).
  • Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми. 
  • Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
  • Хидрофобност: Свойство на молекулите, които не се смесват с вода. 
  • Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
  • Нанотехнология: Възможност за наблюдение, измерване и дори манипулиране на материали в молекулярна или атомна скала.
  • Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
  • Сканиращ електронен микроскоп: Специален тип електронен микроскоп, който създава изображения на повърхността на пробата, като я сканира с високоенергиен лъч от електрони в растерно сканиране.
  • Хидроизолация: Създаване на нещо устойчиво на вода. 

Препоръчителна четене

  • Нанотехнологии за манекени (ISBN: 978-0470891919)
  • Нанотехнологии: Разбиране на малки системи (ISBN: 978-1138072688)

Писателска дейност

Напишете есе или параграф за потенциалните ползи от прилагането на нанотехнологиите върху тъкани, повърхности или материали, използвани в болници или домове за възрастни хора?

Привеждане в съответствие с учебните програми

Забележка: Всички учебни планове от тази поредица са подравнени с Национални стандарти за научно образование които са произведени от  Национален съвет за научни изследвания и одобрени от Националната асоциация на учителите по естествени науки, и ако е приложимо, също и от Стандартите за технологична грамотност на Международната асоциация по технологично образование или Националните съвети на учителите по математика за принципите и стандартите за училищна математика.

Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности, необходими за извършване на научни изследвания 
  • Разбиране за научните изследвания 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Свойства на предмети и материали 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии 

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности за технологичен дизайн 
  • Способности да се прави разлика между природни обекти и обекти, направени от хора 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Наука и технологии в местните предизвикателства 

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности, необходими за извършване на научни изследвания 
  • Разбиране за научното изследване 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Свойства и промени на свойствата в материята 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват

  • Способности за технологичен дизайн 
  • Разбиране за науката и технологиите 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Наука и технологии в обществото 

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности, необходими за извършване на научни изследвания 
  • Разбиране за научното изследване 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки 

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Структурата на атомите 
  • Структура и свойства на материята 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности за технологичен дизайн 
  • Разбиране за науката и технологиите 

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства 

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти

Природата на технологиите

  • Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
  • Стандарт 3: Студентите ще развият разбиране за връзките между технологиите и връзките между технологиите и други области на обучение.

Дизайн

  • Стандарт 9: Студентите ще развият разбиране за инженерния дизайн.
  • Стандарт 10: Студентите ще развият разбиране за ролята на отстраняване на неизправности, изследвания и разработки, изобретения и иновации и експериментиране при решаването на проблеми.

Способности за един технологичен свят

  • Стандарт 11: Учениците ще развият способности да прилагат процеса на проектиране.
  • Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.

Проектираният свят

  • Стандарт 19: Студентите ще развият разбиране и ще могат да избират и използват производствени технологии.
GROGL-Bigstock.com

Вие сте част от екип от инженери, които са изправени пред предизвикателството да разработят нов процес за хидроизолация на облекло. Ви бяха предоставени няколко парчета памук, заедно с много възможни материали, които може да решите да използвате за вашата хидроизолационна техника. За целите на вашето предизвикателство „водоустойчив“ означава, че водата не трябва да се абсорбира от тъканта, а вместо това ще се натрупа върху тъканта. Можете да опитате две или три различни решения и да видите кое работи най -добре!

Етап на планиране

Срещнете се като екип и обсъдете проблема, който трябва да решите. Използвайте полето по -долу, за да опишете решението си и да изброите материалите, които смятате, че ще ви трябват, за да се справите с предизвикателството. Обяснете защо смятате, че вашето решение ще реши проблема!

 

 

Тъкан А

Вашият план и хипотеза:

 

 

Необходими материали:

 

 

 

 

Тъкан Б

Вашият план и хипотеза:

 

 

Необходими материали:

 

 

 

 

Тъкан С

Вашият план и хипотеза:

 

 

Необходими материали:

 

 

 


Етап на производство

Изпълнете всеки от вашите планове (не забравяйте да маркирате всяко парче плат, за да знаете какъв процес сте приложили към него).

 

Етап на разследване

Ако имате достъп до микроскоп, разгледайте всяко ваше парче плат и в полето по -долу опишете това, което виждате, като отбележите както това, което виждате, така и как те се различават от другите проби от плат. Ще имате възможност да разгледате проба от плат, която също е променена на нано ниво! Помислете дали повърхностите на тъканта изглеждат гладки, неравни, изпъкнали, вдлъбнати или имат други характеристики.

 

Наблюдения на повърхността
Тъкан А Тъкан Б Тъкан С Нано плат
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Етап на тестване

Върху умивалник или мивка излейте водата върху тъканта си и вижте дали тя се набива или се абсорбира. Ако вашият учител е съгласен, може да искате да използвате цветна вода или сок, за да видите по -лесно дали водата изобщо се абсорбира. Отбележете вашите наблюдения по -долу.

 

Наблюдения при тестване на вода
Тъкан А Тъкан Б Тъкан С Нано плат
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Етап на оценка

Попълнете следните въпроси като група:

  1. Дали някой от вашите платове се оказа водоустойчив?

Ако да, коя процедура според вас е най -добрата и защо?

Ако не, защо мислите, че процедурите Ви не са работили?

 

 

 

 

 

 

  1. Кое решение на друг екип според вас работи най -добре? Защо?

 

 

 

 

 

 

  1. Какво мислите, че би станало, ако изперете и подсушите тъканта си? Ще запази ли хидроизолацията?

 

 

 

 

 

 

  1. Кое беше най -изненадващото наблюдение по време на сравнението с микроскоп (ако завършихте тази част от дейността)?

 

 

 

 

 

 

  1. Как се сравнява нано -обработената тъкан с най -успешната ви тъкан във водния тест?

 

 

 

 

 

 

  1. Как се сравнява нано -обработената тъкан с най -успешната ви тъкан под микроскопа?

 

 

 

 

 

 

  1. Ако трябваше да го направите отново, как вашият екип би подходил по различен начин към това предизвикателство? Защо?

 

 

 

 

 

 

  1. Смятате ли, че инженерите по материали трябва да адаптират оригиналните си идеи по време на тестването на продукта? Защо биха могли?

 

 

 

 

 

 

  1. Открихте ли, че във вашата класна стая има много различни решения, които отговарят на целта на проекта? Какво ви казва това за това как инженерните екипи решават проблеми в реалния свят?

 

 

 

 

 

 

  1. Мислите ли, че бихте могли да завършите този проект по -лесно, ако работите сами? Обяснете…

 

 

 

 

 

 

11. Какви други приложения можете да измислите, където една повърхност може да бъде променена в нано мащаба, за да се подобрят функцията или производителността? Една идея е покриването на предните стъкла, така че водата да тече по -бързо ... ... какво можете да мислите?

 

 

 

 

Студентски сертификат за завършване, който може да се изтегли