Sigues un microscopi de sonda d’escaneig
Aquesta lliçó explora com aquests microscopis mesuren la superfície dels materials a nivell nano. Els estudiants treballen en equip per conèixer els microscopis de sonda d’escaneig (SPM) i, a continuació, utilitzen un llapis per sentir visualment la forma dels objectes que no poden veure. Basat en el sentit del tacte a través del llapis, els estudiants imiten la funció del SPM. Dibuixen allò que "veien" la seva ment.
- Obteniu informació sobre nanotecnologia.
- Obteniu més informació sobre els microscopis de sonda d’escaneig.
- Obteniu informació sobre com l’enginyeria pot ajudar a resoldre els reptes de la societat.
Nivells d’edat: 8-12
Materials de construcció (per a cada equip)
Materials necessaris per a l'aula
- Capsa amb el tema fixat al fons (regle, tassa de paper, maó, tros de fruita)
- Veneu els ulls o talleu un forat a la caixa perquè els estudiants hi cabin la mà i el llapis, sense veure el que hi ha.
Materials necessaris per a equips
- Paper
- Ploma
- Llapis
- Accés a Internet, opcional
Disseny de repte
Vostè és un equip d'enginyers que té el repte d'utilitzar una sonda de llapis per "sentir" dos objectes diferents dins d'una caixa (sense veure'ls). A continuació, dibuixareu el que "heu vist" i, en equip, acordeu quin pot ser l'objecte del quadre. A continuació, els equips desenvolupen un dibuix detallat que mostra l'objecte en què heu acordat.
Criteris
- Cal utilitzar un llapis per "sentir" els objectes.
- No ha de ser capaç de veure els objectes (bé els ulls embenats o un forat tallat a la caixa per adaptar-se a una mà i un llapis)
Restriccions
- Utilitzeu només els materials proporcionats.
Temps necessari: sessions d'un a dos de 45 minuts.
- Divideix la classe en equips de 2-4.
- Repartiu el full de treball Be a Scanning Probe Microscope.
- Discutiu els temes a la secció Conceptes de fons. Demaneu als estudiants que considerin com els enginyers mesuren la superfície de les coses massa petites per veure-les. Si hi ha internet disponible, compartiu The Microscope Virtual (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- Reviseu el procés de disseny d'enginyeria, el repte de disseny, els criteris, les restriccions i els materials.
- Proporcionar a cada equip els seus materials.
- Expliqueu que els estudiants han d’utilitzar un llapis per “sentir” dos objectes diferents dins d’una caixa (amb els ulls embenats). A continuació, dibuixaran allò que "van veure" i, en equip, es posaran d'acord sobre quin podria ser l'objecte del quadre. Finalment, els equips desenvolupen un dibuix detallat que mostra l'objecte en què van acordar.
- Anuncieu el temps que tenen per completar l’activitat (es recomana 1 hora).
- Utilitzeu un temporitzador o un cronòmetre en línia (funció de compte enrere) per assegurar-vos de mantenir-vos a temps. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Doneu als estudiants "controls de temps" periòdics perquè continuïn amb la tasca. Si tenen problemes, feu preguntes que els portin a una solució més ràpida.
- Indiqueu als estudiants que facin el següent:
- Cada estudiant de l'equip fa torns amb una sonda de llapis per determinar la forma d'identificar els objectes d'una caixa. És possible que tingueu els ulls embenats o que tingueu un forat tallat en una caixa de manera que la mà i el llapis puguin quedar dins sense que vegeu el que hi ha a la caixa.
- Utilitzeu només la punta del llapis per examinar el contingut o la superfície de la part inferior del quadre.
- Segons la vostra ment, feu un seguiment de l’alçada dels objectes que detecteu, la seva forma i la mida total.
- A continuació, dibuixeu allò que "heu vist" en un tros de paper; és possible que vulgueu considerar una vista superior i lateral per ajudar a determinar què hi ha al quadre.
- Quan cada estudiant de l'equip hagi fet la investigació, treballeu junts i compartiu els vostres dibuixos i opinions sobre el que hi ha al quadre. Feu un consens en equip i desenvolupeu un dibuix final que inclogui les mesures estimades de l’objecte.
- Els equips presenten les vostres idees, dibuixos i mesures a la classe i escolten les presentacions dels altres equips. Haurien de comparar l’apropament del seu equip a l’hora de determinar la mida i la forma reals.
- Com a classe, discutiu les preguntes de reflexió dels estudiants.
- Per obtenir més contingut sobre el tema, consulteu la secció "Aprofundir".
Activitat d’extensió opcional
Feu que els alumnes emmirallin el que senten al quadre amb una mà, dibuixant simultàniament sobre el paper amb l’altra mà.
Reflexió dels estudiants (quadern d’enginyeria)
- Quina exactitud va tenir el vostre equip en quant a la forma d’identificar l’objecte? Què has trobat al quadre?
- Quina exactitud va tenir el vostre equip a l'hora de determinar la mida real de l'objecte al quadre?
- En quin percentatge s’ha estimat la mida de la mida real de l’objecte al quadre?
- Creieu que el temps que vau trigar a "veure" dins del quadre amb la sonda va afectar la precisió de les vostres troballes?
- Creieu que treballar en equip feia més fàcil o més difícil aquest projecte? Per què?
Modificació del temps
La lliçó es pot fer en només un període de classe per a estudiants més grans. Tanmateix, per ajudar els estudiants a no sentir-se precipitats i per garantir l'èxit dels estudiants (especialment per als estudiants més joves), dividiu la lliçó en dos períodes donant-los més temps per fer una pluja d'idees, provar idees i finalitzar el seu disseny. Realitzeu les proves i el resum en el següent període de classes.
Què és la nanotecnologia?
Imagineu-vos que podeu observar el moviment d’un glòbul vermell mentre es mou per la vena. Com seria observar els àtoms de sodi i clor a mesura que s’acosten prou per transferir electrons i formar un cristall de sal o observar la vibració de les molècules a mesura que la temperatura augmenta en una paella d’aigua? A causa de les eines o "àmbits" que s'han desenvolupat i millorat durant les darreres dècades, podem observar situacions com molts dels exemples al començament d'aquest paràgraf. Aquesta capacitat d’observar, mesurar i fins i tot manipular materials a escala molecular o atòmica s’anomena nanotecnologia o nanociència. Si tenim un nano "alguna cosa", en tenim la mil·lèsima part. Científics i enginyers apliquen el prefix nano a moltes "coses", inclosos els metres de longitud), segons (temps), litres (volum) i grams (massa) per representar el que és comprensible una quantitat molt petita. Molt sovint s'aplica nano a l'escala de longitud i mesurem i parlem de nanòmetres (nm). Els àtoms individuals tenen un diàmetre inferior a 1 nm, prenent uns 10 àtoms d’hidrogen seguits per crear una línia d’1 nm de longitud. Altres àtoms són més grans que l’hidrogen, però encara tenen diàmetres inferiors a un nanòmetre. Un virus típic té uns 100 nm de diàmetre i un bacteri té uns 1000 nm cap a cua. Les eines que ens han permès observar el món anteriorment invisible de la nanoescala són el microscopi de força atòmica i el microscopi electrònic d’escombratge.
Què tan gran és petit?
Pot ser difícil visualitzar com de petites són les coses a escala nanomètrica. L’exercici següent us pot ajudar a visualitzar el gran que pot ser el petit Penseu en una bola de bitlles, una bola de billar, una bola de tennis, una bola de golf, un marbre i un pèsol. Penseu en la mida relativa d’aquests articles.
Microscopi electrònic d’escombratge
El microscopi electrònic d’escombratge és un tipus especial de microscopi electrònic que crea imatges d’una superfície de mostra escanejant-la amb un feix d’electrons d’alta energia en un patró d’exploració ràster. En una exploració ràster, una imatge es talla en una seqüència de tires (normalment horitzontals) conegudes com a "línies d'escaneig". Els electrons interactuen amb els àtoms que formen la mostra i produeixen senyals que proporcionen dades sobre la forma, la composició de la superfície i fins i tot si pot conduir electricitat. Es poden veure moltes imatges preses amb microscopis electrònics d’escombratge www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Microscopis de força atòmica
Imatges a l’escala Nano
Per tal de "veure" com és la superfície dels materials a escala nano, els enginyers han desenvolupat una sèrie de dispositius i sistemes per explorar com es comporta la superfície d'un objecte. Podeu veure moltes imatges a la instal·lació de microscopis electrònics de Dartmouth a www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Microscopis de força atòmica
Un microscopi de força atòmica és un tipus especial de microscopi de sonda d’exploració (SPM), que recopila informació mitjançant una sonda per tocar o moure’s per la superfície d’un subjecte. La resolució és molt alta, a una fracció de nanòmetre. L'AFM es va inventar el 1982 a IBM i el primer microscopi de força atòmica disponible comercialment es va introduir el 1989. L'AFM continua sent una de les eines més importants per mesurar i imaginar qualsevol cosa a escala nanomètrica. Pot desenvolupar amb precisió una imatge tridimensional o una topografia d'una mostra i té moltes aplicacions. Si us podeu imaginar tancar els ulls i utilitzar la punta d’un llapis per esbrinar quin objecte hi havia en una caixa, us podeu imaginar com funciona aquest tipus de microscopi! Un dels avantatges d’un microscopi de força atòmica és que no requereix un entorn especial i funciona bé en un entorn mitjà, ni tan sols en líquid. Això permet explorar la biologia a nivell de macromolècules, o fins i tot revisar els organismes vius.
Connexions a Internet
lectura recomanada
- Microscòpia de sonda d'escaneig: el laboratori amb una punta (textos avançats en física) (ISBN: 978-3642077371)
- Microscòpia de sonda d’escaneig (ISBN: 978-3662452394)
Activitat d’escriptura
Escriviu un assaig o un paràgraf sobre com els avenços de la nanotecnologia han afectat el camp de la salut i la medicina.
Alineació als marcs d’estudis
Nota: Els plans de lliçons d'aquesta sèrie estan alineats amb un o més dels següents conjunts d'estàndards:
- S. Normes d’educació científica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Estàndards científics de nova generació (http://www.nextgenscience.org/)
- Normes de l'alfabetització tecnològica de l'Associació Internacional d'Educació Tecnològica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Principis i estàndards per a les matemàtiques escolars del Consell Nacional de Professors de Matemàtiques (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. Normes bàsiques comunes estatals de matemàtiques (http://www.corestandards.org/Math)
- Associació de Professors d'Informàtica K-12 Normes d'Informàtica (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Normes nacionals d’educació científica Graus K-4 (4-9 anys)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT A: La ciència com a consulta
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Capacitats necessàries per fer investigacions científiques
- Comprensió sobre la investigació científica
ESTÀNDARD DE CONTINGUT B: Ciència física
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Propietats d'objectes i materials
- Posició i moviment dels objectes
ESTÀNDARD DE CONTINGUT E: Ciència i tecnologia
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Habilitats de disseny tecnològic
ESTÀNDARD DE CONTINGUT F: Ciència en perspectives personals i socials
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Ciència i tecnologia en els reptes locals
ESTÀNDARD DE CONTINGUT G: Història i naturalesa de la ciència
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- La ciència com a esforç humà
Normes nacionals d’educació científica Cicles 5-8 (edats 10-14)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT A: La ciència com a consulta
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Capacitats necessàries per fer investigacions científiques
- Comprensions sobre investigació científica
ESTÀNDARD DE CONTINGUT B: Ciència física
Com a resultat de les seves activitats, tots els estudiants haurien de comprendre
- Propietats i canvis de propietats en la matèria
ESTÀNDARD DE CONTINGUT E: Ciència i tecnologia
Com a resultat de les activitats dels cursos 5-8, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Habilitats de disseny tecnològic
- Comprensions sobre ciència i tecnologia
ESTÀNDARD DE CONTINGUT F: Ciència en perspectives personals i socials
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Ciència i tecnologia a la societat
Normes nacionals d’educació científica Cicles 5-8 (edats 10-14)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT G: Història i naturalesa de la ciència
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- La ciència com a esforç humà
- Naturalesa de la ciència
Normes nacionals d’educació científica Cicles 9-12 (edats 14-18)
ESTÀNDARD DE CONTINGUT A: La ciència com a consulta
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Capacitats necessàries per fer investigacions científiques
- Comprensions sobre investigació científica
ESTÀNDARD DE CONTINGUT B: Ciència física
Com a resultat de les seves activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Estructura i propietats de la matèria
ESTÀNDARD DE CONTINGUT E: Ciència i tecnologia
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de desenvolupar-se
- Habilitats de disseny tecnològic
- Comprensions sobre ciència i tecnologia
ESTÀNDARD DE CONTINGUT F: Ciència en perspectives personals i socials
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- Ciència i tecnologia en els reptes locals, nacionals i globals
ESTÀNDARD DE CONTINGUT G: Història i naturalesa de la ciència
Com a resultat de les activitats, tots els estudiants haurien de comprendre millor
- La ciència com a esforç humà
- Naturalesa del coneixement científic
- Perspectives històriques
Estàndards científics de la següent generació, graus 2-5 (edats 7-11)
Els estudiants que demostren comprensió poden:
La matèria i les seves interaccions
- 5-PS1-1. Desenvolupeu un model per descriure que la matèria està formada per partícules massa petites per ser vistes.
- 5-PS1-3. Feu observacions i mesures per identificar materials en funció de les seves propietats.
Normes d’alfabetització tecnològica: totes les edats
La naturalesa de la tecnologia
- Estàndard 1: els estudiants desenvoluparan una comprensió de les característiques i l'abast de la tecnologia.
- Estàndard 2: els estudiants desenvoluparan una comprensió dels conceptes bàsics de la tecnologia.
- Estàndard 3: els estudiants desenvoluparan una comprensió de les relacions entre les tecnologies i les connexions entre la tecnologia i altres camps d’estudi.
Tecnologia i societat
- Estàndard 4: els estudiants desenvoluparan una comprensió dels efectes culturals, socials, econòmics i polítics de la tecnologia.
- Estàndard 6: els estudiants desenvoluparan una comprensió del paper de la societat en el desenvolupament i ús de la tecnologia.
- Estàndard 7: els estudiants desenvoluparan una comprensió de la influència de la tecnologia en la història.
Habilitats per a un món tecnològic
Estàndard 13: els estudiants desenvoluparan habilitats per avaluar l’impacte de productes i sistemes.
Intenteu ser un microscopi de sonda d’escaneig.
Fase de recerca
Llegiu els materials que us ha proporcionat el vostre professor. Si teniu accés a Internet, consulteu també el tutorial d’aquest lloc web: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Il·lustrarà com funcionen els microscopis de la sonda d’exploració i us ajudarà a entendre com realitzareu una tasca similar a través d’aquesta activitat.
Intenta-ho!
Cada estudiant del vostre equip es tornarà a utilitzar una sonda de llapis per determinar la forma o identificació d’un objecte en una caixa. És possible que tingueu els ulls embenats o que tingueu un forat tallat en una caixa de manera que la mà i el llapis puguin quedar dins sense que vegeu el que hi ha a la caixa.
Utilitzeu només la punta del llapis per examinar el contingut o la superfície de la part inferior del quadre. Segons la vostra ment, feu un seguiment de l’alçada dels objectes que detecteu, la seva forma i la mida total.
A continuació, dibuixeu allò que "heu vist" en un tros de paper; és possible que vulgueu considerar una vista superior i lateral per ajudar a determinar què hi ha al quadre.
Quan cada estudiant de l'equip hagi fet la investigació, treballeu junts i compartiu els vostres dibuixos i opinions sobre el que hi ha al quadre. Feu un consens en equip i desenvolupeu un dibuix final que inclogui les mesures estimades de l’objecte
Fase de presentació i reflexió
Presenteu les vostres idees, dibuixos i mesures a la classe i escolteu les presentacions dels altres equips. Consulteu la proximitat del vostre equip o dels altres equips en determinar la mida i la forma reals. A continuació, completeu el full de reflexió.
Reflexió
Completeu les preguntes de reflexió següents:
- Quina exactitud va tenir el vostre equip en quant a la forma d’identificar l’objecte? Què has trobat al quadre?
- Quina exactitud va tenir el vostre equip a l'hora de determinar la mida real de l'objecte al quadre?
- En quin percentatge s’ha estimat la mida de la mida real de l’objecte al quadre?
- Creieu que el temps que vau trigar a "veure" dins del quadre amb la sonda va afectar la precisió de les vostres troballes?
- Creieu que treballar en equip feia més fàcil o més difícil aquest projecte? Per què?
Traducció del pla de lliçons