Staňte se mikroskopem se skenovací sondou

Stavět materiály (pro každý tým)

Požadované materiály pro třídu

• Krabice s položkou připevněnou na dně (pravítko, papírový kelímek, cihla, kousek ovoce)
• Zavažte zavázanýma očima nebo vyřízněte do krabice díru, aby si studenti dovnitř vešli ruku a tužku, aniž by viděli, co je v krabici. 

Požadované materiály pro týmy

• Papír
• Pero
• Tužka
• Přístup k internetu, volitelný

Design Challenge

Jste tým inženýrů, kterým byla dána výzva pomocí tužkové sondy „cítit“ dva různé objekty uvnitř krabice (aniž byste je viděli). Dále nakreslíte, co jste „viděli“, a jako tým se dohodnete, jaký předmět v krabici může být. Poté týmy vypracují podrobný výkres ukazující předmět, na kterém jste se dohodli.

Kritéria

• K „nahmatání“ předmětů musíte použít tužku.
• Nesmí vidět objekty (buď zavázanýma očima, nebo dírou vyříznutou v krabici, aby se do ní vešla ruka a tužka)

Omezení

• Používejte pouze dodané materiály.

Potřebný čas: Jedna až dvě 45minutová sezení.

1. Rozdělte třídu na týmy po 2-4.
2. Rozdejte pracovní list Be a Scanning Probe Microscope.
3. Diskutujte o tématech v části Pojmy na pozadí. Požádejte studenty, aby se zamysleli nad tím, jak inženýři měří povrch věcí, které jsou příliš malé na to, aby je viděli. Pokud je k dispozici internet, sdílejte virtuální mikroskop (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Prohlédněte si Engineering Engineering Process, Design Challenge, Criteria, Constraints and Materials.
5. Poskytněte každému týmu své materiály.
6. Vysvětlete, že studenti musí pomocí tužky „cítit“ dva různé předměty uvnitř krabice (se zavázanýma očima). Dále nakreslí, co „viděli“, a jako tým se dohodnou, jaký předmět v krabici může být. Nakonec týmy vypracují podrobnou kresbu ukazující předmět, na kterém se dohodli.
7. Oznámte, kolik času mají na dokončení aktivity (doporučeno 1 hodinu).
8. Použijte časovač nebo online stopky (funkce odpočítávání), abyste si udrželi čas. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Poskytněte studentům pravidelné „časové kontroly“, aby zůstali na úkolu. Pokud se potýkají, zeptejte se na otázky, které je dovedou rychleji k řešení.
9. Požádejte studenty, aby provedli následující:
   • Každý student v týmu se střídá pomocí tužkové sondy k určení tvaru k identifikaci objektů v krabici. Buď můžete mít zavázané oči, nebo nechat vyříznout díru do krabice, aby vaše ruka a tužka mohly být uvnitř, aniž byste viděli, co je v krabici.
   • Pomocí špičky tužky prozkoumejte obsah nebo povrch dna krabice.
   • V mysli si sledujte výšku předmětů, které cítíte, jejich tvar a celkovou velikost.
   • Dále nakreslete, co jste „viděli“ na kus papíru - možná budete chtít zvážit pohled shora a z boku, abyste zjistili, co je v krabici.
   • Když každý student v týmu provede šetření, spolupracujte a sdílejte své kresby a názory na to, co je v rámečku. Jako tým dosáhnete konsensu a vytvoříte konečnou kresbu, která obsahuje odhadovaná měření objektu.
10. Týmy předloží třídě vaše nápady, kresby a měření a vyslechnou si prezentace ostatních týmů. Měli by porovnat, jak blízko byl jejich tým při určování skutečné velikosti a tvaru.
11. Jako třída diskutujte o studentových reflexních otázkách.
12. Další obsah k tomuto tématu naleznete v části „Kopání hlouběji“.

Volitelná aktivita rozšíření

Nechte studenty zrcadlit to, co „cítí“ v rámečku jednou rukou, kreslením druhou rukou současně na papír.

Studentská reflexe (technický notebook)

1. Jak přesný z hlediska tvaru byl váš tým při identifikaci objektu? Co jste v krabici našli?
2. Jak přesný byl váš tým při určování skutečné velikosti objektu v poli?
3. O kolik procent byla vaše velikost odhadována mimo skutečnou velikost objektu v krabici?
4. Myslíte si, že doba, kterou jste „viděli“ uvnitř krabice se sondou, ovlivnila přesnost vašich nálezů?
5. Mysleli jste si, že týmová práce tento projekt usnadnila nebo ztížila? Proč?

Lekci lze u starších studentů absolvovat za pouhou 1 hodinu. Aby však studentům pomohl cítit spěch a zajistil studentský úspěch (zejména u mladších studentů), rozdělte lekci na dvě období a dejte studentům více času na brainstorming, testování nápadů a dokončení jejich designu. Proveďte testování a vysvětlení v příštím semestru.

Co je to nanotechnologie?

Představte si, že byste mohli pozorovat pohyb červené krvinky, jak se pohybuje vaší žílou. Jaké by to bylo pozorovat atomy sodíku a chloru, když se dostanou dostatečně blízko, aby skutečně přenesly elektrony a vytvořily krystal soli nebo pozorovaly vibrace molekul, jak teplota stoupá v pánvi s vodou? Díky nástrojům nebo „oborům“, které byly vyvinuty a vylepšeny v posledních několika desetiletích, můžeme pozorovat situace jako mnoho příkladů na začátku tohoto odstavce. Tato schopnost pozorovat, měřit a dokonce manipulovat s materiály v molekulárním nebo atomovém měřítku se nazývá nanotechnologie nebo nanověda. Pokud máme nano „něco“, máme jednu miliardtinu toho něčeho. Vědci a inženýři používají nano prefix na mnoho „něčeho“, včetně délky metrů), sekund (čas), litrů (objem) a gramů (hmotnost), aby představovali to, co je pochopitelně velmi malé množství. Nano se nejčastěji aplikuje na délkovou stupnici a my měříme a hovoříme o nanometrech (nm). Jednotlivé atomy jsou menší než 1 nm v průměru, přičemž k vytvoření čáry o délce 10 nm je zapotřebí přibližně 1 atomů vodíku v řadě. Jiné atomy jsou větší než vodík, ale stále mají průměr menší než nanometr. Typický virus má průměr přibližně 100 nm a bakterie má přibližně 1000 XNUMX nm od hlavy k ocasu. Nástroje, které nám umožnily pozorovat dříve neviditelný svět nanorozsahu, jsou mikroskop pro atomovou sílu a skenovací elektronový mikroskop.

Jak velký je malý?

Může být těžké si představit, jak malé věci jsou v nanoměřítku. Následující cvičení vám může pomoci představit si, jak velké mohou být malé! Zvažte bowlingový míč, kulečníkový míč, tenisový míček, golfový míček, mramor a hrášek. Zamyslete se nad relativní velikostí těchto položek.

Skenovací elektronový mikroskop

Rastrovací elektronový mikroskop je speciální typ elektronového mikroskopu, který vytváří obrazy povrchu vzorku skenováním paprskem elektronů s vysokou energií v rastrovém skenovacím vzoru. Při rastrovém skenování je obrázek rozřezán na sekvenci (obvykle horizontálních) pásů známých jako „skenovací řádky“. Elektrony interagují s atomy, které tvoří vzorek, a produkují signály, které poskytují údaje o tvaru povrchu, složení a dokonce i o tom, zda může vést elektrický proud. Mnoho snímků pořízených skenovacím elektronovým mikroskopem lze zobrazit na www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mikroskopy atomové síly

Zobrazování v nano stupnici

Aby inženýři „viděli“, jak vypadá povrch materiálů v nanoúrovni, vyvinuli řadu zařízení a systémů, aby prozkoumali, jak se povrch předmětu chová. Spoustu obrázků si můžete prohlédnout v Dartmouth Electron Microscope Facility na www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mikroskopy atomové síly

Atomic Force Microscope je speciální typ mikroskopu skenovací sondy (SPM), který shromažďuje informace pomocí sondy k dotyku nebo pohybu po povrchu předmětu. Rozlišení je velmi vysoké, na zlomku nanometrů. AFM byl vynalezen v roce 1982 ve společnosti IBM a první komerčně dostupný mikroskop pro atomovou sílu byl představen v roce 1989. AFM zůstává jedním z nejdůležitějších nástrojů pro měření a zobrazování čehokoli v nanoměřítku. Dokáže docela přesně vyvinout trojrozměrný obrázek nebo topografii vzorku a má mnoho aplikací. Dokážete -li si představit zavřít oči a pomocí špičky tužky zjistit, jaký předmět byl v krabici, dokážete si představit, jak tento typ mikroskopu funguje! Jednou z výhod mikroskopu Atomic Force je, že nevyžaduje speciální prostředí a funguje dobře v průměrném prostředí nebo dokonce v kapalině. To umožňuje zkoumat biologii na úrovni makromolekul nebo dokonce revidovat živé organismy.

Připojení k internetu

• Mikroskopie atomové síly
• Virtuální mikroskop

Doporučená literatura

• Mikroskopie skenovací sondy: Laboratoř na hrotu (pokročilé texty ve fyzice) (ISBN: 978-3642077371)
• Mikroskopie skenovací sondy (ISBN: 978-3662452394)

Psací činnost

Napište esej nebo odstavec o tom, jak pokroky v nanotechnologiích ovlivnily oblast zdravotnictví a medicíny.

Sladění s rámcovými osnovami

Poznámka: Plány lekcí v této sérii jsou sladěny s jednou nebo více z následujících sad standardů:

• Standardy vědeckého vzdělávání (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Vědecké standardy příští generace (http://www.nextgenscience.org/)
• Normy Mezinárodní technologické vzdělávací asociace pro technologickou gramotnost (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Národní rada učitelů matematiky, principy a standardy pro školní matematiku (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Společné základní státní standardy pro matematiku (http://www.corestandards.org/Math)
• Sdružení učitelů informatiky K-12 Standardy počítačových věd (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky K-4 (věk 4-9)

OBSAH STANDARD A: Věda jako vyšetřování

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti nutné k vědeckému průzkumu
• Porozumění vědeckému zkoumání

OBSAH STANDARD B: Fyzikální věda

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Vlastnosti předmětů a materiálů
• Poloha a pohyb předmětů

OBSAH STANDARD E: Věda a technologie

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti technologického návrhu

OBSAH STANDARD F: Věda v osobních a sociálních perspektivách

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda a technologie v místních výzvách

OBSAH STANDARD G: Historie a povaha vědy

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda jako lidské úsilí

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky 5-8 (věk 10-14)

OBSAH STANDARD A: Věda jako vyšetřování

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti nutné k vědeckému průzkumu
• Porozumění vědeckému zkoumání

OBSAH STANDARD B: Fyzikální věda

V důsledku svých aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Vlastnosti a změny vlastností v hmotě

OBSAH STANDARD E: Věda a technologie

V důsledku aktivit ve stupních 5-8 by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti technologického návrhu
• Porozumění vědě a technice

OBSAH STANDARD F: Věda v osobních a sociálních perspektivách

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda a technologie ve společnosti 

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky 5-8 (věk 10-14)

OBSAH STANDARD G: Historie a povaha vědy

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda jako lidské úsilí
• Povaha vědy

Národní standardy vzdělávání v oblasti vědy Ročníky 9-12 (věk 14-18)

OBSAH STANDARD A: Věda jako vyšetřování

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti nutné k vědeckému průzkumu
• Porozumění vědeckému zkoumání

OBSAH STANDARD B: Fyzikální věda

V důsledku své činnosti by si všichni studenti měli porozumět

• Struktura a vlastnosti hmoty

OBSAH STANDARD E: Věda a technologie

V důsledku aktivit by se měli rozvíjet všichni studenti

• Schopnosti technologického návrhu
• Porozumění vědě a technice

OBSAH STANDARD F: Věda v osobních a sociálních perspektivách

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda a technologie v místních, národních a globálních výzvách

OBSAH STANDARD G: Historie a povaha vědy

V důsledku aktivit by si všichni studenti měli porozumět

• Věda jako lidské úsilí
• Povaha vědeckých znalostí
• Historické perspektivy

 Vědecké standardy příští generace stupně 2-5 (věk 7–11)

Studenti, kteří prokáží porozumění, mohou:

Záležitost a její interakce

• 5-PS1-1. Vytvořte model, který by popisoval, že hmota je tvořena částicemi příliš malými na to, aby byly vidět.
• 5-PS1-3. Proveďte pozorování a měření k identifikaci materiálů na základě jejich vlastností. 

Standardy pro technologickou gramotnost - všechny věkové kategorie 

Povaha technologie

• Standard 1: Studenti si osvojí porozumění charakteristikám a rozsahu technologie.
• Standard 2: Studenti si osvojí porozumění základním pojmům technologie.
• Standard 3: Studenti budou rozvíjet porozumění vztahům mezi technologiemi a souvislostem mezi technologiemi a dalšími studijními obory. 

Technologie a společnost

• Standard 4: Studenti si osvojí porozumění kulturním, sociálním, ekonomickým a politickým účinkům technologie.
• Standard 6: Studenti si osvojí porozumění roli společnosti při vývoji a používání technologií.
• Standard 7: Studenti si osvojí porozumění vlivu technologie na historii.

Schopnosti pro technologický svět

Standard 13: Studenti budou rozvíjet schopnosti hodnotit dopad produktů a systémů.

Vyzkoušejte si práci mikroskopu se skenovací sondou!

Fáze výzkumu

Přečtěte si materiály, které vám poskytl váš učitel. Pokud máte přístup k internetu, prohlédněte si také návod na tomto webu: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Ukáže to, jak fungují mikroskopy skenovací sondy, a pomůže vám pochopit, jak podobný úkol budete provádět prostřednictvím této aktivity.

Vyzkoušej to!

Každý student z vašeho týmu se bude střídat pomocí tužkové sondy k určení tvaru nebo identifikace předmětu v krabici. Buď můžete mít zavázané oči, nebo nechat vyříznout díru do krabice, aby vaše ruka a tužka mohly být uvnitř, aniž byste viděli, co je v krabici.

Pomocí špičky tužky prozkoumejte obsah nebo povrch dna krabice. V mysli si sledujte výšku předmětů, které cítíte, jejich tvar a celkovou velikost.

Dále nakreslete, co jste „viděli“ na kus papíru - možná budete chtít zvážit pohled shora a z boku, abyste zjistili, co je v krabici.

Když každý student v týmu provede šetření, spolupracujte a sdílejte své kresby a názory na to, co je v rámečku. Přijměte jako tým shodu a vytvořte konečnou kresbu, která bude obsahovat odhadovaná měření objektu

Fáze prezentace a reflexe

Prezentujte své nápady, kresby a měření ve třídě a poslouchejte prezentace ostatních týmů. Podívejte se, jak blízko byl váš tým nebo ostatní týmy při určování skutečné velikosti a tvaru. Poté vyplňte reflexní list.

Odraz

Vyplňte níže uvedené reflexní otázky:

1. Jak přesný z hlediska tvaru byl váš tým při identifikaci objektu? Co jste v krabici našli?

2. Jak přesný byl váš tým při určování skutečné velikosti objektu v poli?

3. O kolik procent byla vaše velikost odhadována mimo skutečnou velikost objektu v krabici?

4. Myslíte si, že doba, kterou jste „viděli“ uvnitř krabice se sondou, ovlivnila přesnost vašich nálezů?

5. Mysleli jste si, že týmová práce tento projekt usnadnila nebo ztížila? Proč?