Seien Sie ein Rastersondenmikroskop

Baumaterialien (für jedes Team)

Erforderliche Materialien für den Unterricht

• Schachtel mit am Boden befestigtem Gegenstand (Lineal, Pappbecher, Ziegelstein, Fruchtstück)
• Verbinden Sie die Augen oder schneiden Sie ein Loch in die Schachtel, damit die Schüler ihre Hand und einen Bleistift hineinstecken können, ohne zu sehen, was sich in der Schachtel befindet. 

Erforderliche Materialien für Teams

• Papier
• Kugelschreiber
• Bleistift
• Zugang zum Internet, optional

Design-Herausforderung

Sie sind ein Team von Ingenieuren, die die Herausforderung haben, mit einer Bleistiftsonde zwei verschiedene Objekte in einer Box zu „fühlen“ (ohne die Objekte zu sehen). Als nächstes zeichnen Sie, was Sie „gesehen“ haben und einigen sich im Team darauf, was das Objekt in der Box sein könnte. Anschließend entwickeln die Teams eine detaillierte Zeichnung, die das vereinbarte Objekt zeigt.

Eigenschaften

• Muss einen Bleistift verwenden, um die Objekte zu „fühlen“.
• Darf die Gegenstände nicht sehen können (entweder eine Augenbinde oder ein Loch in die Schachtel geschnitten, um eine Hand und einen Bleistift zu passen)

Einschränkungen

• Verwenden Sie nur die bereitgestellten Materialien.

Benötigte Zeit: Ein bis zwei 45-minütige Sitzungen.

1. Teilen Sie die Klasse in Teams von 2-4 Personen auf.
2. Verteilen Sie das Arbeitsblatt Be a Scanning Probe Microscope.
3. Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Bitten Sie die Schüler zu überlegen, wie Ingenieure die Oberfläche von Dingen messen, die zu klein sind, um sie zu sehen. Wenn Internet verfügbar ist, teilen Sie The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
5. Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
6. Erklären Sie, dass die Schüler mit einem Bleistift zwei verschiedene Gegenstände in einer Schachtel (mit verbundenen Augen) „fühlen“ müssen. Als nächstes zeichnen sie, was sie „gesehen“ haben und einigen sich im Team darauf, was das Objekt in der Box sein könnte. Schließlich entwickeln die Teams eine detaillierte Zeichnung, die das vereinbarte Objekt zeigt.
7. Geben Sie die Zeit an, die sie für die Durchführung der Aktivität haben (empfohlen 1 Stunde).
8. Verwenden Sie einen Timer oder eine Online-Stoppuhr (Countdown-Funktion), um sicherzustellen, dass Sie pünktlich sind. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Geben Sie den Schülern regelmäßige „Zeitprüfungen“, damit sie bei der Arbeit bleiben. Wenn sie Probleme haben, stellen Sie Fragen, die sie schneller zu einer Lösung führen.
9. Weisen Sie die Schüler an, Folgendes zu tun:
   • Jeder Schüler im Team verwendet abwechselnd eine Bleistiftsonde, um die Form zu bestimmen, um Objekte in einer Schachtel zu identifizieren. Du kannst dir entweder die Augen verbinden oder ein Loch in eine Schachtel schneiden lassen, damit deine Hand und der Bleistift darin sein können, ohne dass du siehst, was sich in der Schachtel befindet.
   • Verwenden Sie nur die Spitze des Bleistifts, um den Inhalt oder die Oberfläche des Bodens der Schachtel zu untersuchen.
   • Behalten Sie in Ihrem Kopf die Höhe der Objekte, die Sie wahrnehmen, ihre Form und Gesamtgröße im Auge.
   • Zeichnen Sie als Nächstes das, was Sie „gesehen“ haben, auf ein Blatt Papier – vielleicht möchten Sie eine Draufsicht und eine Seitenansicht in Betracht ziehen, um festzustellen, was sich in der Schachtel befindet.
   • Wenn jeder Schüler im Team die Untersuchung durchgeführt hat, arbeiten Sie zusammen und teilen Sie Ihre Zeichnungen und Meinungen zu dem, was in der Schachtel ist. Finden Sie im Team einen Konsens und entwickeln Sie eine endgültige Zeichnung, die die geschätzten Abmessungen des Objekts enthält.
10. Die Teams präsentieren der Klasse Ihre Ideen, Zeichnungen und Messungen und hören sich die Präsentationen der anderen Teams an. Sie sollten vergleichen, wie nahe ihr Team bei der Bestimmung der tatsächlichen Größe und Form war.
11. Besprechen Sie als Klasse die Reflexionsfragen der Schüler.
12. Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.

Optionale Erweiterungsaktivität

Lassen Sie die Schüler mit einer Hand spiegeln, was sie in der Box „fühlen“, indem sie mit der anderen Hand gleichzeitig auf Papier zeichnen.

Studentenreflexion (technisches Notizbuch)

1. Wie genau war Ihr Team in Bezug auf die Form bei der Identifizierung des Objekts? Was hast du in der Kiste gefunden?
2. Wie genau war Ihr Team bei der Bestimmung der tatsächlichen Größe des Objekts in der Box?
3. Um wie viel Prozent wich Ihre Größenschätzung von der tatsächlichen Größe des Objekts in der Schachtel ab?
4. Glaubst du, dass die Zeit, die du gebraucht hast, um mit der Sonde in die Schachtel zu „sehen“, die Genauigkeit deiner Ergebnisse beeinflusst hat?
5. Dachten Sie, dass die Arbeit im Team dieses Projekt einfacher oder schwieriger macht? Wieso den?

Der Unterricht kann für ältere Schüler in nur 1 Unterrichtsstunde durchgeführt werden. Um den Schülern zu helfen, sich nicht gehetzt zu fühlen, und um den Erfolg der Schüler sicherzustellen (insbesondere für jüngere Schüler), teilen Sie die Lektion in zwei Abschnitte auf, damit die Schüler mehr Zeit für Brainstorming, Testideen und die Fertigstellung ihres Designs haben. Führen Sie die Tests und Nachbesprechungen in der nächsten Unterrichtsstunde durch.

Was ist Nanotechnologie?

Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Bewegung eines roten Blutkörperchens beobachten, während es sich durch Ihre Vene bewegt. Wie wäre es, die Natrium- und Chloratome zu beobachten, wenn sie nahe genug kommen, um tatsächlich Elektronen zu übertragen und einen Salzkristall zu bilden, oder die Schwingung von Molekülen zu beobachten, wenn die Temperatur in einer Wasserpfanne steigt? Aufgrund von Werkzeugen oder 'Umfängen', die in den letzten Jahrzehnten entwickelt und verbessert wurden, können wir Situationen wie viele der Beispiele am Anfang dieses Absatzes beobachten. Diese Fähigkeit, Materialien auf molekularer oder atomarer Ebene zu beobachten, zu messen und sogar zu manipulieren, wird Nanotechnologie oder Nanowissenschaft genannt. Wenn wir ein Nano-„Etwas“ haben, haben wir ein Milliardstel dieses Etwas. Wissenschaftler und Ingenieure wenden das Nano-Präfix für viele „Etwas“ an, darunter Meter Länge), Sekunden (Zeit), Liter (Volumen) und Gramm (Masse), um eine verständlicherweise sehr kleine Menge darzustellen. Am häufigsten wird Nano auf die Längenskala angewendet und wir messen und sprechen über Nanometer (nm). Einzelne Atome haben einen Durchmesser von weniger als 1 nm, wobei etwa 10 Wasserstoffatome in einer Reihe benötigt werden, um eine Linie von 1 nm Länge zu bilden. Andere Atome sind größer als Wasserstoff, haben aber immer noch Durchmesser von weniger als einem Nanometer. Ein typisches Virus hat einen Durchmesser von etwa 100 nm und ein Bakterium ist von Kopf bis Schwanz etwa 1000 nm groß. Die Werkzeuge, die es uns ermöglicht haben, die bisher unsichtbare Welt der Nanoskala zu beobachten, sind das Rasterkraftmikroskop und das Rasterelektronenmikroskop.

Wie groß ist klein?

Es kann schwer sein, sich vorzustellen, wie klein Dinge auf der Nanoskala sind. Die folgende Übung kann Ihnen helfen, sich vorzustellen, wie groß klein sein kann! Betrachten Sie eine Bowlingkugel, eine Billardkugel, einen Tennisball, einen Golfball, eine Murmel und eine Erbse. Denken Sie an die relative Größe dieser Elemente.

Rasterelektronenmikroskop

Das Rasterelektronenmikroskop ist eine spezielle Art von Elektronenmikroskop, das Bilder einer Probenoberfläche erzeugt, indem es mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl in einem Rasterabtastmuster abgetastet wird. Bei einem Rasterscan wird ein Bild in eine Folge von (normalerweise horizontalen) Streifen, die als „Scanlinien“ bezeichnet werden, zerschnitten. Die Elektronen interagieren mit den Atomen, aus denen die Probe besteht, und erzeugen Signale, die Daten über die Form, Zusammensetzung der Oberfläche und sogar die elektrische Leitfähigkeit liefern. Viele Bilder, die mit Rasterelektronenmikroskopen aufgenommen wurden, können unter www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Rasterkraftmikroskope

Bildgebung im Nanomaßstab

Um zu „sehen“, wie die Oberfläche von Materialien im Nanomaßstab aussieht, haben Ingenieure eine Reihe von Geräten und Systemen entwickelt, um zu untersuchen, wie sich die Oberfläche eines Objekts verhält. Sie können viele Bilder in der Dartmouth Electron Microscope Facility unter www.dartmouth.edu/~emlab/gallery ansehen.

Rasterkraftmikroskope

Ein Rasterkraftmikroskop ist eine spezielle Art von Rastersondenmikroskop (SPM), das Informationen sammelt, indem eine Sonde verwendet wird, um die Oberfläche eines Objekts zu berühren oder darüber zu bewegen. Die Auflösung ist mit einem Bruchteil eines Nanometers sehr hoch. Das AFM wurde 1982 bei IBM erfunden und 1989 das erste kommerziell erhältliche Rasterkraftmikroskop vorgestellt. Das AFM bleibt eines der wichtigsten Werkzeuge zum Messen und Abbilden von allem im Nanomaßstab. Es kann ziemlich genau ein dreidimensionales Bild oder eine Topographie einer Probe entwickeln und hat viele Anwendungen. Wenn Sie sich vorstellen können, die Augen zu schließen und mit der Spitze eines Bleistifts herauszufinden, welcher Gegenstand sich in einer Schachtel befand, können Sie sich vorstellen, wie diese Art von Mikroskop funktioniert! Ein Vorteil eines Rasterkraftmikroskops besteht darin, dass es keine spezielle Umgebung benötigt und in einer durchschnittlichen Umgebung oder sogar in Flüssigkeiten gut funktioniert. Dies ermöglicht es, die Biologie auf Makromolekülebene zu erforschen oder sogar lebende Organismen zu überprüfen.

Internetverbindungen

• Rasterkraftmikroskopie
• Das virtuelle Mikroskop

Literatur-Empfehlungen

• Rastersondenmikroskopie: Das Labor auf der Spitze (Advanced Texts in Physics) (ISBN: 978-3642077371)
• Rastersondenmikroskopie (ISBN: 978-3662452394)

Aktivität schreiben

Schreiben Sie einen Aufsatz oder einen Absatz darüber, wie sich Fortschritte durch die Nanotechnologie auf das Gesundheitswesen und die Medizin ausgewirkt haben.

Anpassung an Curriculum Frameworks

Hinweis: Die Unterrichtspläne dieser Reihe richten sich nach einem oder mehreren der folgenden Standards:

• S. Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Wissenschaftsstandards der nächsten Generation (http://www.nextgenscience.org/)
• Standards der International Technology Education Association für technologische Kompetenz (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Nationaler Rat der Lehrer für Grundsätze und Standards der Mathematik für Schulmathematik (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Gemeinsame Kernzustandsstandards für Mathematik (http://www.corestandards.org/Math)
• Computer Science Teachers Association K-12 Standards für Informatik (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klassen K-4 (Alter 4-9)

INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind
• Verständnis für wissenschaftliche Forschung

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis der Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Eigenschaften von Objekten und Materialien
• Position und Bewegung von Objekten

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs

INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft und Technologie in lokalen Herausforderungen

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10-14)

INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind
• Verständnis für wissenschaftliche Forschung

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Eigenschaften und Veränderungen von Eigenschaften in Materie

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Aufgrund der Aktivitäten in den Klassen 5 bis 8 sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs
• Verständnis für Wissenschaft und Technologie

INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft und Technologie in der Gesellschaft 

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10-14)

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen
• Natur der Wissenschaft

Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)

INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten, die für wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sind
• Verständnis für wissenschaftliche Forschung

INHALTSSTANDARD B: Physikalische Wissenschaft

Als Ergebnis ihrer Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für

• Struktur und Eigenschaften der Materie

INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln

• Fähigkeiten des technologischen Designs
• Verständnis für Wissenschaft und Technologie

INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft und Technologie in lokalen, nationalen und globalen Herausforderungen

INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft

Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln

• Wissenschaft als menschliches Unterfangen
• Art der wissenschaftlichen Erkenntnisse
• Historische Perspektiven

 Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 2-5 (Alter 7-11)

Schüler, die Verständnis zeigen, können:

Materie und ihre Wechselwirkungen

• 5-PS1-1. Entwickeln Sie ein Modell, um zu beschreiben, dass Materie aus Teilchen besteht, die zu klein sind, um gesehen zu werden.
• 5-PS1-3. Machen Sie Beobachtungen und Messungen, um Materialien anhand ihrer Eigenschaften zu identifizieren. 

Standards für technologische Kompetenz - alle Altersgruppen 

Die Natur der Technologie

• Standard 1: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Eigenschaften und den Umfang der Technologie.
• Standard 2: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Kernkonzepte der Technologie.
• Standard 3: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Beziehungen zwischen Technologien und die Zusammenhänge zwischen Technologie und anderen Studienbereichen. 

Technologie und Gesellschaft

• Standard 4: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die kulturellen, sozialen, wirtschaftlichen und politischen Auswirkungen der Technologie.
• Standard 6: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle der Gesellschaft bei der Entwicklung und Nutzung von Technologie.
• Standard 7: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für den Einfluss der Technologie auf die Geschichte.

Fähigkeiten für eine technologische Welt

Standard 13: Die Schüler entwickeln Fähigkeiten zur Bewertung der Auswirkungen von Produkten und Systemen.

Versuchen Sie sich als Rastersondenmikroskop!

Forschungsphase

Lesen Sie die Materialien, die Ihnen Ihr Lehrer zur Verfügung gestellt hat. Wenn Sie Zugang zum Internet haben, sehen Sie sich auch das Tutorial auf dieser Website an: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Es wird die Funktionsweise der Rastersondenmikroskope veranschaulichen und Ihnen helfen zu verstehen, wie Sie eine ähnliche Aufgabe durch diese Übung ausführen.

Versuch es!

Jeder Schüler in Ihrem Team verwendet abwechselnd eine Bleistiftsonde, um die Form oder die Identifizierung eines Objekts in einer Schachtel zu bestimmen. Du kannst dir entweder die Augen verbinden oder ein Loch in eine Schachtel schneiden lassen, damit deine Hand und der Bleistift darin sein können, ohne dass du siehst, was sich in der Schachtel befindet.

Verwenden Sie nur die Spitze des Bleistifts, um den Inhalt oder die Oberfläche des Bodens der Schachtel zu untersuchen. Behalten Sie in Ihrem Kopf die Höhe der Objekte, die Sie wahrnehmen, ihre Form und Gesamtgröße im Auge.

Zeichnen Sie als Nächstes das, was Sie „gesehen“ haben, auf ein Blatt Papier – vielleicht möchten Sie eine Draufsicht und eine Seitenansicht in Betracht ziehen, um festzustellen, was sich in der Schachtel befindet.

Wenn jeder Schüler im Team die Untersuchung durchgeführt hat, arbeiten Sie zusammen und teilen Sie Ihre Zeichnungen und Meinungen zu dem, was in der Schachtel ist. Finden Sie im Team einen Konsens und entwickeln Sie eine endgültige Zeichnung, die die geschätzten Abmessungen des Objekts enthält

Präsentations- und Reflexionsphase

Präsentieren Sie der Klasse Ihre Ideen, Zeichnungen und Maße und hören Sie sich die Präsentationen der anderen Teams an. Sehen Sie, wie nahe Ihr Team oder die anderen Teams bei der Bestimmung der tatsächlichen Größe und Form waren. Füllen Sie dann den Reflexionsbogen aus.

Betrachtung

Vervollständigen Sie die folgenden Reflexionsfragen:

1. Wie genau war Ihr Team in Bezug auf die Form bei der Identifizierung des Objekts? Was hast du in der Kiste gefunden?

2. Wie genau war Ihr Team bei der Bestimmung der tatsächlichen Größe des Objekts in der Box?

3. Um wie viel Prozent wich Ihre Größenschätzung von der tatsächlichen Größe des Objekts in der Schachtel ab?

4. Glaubst du, dass die Zeit, die du gebraucht hast, um mit der Sonde in die Schachtel zu „sehen“, die Genauigkeit deiner Ergebnisse beeinflusst hat?

5. Dachten Sie, dass die Arbeit im Team dieses Projekt einfacher oder schwieriger macht? Wieso den?