Sea un microscopio de sonda de barrido

Materiales de Construcción (para cada equipo)

Materiales necesarios para el aula

• Caja con artículo pegado al fondo (regla, vaso de papel, ladrillo, fruta)
• Venda los ojos o haga un agujero en la caja para que los estudiantes puedan meter la mano y un lápiz dentro, sin ver lo que hay en la caja. 

Materiales necesarios para los equipos

• Papel
• Pluma
• Pencil
• Acceso a internet, opcional

Reto de Diseño

Ustedes son un equipo de ingenieros que tienen el desafío de usar una sonda de lápiz para “sentir” dos objetos diferentes dentro de una caja (sin ver los objetos). A continuación, dibujará lo que "vio" y, en equipo, se pondrá de acuerdo sobre cuál podría ser el objeto en la caja. Luego, los equipos desarrollan un dibujo detallado que muestra el objeto que acordó.

Criterios

• Debe usar un lápiz para "sentir" los objetos.
• No debe poder ver los objetos (ya sea una venda en los ojos o un agujero en la caja para que quepa una mano y un lápiz)

Limitaciones

• Utilizar solo los materiales proporcionados.

Tiempo necesario: una a dos sesiones de 45 minutos.

1. Divida la clase en equipos de 2-4.
2. Reparta la hoja de trabajo Be a Scanning Probe Microscope.
3. Analice los temas de la sección Conceptos básicos. Pida a los estudiantes que consideren cómo miden los ingenieros la superficie de cosas que son demasiado pequeñas para verlas. Si hay Internet disponible, comparta The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Revise el Proceso de Diseño de Ingeniería, el Desafío de Diseño, los Criterios, las Limitaciones y los Materiales.
5. Proporcione a cada equipo sus materiales.
6. Explique que los estudiantes deben usar un lápiz para "sentir" dos objetos diferentes dentro de una caja (con los ojos vendados). A continuación, dibujarán lo que “vieron” y, en equipo, acordarán cuál podría ser el objeto de la caja. Finalmente, los equipos desarrollan un dibujo detallado que muestra el objeto que acordaron.
7. Anuncie la cantidad de tiempo que tienen para completar la actividad (se recomienda 1 hora).
8. Utilice un temporizador o un cronómetro en línea (función de cuenta atrás) para asegurarse de mantener el tiempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dé a los estudiantes “avisos de tiempo” regulares para que se mantengan concentrados. Si tienen dificultades, hágales preguntas que los llevarán a una solución más rápido.
9. Indique a los estudiantes que hagan lo siguiente:
   • Cada estudiante del equipo se turna usando una sonda de lápiz para determinar la forma para identificar los objetos en una caja. Puede que le vendan los ojos o le hagan un agujero en una caja para que su mano y el lápiz puedan estar adentro sin que usted vea lo que hay en la caja.
   • Use solo la punta del lápiz para examinar el contenido o el área de la superficie del fondo de la caja.
   • En su mente, lleve un registro de la altura de los objetos que percibe, su forma y tamaño total.
   • A continuación, dibuje lo que "vio" en una hoja de papel; es posible que desee considerar una vista superior y lateral para ayudar a determinar lo que hay en la caja.
   • Cuando cada alumno del equipo haya realizado la investigación, trabajen juntos y compartan sus dibujos y opiniones de lo que hay en la caja. Llegue a un consenso como equipo y desarrolle un dibujo final que incluya medidas estimadas del objeto.
10. Los equipos presentan sus ideas, dibujos y medidas a la clase y escuchan las presentaciones de los otros equipos. Deben comparar qué tan cerca estuvo su equipo para determinar el tamaño y la forma reales.
11. Como clase, discuta las preguntas de reflexión de los estudiantes.
12. Para obtener más contenido sobre el tema, consulte la sección "Explora Más."

Actividad de extensión opcional

Haga que los estudiantes reflejen lo que “sienten” en la caja con una mano, dibujando simultáneamente en el papel con la otra mano.

Reflexión Estudiantil (cuaderno de ingeniería)

1. ¿Qué tan preciso en términos de forma fue su equipo al identificar el objeto? ¿Qué encontraste en la caja?
2. ¿Qué tan preciso fue su equipo al determinar el tamaño real del objeto en la caja?
3. ¿En qué porcentaje se diferencia el tamaño estimado del tamaño real del objeto en la caja?
4. ¿Cree que la cantidad de tiempo que tardó en "ver" el interior de la caja con la sonda afectó la precisión de sus hallazgos?
5. ¿Pensaste que trabajar en equipo facilitaba o dificultaba este proyecto? ¿Por qué?

La lección se puede realizar en tan solo 1 período de clase para estudiantes mayores. Sin embargo, para ayudar a los estudiantes a no sentirse apresurados y asegurar el éxito de los estudiantes (especialmente para los estudiantes más jóvenes), divida la lección en dos períodos para que los estudiantes tengan más tiempo para intercambiar ideas, probar ideas y finalizar su diseño. Realice las pruebas y el informe en el próximo período de clases.

¿Qué es la nanotecnología?

Imagínese poder observar el movimiento de un glóbulo rojo a medida que se mueve por su vena. ¿Cómo sería observar los átomos de sodio y cloro a medida que se acercan lo suficiente como para transferir electrones y formar un cristal de sal u observar la vibración de las moléculas a medida que aumenta la temperatura en un recipiente con agua? Debido a las herramientas o 'alcances' que se han desarrollado y mejorado durante las últimas décadas, podemos observar situaciones como muchos de los ejemplos al comienzo de este párrafo. Esta capacidad de observar, medir e incluso manipular materiales a escala molecular o atómica se denomina nanotecnología o nanociencia. Si tenemos un “algo” nano, tenemos una mil millonésima parte de ese algo. Los científicos e ingenieros aplican el prefijo nano a muchos "algo", incluidos metros de longitud, segundos (tiempo), litros (volumen) y gramos (masa) para representar lo que, comprensiblemente, es una cantidad muy pequeña. La mayoría de las veces, nano se aplica a la escala de longitud y medimos y hablamos de nanómetros (nm). Los átomos individuales tienen menos de 1 nm de diámetro, y se necesitan aproximadamente 10 átomos de hidrógeno seguidos para crear una línea de 1 nm de longitud. Otros átomos son más grandes que el hidrógeno, pero aún tienen diámetros inferiores a un nanómetro. Un virus típico tiene aproximadamente 100 nm de diámetro y una bacteria mide aproximadamente 1000 nm de la cabeza a la cola. Las herramientas que nos han permitido observar el mundo previamente invisible de la nanoescala son el Microscopio de Fuerza Atómica y el Microscopio Electrónico de Barrido.

¿Qué tan grande es pequeño?

Puede ser difícil visualizar qué tan pequeñas son las cosas a nanoescala. El siguiente ejercicio puede ayudarlo a visualizar lo grande que puede ser lo pequeño. Considere una bola de boliche, una bola de billar, una pelota de tenis, una pelota de golf, una canica y un guisante. Piense en el tamaño relativo de estos artículos.

Microscopio Electrónico de Barrido

El microscopio electrónico de barrido es un tipo especial de microscopio electrónico que crea imágenes de la superficie de una muestra barriéndola con un haz de electrones de alta energía en un patrón de barrido de trama. En un escaneo de trama, una imagen se corta en una secuencia de tiras (generalmente horizontales) conocidas como "líneas de escaneo". Los electrones interactúan con los átomos que componen la muestra y producen señales que proporcionan datos sobre la forma y composición de la superficie e incluso si puede conducir electricidad. Muchas imágenes tomadas con microscopios electrónicos de barrido pueden verse en www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Microscopios de fuerza atómica

Imágenes a nanoescala

Para "ver" cómo se ve la superficie de los materiales a nanoescala, los ingenieros han desarrollado una gama de dispositivos y sistemas para explorar cómo se comporta la superficie de un objeto. Puede ver muchas imágenes en Dartmouth Electron Microscope Facility en www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Microscopios de fuerza atómica

Un microscopio de fuerza atómica es un tipo especial de microscopio de sonda de barrido (SPM), que recopila información mediante el uso de una sonda para tocar o moverse sobre la superficie de un sujeto. La resolución es muy alta, a una fracción de nanómetro. El AFM se inventó en 1982 en IBM y el primer microscopio de fuerza atómica disponible comercialmente se introdujo en 1989. El AFM sigue siendo una de las herramientas más importantes para medir y obtener imágenes de cualquier cosa a nanoescala. Puede desarrollar con bastante precisión una imagen o topografía tridimensional de una muestra y tiene muchas aplicaciones. Si puedes imaginarte cerrando los ojos y usando la punta de un lápiz para averiguar qué objeto había en una caja, ¡puedes imaginar cómo funciona este tipo de microscopio! Una ventaja de un microscopio de fuerza atómica es que no requiere un entorno especial y funciona bien en un entorno medio, o incluso en líquido. Esto hace posible explorar la biología a nivel de macromoléculas, o incluso revisar organismos vivos.

Enlaces a Internet

• Fuerza atómica microscópica
• El microscopio virtual

Lectura Recomendada

• Microscopía de sonda de barrido: El laboratorio en una punta (Textos avanzados en física) (ISBN: 978-3642077371)
• Microscopía de sonda de barrido (ISBN: 978-3662452394)

Actividad de Escritura

Escriba un ensayo o un párrafo sobre cómo los avances a través de la nanotecnología han impactado el campo de la salud y la medicina.

Alineación con los marcos curriculares

Nota: Los planes de lecciones de esta serie están alineados con uno o más de los siguientes conjuntos de estándares:

• S. Estándares de educación científica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Estándares de ciencias de la próxima generación (http://www.nextgenscience.org/)
• Estándares de Alfabetización Tecnológica de la Asociación Internacional de Educación Tecnológica (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Principios y estándares para las matemáticas escolares del Consejo Nacional de Maestros de Matemáticas (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Estándares Estatales Básicos Comunes para Matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
• Estándares de Informática de la Asociación de Maestros de Ciencias de la Computación K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Estándares Nacionales de Educación Científica Grados K-4 (edades 4-9)

ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
• Comprensión de la investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de

• Propiedades de objetos y materiales
• Posición y movimiento de objetos

ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades de diseño tecnológico

ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• Ciencia y tecnología en desafíos locales

ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• La ciencia como esfuerzo humano

Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (10-14 años)

ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
• Comprensión de la investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas

Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar una comprensión de

• Propiedades y cambios de propiedades en la materia.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología

Como resultado de las actividades en los grados 5-8, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades de diseño tecnológico
• Comprensión de ciencia y tecnología.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• Ciencia y tecnología en la sociedad 

Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 5-8 (10-14 años)

ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• La ciencia como esfuerzo humano
• Naturaleza de la ciencia

Estándares Nacionales de Educación Científica Grados 9-12 (14-18 años)

ESTÁNDAR A DE CONTENIDO: La ciencia como investigación

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades necesarias para realizar investigaciones científicas.
• Comprensión de la investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTENIDO B: Ciencias Físicas

Como resultado de sus actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• Estructura y propiedades de la materia.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO E: Ciencia y Tecnología

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar

• Habilidades de diseño tecnológico
• Comprensión de ciencia y tecnología.

ESTÁNDAR DE CONTENIDO F: La ciencia en perspectivas personales y sociales

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• Ciencia y tecnología en desafíos locales, nacionales y globales

ESTÁNDAR DE CONTENIDO G: Historia y naturaleza de la ciencia

Como resultado de las actividades, todos los estudiantes deben desarrollar la comprensión de

• La ciencia como esfuerzo humano
• Naturaleza del conocimiento científico
• Perspectivas historicas

 Estándares de Ciencias de la Próxima Generación Grados 2-5 (Edades 7-11)

Los estudiantes que demuestren comprensión pueden:

Materia y sus interacciones

• 5-PS1-1. Desarrolle un modelo para describir que la materia está hecha de partículas demasiado pequeñas para ser vistas.
• 5-PS1-3. Realice observaciones y mediciones para identificar materiales en función de sus propiedades. 

Estándares de alfabetización tecnológica: todas las edades 

La naturaleza de la tecnología

• Estándar 1: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las características y el alcance de la tecnología.
• Estándar 2: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los conceptos básicos de la tecnología.
• Estándar 3: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de las relaciones entre las tecnologías y las conexiones entre la tecnología y otros campos de estudio. 

Tecnología y Sociedad

• Estándar 4: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de los efectos culturales, sociales, económicos y políticos de la tecnología.
• Estándar 6: Los estudiantes desarrollarán una comprensión del papel de la sociedad en el desarrollo y uso de la tecnología.
• Estándar 7: Los estudiantes desarrollarán una comprensión de la influencia de la tecnología en la historia.

Habilidades para un mundo tecnológico

Estándar 13: Los estudiantes desarrollarán habilidades para evaluar el impacto de productos y sistemas.

¡Intente ser un microscopio de sonda de barrido!

Fase de investigación

Lea los materiales que le proporcionó su maestro. Si tiene acceso a Internet, vea también el tutorial en este sitio web: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Ilustrará cómo funcionan los microscopios de sonda de exploración y le ayudará a comprender cómo realizará una tarea similar a través de esta actividad.

¡Pruébalo!

Cada estudiante de su equipo se turnará para usar una sonda de lápiz para determinar la forma o la identificación de un objeto en una caja. Puede que le vendan los ojos o le hagan un agujero en una caja para que su mano y el lápiz puedan estar adentro sin que usted vea lo que hay en la caja.

Use solo la punta del lápiz para examinar el contenido o el área de la superficie del fondo de la caja. En su mente, lleve un registro de la altura de los objetos que percibe, su forma y tamaño total.

A continuación, dibuje lo que "vio" en una hoja de papel; es posible que desee considerar una vista superior y lateral para ayudar a determinar lo que hay en la caja.

Cuando cada alumno del equipo haya realizado la investigación, trabajen juntos y compartan sus dibujos y opiniones de lo que hay en la caja. Llegue a un consenso como equipo y desarrolle un dibujo final que incluya medidas estimadas del objeto

Fase de presentación y reflexión

Presente sus ideas, dibujos y medidas a la clase y escuche las presentaciones de los otros equipos. Vea qué tan cerca estaban su equipo, o los otros equipos, para determinar el tamaño y la forma reales. Luego completa la hoja de reflexión.

Reflexión

Complete las preguntas de reflexión a continuación:

1. ¿Qué tan preciso en términos de forma fue su equipo al identificar el objeto? ¿Qué encontraste en la caja?

2. ¿Qué tan preciso fue su equipo al determinar el tamaño real del objeto en la caja?

3. ¿En qué porcentaje se diferencia el tamaño estimado del tamaño real del objeto en la caja?

4. ¿Cree que la cantidad de tiempo que tardó en "ver" el interior de la caja con la sonda afectó la precisión de sus hallazgos?

5. ¿Pensaste que trabajar en equipo facilitaba o dificultaba este proyecto? ¿Por qué?