Sexa un microscopio de exploración

Construír materiais (para cada equipo)

Material necesario para a aula

• Caixa con elemento pegado ao fondo (regra, vaso de papel, ladrillo, peza de froita)
• Venda os ollos ou fai un burato na caixa para que os estudantes poidan meter a man e un lapis dentro, sen ver o que hai na caixa. 

Materiais necesarios para os equipos

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

Deseño Challenge

Sodes un equipo de enxeñeiros co reto de usar unha sonda de lapis para "sentir" dous obxectos diferentes dentro dunha caixa (sen ver os obxectos). A continuación, debuxarás o que "viches" e acordarás en equipo cal pode ser o obxecto da caixa. Despois, os equipos elaboran un debuxo detallado que mostra o obxecto no que acordaches.

Criterios

• Debe usar un lapis para "sentir" os obxectos.
• Non debe ser capaz de ver os obxectos (xa sexa unha venda dos ollos ou un burato cortado na caixa para caber unha man e un lapis)

Restriccións

• Use só os materiais proporcionados.

Tempo necesario: Unha ou dúas sesións de 45 minutos.

1. Break clase en equipos de 2-4.
2. Reparte a folla de traballo Be a Scanning Probe Microscope.
3. Discuta os temas na sección Conceptos de antecedentes. Pídalles aos estudantes que consideren como os enxeñeiros miden a superficie das cousas que son demasiado pequenas para verse. Se Internet está dispoñible, comparta The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Revise o proceso de deseño de enxeñaría, o desafío de deseño, os criterios, as restricións e os materiais.
5. Proporcionar a cada equipo os seus materiais.
6. Explique que os alumnos deben usar un lapis para “sentir” dous obxectos diferentes dentro dunha caixa (cos ollos vendados). A continuación, debuxarán o que "viron" e acordarán en equipo cal pode ser o obxecto da caixa. Finalmente, os equipos elaboran un debuxo detallado no que se mostra o obxecto que acordaron.
7. Anunciar o tempo que teñen para realizar a actividade (recoméndase 1 hora).
8. Use un temporizador ou un cronómetro en liña (función de conta atrás) para asegurarse de manter o tempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dálles aos estudantes "controis de tempo" regulares para que poidan seguir a tarefa. Se están loitando, faga preguntas que os leven a unha solución máis rápido.
9. Instruír aos estudantes a facer o seguinte:
   • Cada alumno do equipo tórnase usando unha sonda de lapis para determinar a forma para identificar os obxectos nunha caixa. Podes ter os ollos vendados ou facer un burato nunha caixa para que a túa man e o lapis poidan estar dentro sen que vexas o que hai na caixa.
   • Use só a punta do lapis para examinar o contido ou a superficie da parte inferior da caixa.
   • Na túa mente, fai un seguimento da altura dos obxectos que percibes, da súa forma e do tamaño total.
   • A continuación, debuxa o que "viches" nun anaco de papel; quizais queiras considerar unha vista superior e lateral para axudar a determinar o que hai na caixa.
   • Cando cada alumno do equipo teña feito a investigación, traballen xuntos e compartan os seus debuxos e opinións sobre o que hai na caixa. Chegar a un consenso en equipo e elaborar un debuxo final que inclúa medidas estimadas do obxecto.
10. Os equipos presentan as súas ideas, debuxos e medidas á clase e escoitan as presentacións dos outros equipos. Deberían comparar o preto que estivo o seu equipo para determinar o tamaño e a forma reais.
11. Como clase, debate sobre as preguntas de reflexión do alumno.
12. Para obter máis contido sobre o tema, consulte a sección "Máis profundo".

Actividade de extensión opcional

Fai que os estudantes espellen o que "senten" no cadro cunha man, debuxando simultaneamente en papel coa outra man.

Reflexión do estudante (caderno de enxeñaría)

1. Que precisión foi o teu equipo en canto á forma á hora de identificar o obxecto? Que atopaches na caixa?
2. Que precisión foi o teu equipo ao determinar o tamaño real do obxecto da caixa?
3. ¿En que porcentaxe foi o teu tamaño estimado fóra do tamaño real do obxecto da caixa?
4. Cres que o tempo que tardaches en "ver" dentro da caixa coa sonda influíu na precisión dos teus descubrimentos?
5. Pensabas que traballar en equipo facía máis doado ou difícil este proxecto? Por que?

A lección pódese facer en tan só 1 período de clase para estudantes maiores. Non obstante, para evitar que os estudantes se sintan apresurados e para garantir o éxito dos estudantes (especialmente para os máis novos), divida a lección en dous períodos dándolle aos estudantes máis tempo para facer unha pluja de ideas, probar ideas e finalizar o seu deseño. Realice as probas e o resumo no seguinte período de clases.

Que é a nanotecnoloxía?

Imaxina que podes observar o movemento dun glóbulo vermello mentres se move pola túa vea. Como sería observar os átomos de sodio e cloro mentres se achegan o suficiente para transferir electróns e formar un cristal de sal ou observar a vibración das moléculas a medida que a temperatura aumenta nunha pota de auga? Debido ás ferramentas ou 'ámbitos' que se desenvolveron e melloraron ao longo das últimas décadas, podemos observar situacións como moitos dos exemplos do inicio deste parágrafo. Esta capacidade de observar, medir e mesmo manipular materiais a escala molecular ou atómica chámase nanotecnoloxía ou nanociencia. Se temos un nano "algo" temos a mil millonésima parte dese algo. Os científicos e enxeñeiros aplican o prefixo nano a moitos "algo", incluíndo metros de lonxitude), segundos (tempo), litros (volume) e gramos (masa) para representar o que é comprensiblemente unha cantidade moi pequena. A maioría das veces nano aplícase á escala de lonxitude e medimos e falamos de nanómetros (nm). Os átomos individuais miden menos de 1 nm de diámetro, polo que leva uns 10 átomos de hidróxeno seguidos para crear unha liña de 1 nm de lonxitude. Outros átomos son máis grandes que o hidróxeno pero aínda teñen diámetros inferiores a un nanómetro. Un virus típico ten uns 100 nm de diámetro e unha bacteria ten uns 1000 nm de cabeza a cola. As ferramentas que nos permitiron observar o mundo antes invisible da nanoescala son o microscopio de forza atómica e o microscopio electrónico de varrido.

Que grande é pequeno?

Pode ser difícil visualizar o pequenas cousas a escala nanométrica. O seguinte exercicio pode axudarche a ver o grande que pode ser o pequeno. Considere unha bola de bolos, unha bola de billar, unha pelota de tenis, unha pelota de golf, un mármore e un chícharo. Pense no tamaño relativo destes elementos.

Microscopio electrónico de varrido

O microscopio electrónico de barrido é un tipo especial de microscopio electrónico que crea imaxes dunha superficie de mostra dixitalizándoo cun feixe de electróns de alta enerxía nun patrón de barrido ráster. Nunha exploración raster, unha imaxe córtase nunha secuencia de tiras (normalmente horizontais) coñecidas como "liñas de dixitalización". Os electróns interactúan cos átomos que forman a mostra e producen sinais que proporcionan datos sobre a forma, a composición da superficie e incluso se pode conducir electricidade. Pódense ver moitas imaxes tomadas con microscopios electrónicos de varrido www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Microscopios de forza atómica

Imaxe a escala nano

Para "ver" como é a superficie dos materiais a nanoescala, os enxeñeiros desenvolveron unha serie de dispositivos e sistemas para explorar como se comporta a superficie dun obxecto. Podes ver moitas imaxes en Dartmouth Electron Microscope Facility en www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Microscopios de forza atómica

Un microscopio de forza atómica é un tipo especial de microscopio de sonda de varrido (SPM), que recolle información usando unha sonda para tocar ou moverse sobre a superficie dun suxeito. A resolución é moi alta, nunha fracción de nanómetro. O AFM foi inventado en 1982 en IBM e o primeiro microscopio de forza atómica dispoñible comercialmente foi introducido en 1989. O AFM segue sendo unha das ferramentas máis importantes para medir e obter imaxes de calquera cousa a nanoescala. Pode desenvolver con bastante precisión unha imaxe tridimensional ou topografía dunha mostra e ten moitas aplicacións. Se podes imaxinar pechar os ollos e usar a punta dun lapis para descubrir que obxecto había nunha caixa, podes imaxinar como funciona este tipo de microscopio! Unha vantaxe dun microscopio de forza atómica é que non require un entorno especial e funciona ben nun ambiente medio, ou mesmo en líquido. Isto fai posible explorar a bioloxía a nivel de macromoléculas, ou mesmo revisar organismos vivos.

Conexións a Internet

• Microscopia de forza atómica
• O microscopio virtual

Lectura recomendada

• Microscopía con sonda de exploración: o laboratorio nunha punta (textos avanzados en física) (ISBN: 978-3642077371)
• Microscopía con sonda de exploración (ISBN: 978-3662452394)

Actividade escrita

Escribe un ensaio ou un parágrafo sobre como os avances da nanotecnoloxía afectaron o campo da saúde e a medicina.

Aliñación aos marcos curriculares

Nota: Os plans de lección desta serie están aliñados a un ou máis dos seguintes conxuntos de estándares:

• S. Normas de educación científica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Estándares científicos de próxima xeración (http://www.nextgenscience.org/)
• Normas de alfabetización tecnolóxica da International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Principios e estándares para as matemáticas escolares do Consello Nacional de Profesores de Matemáticas (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Normas básicas comúns estatais para matemáticas (http://www.corestandards.org/Math)
• Asociación de Profesores de Informática K-12 Normas de Informática (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Normas nacionais de educación científica Graos K-4 (idades 4-9)

ESTÁNDAR DE CONTIDO A: a ciencia como investigación

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades necesarias para facer investigación científica
• Comprensión sobre a investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTIDO B: Ciencia Física

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• Propiedades de obxectos e materiais
• Posición e movemento dos obxectos

ESTÁNDAR DE CONTIDO E: Ciencia e Tecnoloxía

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades de deseño tecnolóxico

ESTÁNDAR DE CONTIDO F: Ciencia en perspectivas persoais e sociais

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• Ciencia e tecnoloxía nos retos locais

ESTÁNDAR DE CONTIDO G: Historia e natureza da ciencia

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• A ciencia como un esforzo humano

Normas nacionais de educación científica 5-8 anos (10-14 anos)

ESTÁNDAR DE CONTIDO A: a ciencia como investigación

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades necesarias para facer investigación científica
• Comprensión sobre a investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTIDO B: Ciencia Física

Como resultado das súas actividades, todos os estudantes deben comprender

• Propiedades e cambios de propiedades na materia

ESTÁNDAR DE CONTIDO E: Ciencia e Tecnoloxía

Como resultado das actividades dos 5-8 graos, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades de deseño tecnolóxico
• Comprensión sobre ciencia e tecnoloxía

ESTÁNDAR DE CONTIDO F: Ciencia en perspectivas persoais e sociais

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• Ciencia e tecnoloxía na sociedade 

Normas nacionais de educación científica 5-8 anos (10-14 anos)

ESTÁNDAR DE CONTIDO G: Historia e natureza da ciencia

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• A ciencia como un esforzo humano
• Natureza da ciencia

Normas nacionais de educación científica 9-12 anos (14-18 anos)

ESTÁNDAR DE CONTIDO A: a ciencia como investigación

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades necesarias para facer investigación científica
• Comprensión sobre a investigación científica

ESTÁNDAR DE CONTIDO B: Ciencia Física

Como resultado das súas actividades, todos os estudantes deben comprender

• Estrutura e propiedades da materia

ESTÁNDAR DE CONTIDO E: Ciencia e Tecnoloxía

Como resultado das actividades, todos os estudantes deberían desenvolverse

• Capacidades de deseño tecnolóxico
• Comprensión sobre ciencia e tecnoloxía

ESTÁNDAR DE CONTIDO F: Ciencia en perspectivas persoais e sociais

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• Ciencia e tecnoloxía nos retos locais, nacionais e globais

ESTÁNDAR DE CONTIDO G: Historia e natureza da ciencia

Como resultado das actividades, todos os estudantes deben comprender

• A ciencia como un esforzo humano
• Natureza do coñecemento científico
• Perspectivas históricas

 Estándares científicos de próxima xeración de 2o a 5o (idades 7-11)

Os estudantes que demostren comprensión poden:

A materia e as súas interaccións

• 5-PS1-1. Desenvolve un modelo para describir que a materia está feita de partículas demasiado pequenas para ser vistas.
• 5-PS1-3. Realiza observacións e medidas para identificar materiais en función das súas propiedades. 

Normas para a alfabetización tecnolóxica - Todas as idades 

A natureza da tecnoloxía

• Norma 1: os estudantes desenvolverán unha comprensión das características e alcance da tecnoloxía.
• Estándar 2: os estudantes desenvolverán unha comprensión dos conceptos fundamentais da tecnoloxía.
• Estándar 3: os estudantes desenvolverán unha comprensión das relacións entre as tecnoloxías e as conexións entre a tecnoloxía e outros campos de estudo. 

Tecnoloxía e Sociedade

• Estándar 4: os estudantes desenvolverán unha comprensión dos efectos culturais, sociais, económicos e políticos da tecnoloxía.
• Norma 6: os estudantes desenvolverán unha comprensión do papel da sociedade no desenvolvemento e uso da tecnoloxía.
• Estándar 7: os estudantes desenvolverán unha comprensión da influencia da tecnoloxía na historia.

Habilidades para un mundo tecnolóxico

Norma 13: os estudantes desenvolverán habilidades para avaliar o impacto de produtos e sistemas.

Proba a túa man a ser un microscopio de sonda de dixitalización!

Fase de investigación

Le os materiais que che proporciona o teu profesor. Se tes acceso a internet, consulta tamén o titorial neste sitio web: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Ilustrará como funcionan os microscopios con sonda de varrido e axudarache a comprender como realizarás unha tarefa similar a través desta actividade.

Próbao!

Cada alumno do teu equipo por quendas utilizará unha sonda de lapis para determinar a forma ou identificar un obxecto nunha caixa. Podes ter os ollos vendados ou facer un burato nunha caixa para que a túa man e o lapis poidan estar dentro sen que vexas o que hai na caixa.

Use só a punta do lapis para examinar o contido ou a superficie da parte inferior da caixa. Na túa mente, fai un seguimento da altura dos obxectos que percibes, da súa forma e do tamaño total.

A continuación, debuxa o que "viches" nun anaco de papel; quizais queiras considerar unha vista superior e lateral para axudar a determinar o que hai na caixa.

Cando cada alumno do equipo teña feito a investigación, traballen xuntos e compartan os seus debuxos e opinións sobre o que hai na caixa. Chegar a un consenso en equipo e elaborar un debuxo final que inclúa medidas estimadas do obxecto

Fase de presentación e reflexión

Presenta as túas ideas, debuxos e medidas á clase e escoita as presentacións dos demais equipos. Vexa o preto que estaban o seu equipo ou os outros equipos para determinar o tamaño e a forma reais. Despois completa a ficha de reflexión.

Reflexión

Completa as preguntas de reflexión a continuación:

1. Que precisión foi o teu equipo en canto á forma á hora de identificar o obxecto? Que atopaches na caixa?

2. Que precisión foi o teu equipo ao determinar o tamaño real do obxecto da caixa?

3. ¿En que porcentaxe foi o teu tamaño estimado fóra do tamaño real do obxecto da caixa?

4. Cres que o tempo que tardaches en "ver" dentro da caixa coa sonda influíu na precisión dos teus descubrimentos?

5. Pensabas que traballar en equipo facía máis doado ou difícil este proxecto? Por que?