Moć Graphena
Ova se lekcija usredotočuje na grafen i njegova električna svojstva i primjenu. Studenti rade u timovima kako bi pretpostavili, a zatim ispitali je li grafen električni vodič ili izolator. Oni grade jednostavan sklop koristeći svakodnevne predmete, a uzorak grafena izrađuju pomoću mekih olovaka na papiru.
- Doznajte o nanotehnologiji.
- Saznajte o grafenu.
- Saznajte o krugovima, izolatorima i vodičima.
- Saznajte kako inženjerstvo može pomoći u rješavanju društvenih izazova.
- Saznajte više o timskom radu i rješavanju problema.
Starosne razine: 8 - 18
Građevinski materijali (za svaki tim)
Potrebni materijali
- Olovke
- Papir
- LED svjetla
- Otpornik od 330 ohma (kako bi se spriječilo izgaranje LED svjetla)
- Izolirani konektori
- 9-voltna baterija
- Izolacijske rukavice
Materijali za ispitivanje
- Koristite građevinske materijale
Materijali
- Koristite građevinske materijale.
Postupak
Uputite studente da razmotre svoj izazov i kao tim teoretiziraju misle li da bi grafen vodio ili izolirao električnu struju. Trebali bi dokumentirati svoje hipoteze.
Timovi testiraju svoje hipoteze postavljanjem jednostavnog kruga pomoću konektora, LED žarulje, baterije i drugih materijala. Prvo će stvoriti radni krug i provjeriti mogu li upaliti žarulju. Zatim bi trebali prilagoditi svoj krug tako da struja mora teći kroz papir na kojem su utrljane oznake olovke. (Uputite studente da NE spajaju konektore na olovku koja je još uvijek u olovci.) Studenti zatim svoje hipoteze uspoređuju sa stvarnim rezultatima.
Obavijest o sigurnosti
Učenici NIKADA ne bi trebali pokušavati provući električnu struju kroz olovku jer to može dovesti do zapaljenja drva; ovu bi aktivnost učitelji trebali nadgledati cijelo vrijeme. Studenti bi trebali nositi izolacijske rukavice prilikom rukovanja kopčama konektora i zadnji pričvrstiti bateriju.
Dizajn Challenge
Vi ste tim inženjera kojem je izazov naučiti o snazi grafena izgradnjom jednostavnog strujnog kruga pomoću LED svjetla, baterije i otpornika.
Kriteriji
- Krug mora koristiti LED svjetlo, bateriju i otpornik
- Ispitajte grafen na papiru
ograničenja
- Koristite samo isporučene materijale.
- Razbijte razred u timove od 3-4.
- Podijelite radni list Moć grafena, kao i neke listove papira za skiciranje dizajna.
- Raspravite o temama u odjeljku Pozadine. Razmislite o tome da upitate studente što znaju o izolatorima i vodičima i misle li da bi se grafen ponašao na bilo koji način.
- Pregledajte postupak tehničkog dizajna, izazov dizajna, kriterije, ograničenja i materijale.
- Osigurajte svakom timu svoje materijale.
- Objasnite da studenti moraju izgraditi radni krug pomoću LED svjetla, baterije i otpornika, a zatim testirati grafen na papiru kako bi provjerili dovršava li krug.
- Najavite koliko im vremena treba za izgradnju i testiranje strujnog kruga (preporučuje se 1 sat).
- Upotrijebite tajmer ili internetsku štopericu (značajka odbrojavanja) kako biste osigurali da budete na vremenu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dajte učenicima redovite "vremenske provjere" kako bi ostali na zadatku. Ako se muče, postavljajte pitanja koja će ih brže dovesti do rješenja.
- Uputite studente da razmotre svoj izazov i kao tim teoretiziraju misle li da bi grafen vodio ili izolirao električnu struju. Trebali bi dokumentirati svoje hipoteze.
- Timovi testiraju svoje hipoteze postavljanjem jednostavnog kruga pomoću konektora, LED žarulje, baterije i drugih materijala. Prvo će stvoriti radni krug i provjeriti mogu li upaliti žarulju. Zatim bi trebali prilagoditi svoj krug tako da struja mora teći kroz papir na kojem su utrljane oznake olovke. (Uputite studente da NE spajaju konektore na olovku koja je još uvijek u olovci.) Studenti zatim svoje hipoteze uspoređuju sa stvarnim rezultatima. Ako želite, studentima možete dati i druge predmete da provjere jesu li vodiči ili izolatori.
- Kao razred razgovarajte o pitanjima za razmišljanje učenika.
- Za više sadržaja o toj temi, pogledajte odjeljak "Dublje kopanje".
Ideja za produženje
Na temelju rezultata ispitivanja, zamolite timove da razmisle kako bi se grafen mogao koristiti za revoluciju proizvoda. Trebali bi razmotriti koliko je materijal lagan i fleksibilan te pripremiti kratku prezentaciju razredu o tome kako grafen može poboljšati proizvod ili omogućiti da ga se smanji.
Refleksija učenika (inženjerska bilježnica)
- Koliko je vaša hipoteza bila točna u odnosu na ono što se dogodilo?
- Što vas je iznenadilo u onome što ste vidjeli?
- Koja vam je nova aplikacija za grafen koju je predstavio tim u vašoj učionici bila najzanimljivija? Zašto?
- Mislite li da inženjeri moraju pratiti što se događa u istraživanjima kako bi poboljšali postojeće proizvode ili metode?
- Kada se proizvod poboljšava na temelju novih istraživanja ili materijala, što mislite tko bi trebao biti zaslužan ili kompenziran za poboljšani proizvod?
- Jeste li mislili da je timski rad ovaj projekt učinio lakšim ili težim? Zašto?
Izmjena vremena
Lekcija se može izvoditi za samo 1 sat za starije učenike. Međutim, kako biste učenicima pomogli da se osjećaju požurjeno i kako bi osigurali uspjeh učenika (posebno za mlađe učenike), podijelite lekciju u dva razdoblja dajući studentima više vremena za mozganje, testiranje ideja i doradu njihovog dizajna. Provedite testiranje i izvođenje u slijedećem razrednom terminu.
Što je nanotehnologija?
Zamislite da možete promatrati kretanje crvenih krvnih stanica dok se kreće vašom venom. Kako bi bilo promatrati atome natrija i klora kad se približe dovoljno da zapravo prenesu elektrone i tvore kristal soli ili promatraju vibracije molekula kako temperatura raste u posudi s vodom? Zbog alata ili 'opsega' koji su razvijeni i poboljšani tijekom posljednjih nekoliko desetljeća možemo promatrati situacije poput mnogih primjera na početku ovog odlomka. Ta sposobnost promatranja, mjerenja i čak manipuliranja materijalima na molekularnoj ili atomskoj ljestvici naziva se nanotehnologija ili nanoznanost. Ako imamo nano "nešto", imamo milijardu tog nečega. Znanstvenici i inženjeri primjenjuju nano prefiks na mnoštvo "nečega", uključujući metre (duljinu), sekunde (vrijeme), litre (volumen) i grame (masa) kako bi predstavili ono što je razumljivo vrlo mala količina. Najčešće se nano primjenjuje na skalu duljine i mjerimo i razgovaramo o nanometrima (nm). Pojedinačni atomi su promjera manjeg od 1 nm, a potrebno je oko 10 atoma vodika u nizu da se stvori linija duljine 1 nm. Ostali su atomi veći od vodika, ali imaju promjere manje od nanometra. Tipični virus je promjera oko 100 nm, a bakterija oko 1000 nm od glave do repa. Alati koji su nam omogućili promatranje prethodno nevidljivog svijeta nanorazmjera su mikroskop atomske sile i elektronski mikroskop koji skenira.
Koliko je velik mali?
Može biti teško predočiti koliko su male stvari na nanomjeru. Sljedeća vježba može vam pomoći da zamislite koliko mali mogu biti! Razmotrite kuglanu, bilijar, tenisku, golf loptu, mramor i grašak. Razmislite o relativnoj veličini ovih predmeta.
Skenirajući elektronski mikroskop
Skenirajući elektronski mikroskop posebna je vrsta elektronskog mikroskopa koji stvara slike površine uzorka skenirajući je visokoenergetskom zrakom elektrona u rasterskom uzorku skeniranja. U rasterskom skeniranju slika se izreže u niz (obično vodoravnih) traka poznatih kao "crte skeniranja". Elektroni komuniciraju s atomima koji čine uzorak i proizvode signale koji pružaju podatke o obliku, sastavu površine, pa čak i može li provoditi električnu energiju. Mnoge slike snimljene skenirajućim elektronskim mikroskopima možda se mogu pogledati na www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Što je Graphene?
Grafen je jednodimenzionalni dvodimenzionalni materijal koji se sastoji od atoma ugljika gusto upakiranih u kristalnu rešetku nalik na saće. Ovo je poznato kao jednoslojni grafen. Dvoslojni i višeslojni grafeni također su sintetizirani u laboratoriju. Grafen pokazuje vrlo zanimljiva električna, optička, mehanička, toplinska i druga svojstva. Električno, to je polumetal ili poluvodič s nultim opsegom pojasa. Grafen pokazuje vrlo nisku otpornost, na primjer, samo 10-6Wcm na sobnoj temperaturi. Jednoslojni grafenski film vrlo je neproziran, apsorbira samo 2% bijele svjetlosti. Mehanička svojstva su iznimna.
Zanimljiva svojstva grafena dovela su do eksplozije istraživanja u posljednje vrijeme u njihovoj sintezi, karakterizaciji njihovih svojstava i razvoju aplikacija. Obećavajuće primjene uključuju elektroničke uređaje, prozirne elektrode za solarne ćelije i plazma zaslone, kompozite, uređaje za pohranu energije te kemijske i biološke senzore.
Trenutno istraživači mogu proizvesti grafen redukcijom grafenovog oksida. Ovaj pristup kemijske sinteze sada može dati gram količine materijala. Također je moguće nanijeti jedan sloj grafena na silicijsku pločicu. Tehnika koja se naziva taloženje kemijske pare omogućuje rast jednoslojnog ili višeslojnog grafena na 900-1000 ° C.
Nobelova nagrada za istraživanje grafena
Dvoje istraživača nedavno su dobili Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na grafenu! 2010. godine Andre Geim i Konstantin Novoselov zajednički su podijelili nagradu „za revolucionarne eksperimente u vezi s dvodimenzionalnim materijalom grafenom“. Istraživači su, zajedno s nekoliko suradnika, prvi izolirali slojeve ugljika od grafita, koji se koristi u olovci.
Aplikacije
Od medicine do elektronike, mnoge vlade i organizacije trenutno posvećuju napore primjeni grafena. Ovo se polje dramatično promijenilo u kratkom vremenskom razdoblju, čineći grafen materijalom koji mijenja mnoge industrije.
Što je jednostavni krug?
Jednostavni sklop sastoji se od tri minimalna elementa potrebna za dovršenje funkcionalnog električnog kruga: izvora električne energije (baterija), putanje ili vodiča po kojem struja prolazi (žica) i električnog otpora (žarulje) koji je bilo koji uređaj koji zahtijeva struja za rad. Ilustracija u nastavku prikazuje jednostavan sklop koji sadrži jednu bateriju, dvije žice, prekidač i žarulju. Protok električne energije ide od terminala s velikim potencijalom (+) baterije kroz žarulju (osvjetljavajući je) i natrag do negativnog (-) terminala, u neprekidnom protoku kada je prekidač u položaju "uključeno", tako da struja može teći
Shematski dijagram jednostavnog kruga
Slijedi shematski dijagram jednostavnog kruga koji prikazuje elektroničke simbole za bateriju, prekidač i žarulju.
Internetske veze
Preporučena literatura
- Nanotehnologija za lutke (ISBN: 978-0470891919)
- Nanotehnologija: Razumijevanje malih sustava (ISBN: 978-1138072688)
Aktivnost pisanja
Napišite esej ili odlomak o tome kako je napredak nanotehnologije promijenio područje elektronike ili medicine.
Usklađivanje s okvirima kurikuluma
Bilješka: Planovi lekcija u ovoj seriji usklađeni su s jednim ili više sljedećih skupova standarda:
- Američki standardi obrazovanja za znanost (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Američki standardi znanosti sljedeće generacije (http://www.nextgenscience.org/)
- Standardi za tehnološku pismenost Međunarodnog udruženja za tehnološko obrazovanje (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Američko nacionalno vijeće učitelja matematike "Principi i standardi za školsku matematiku (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Zajednički osnovni američki državni standardi za matematiku (http://www.corestandards.org/Math)
- Udruženje učitelja informatike K-12 Standardi računalnih znanosti (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi K-4 (starosti 4-9 godina)
SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit
Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati
- Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje
- Razumijevanje o znanstvenom istraživanju
SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost
Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Svojstva predmeta i materijala
SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija
Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati
- Razumijevanje znanosti i tehnologije
SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi
Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Znanost i tehnologija u lokalnim izazovima
SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti
Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Znanost kao ljudski pothvat
Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 5-8 (dobi 10-14)
SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit
Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati
- Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje
- Razumijevanje o znanstvenom istraživanju
SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost
Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Svojstva i promjene svojstava u materiji
SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija
Kao rezultat aktivnosti u 5-8. Razredima, svi bi se učenici trebali razvijati
- Razumijevanje znanosti i tehnologije
Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 5-8 (dobi 10-14) (nastavak)
SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi
Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Osobno zdravlje
- Rizici i koristi
- Znanost i tehnologija u društvu
SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti
Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Znanost kao ljudski pothvat
- Priroda znanosti
- Povijest znanosti
Nacionalni standardi obrazovanja za znanost Razredi 9-12 (dobi 14-18)
SADRŽAJ STANDARD A: Znanost kao upit
Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati
- Sposobnosti potrebne za znanstveno istraživanje
- Razumijevanje o znanstvenom istraživanju
SADRŽAJ STANDARD B: Fizička znanost
Kao rezultat svojih aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Građa i svojstva materije
SADRŽAJ STANDARD E: Znanost i tehnologija
Kao rezultat aktivnosti, svi bi se učenici trebali razvijati
- Razumijevanje znanosti i tehnologije
SADRŽAJ STANDARD F: Znanost u osobnoj i društvenoj perspektivi
Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Znanost i tehnologija u lokalnim, nacionalnim i globalnim izazovima
SADRŽAJ STANDARD G: Povijest i priroda znanosti
Kao rezultat aktivnosti, svi bi učenici trebali razviti razumijevanje
- Znanost kao ljudski pothvat
- Priroda znanstvenih spoznaja
- Povijesne perspektive
Znanstveni standardi sljedeće generacije, razredi 2-5 (dob 7-11)
Materija i njezine interakcije
Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:
- 2-PS1-2. Analizirajte podatke dobivene ispitivanjem različitih materijala kako biste utvrdili koji materijali imaju svojstva koja su najprikladnija za namjeravanu svrhu.
- 5-PS1-1. Razviti model koji će opisati da je materija sačinjena od premalih čestica da bi se vidjele.
- 5-PS1-3. Obavljajte promatranja i mjerenja kako biste identificirali materijale na temelju njihovih svojstava.
Inženjerski dizajn
Studenti koji pokažu razumijevanje mogu:
- 3-5-ETS1-2. Izradite i usporedite više mogućih rješenja problema na temelju toga koliko je vjerojatno da će svako zadovoljiti kriterije i ograničenja problema.
- 3-5-ETS1-3.Plan i izvršiti poštena ispitivanja u kojima se kontroliraju varijable i uzimaju u obzir točke otkaza kako bi se identificirali aspekti modela ili prototipa koji se mogu poboljšati.
Standardi za tehnološku pismenost - sva vijeka
Priroda tehnologije
- Standard 1: Studenti će razviti razumijevanje karakteristika i opsega tehnologije.
- Standard 2: Studenti će razviti razumijevanje osnovnih pojmova tehnologije.
- Standard 3: Studenti će razviti razumijevanje odnosa između tehnologija i veza između tehnologije i drugih područja studija.
Tehnologija i društvo
- Standard 5: Studenti će razviti razumijevanje učinaka tehnologije na okoliš.
- Standard 6: Studenti će razviti razumijevanje uloge društva u razvoju i korištenju tehnologije.
dizajn
- Standard 10: Studenti će razviti razumijevanje uloge rješavanja problema, istraživanja i razvoja, izuma i inovacija te eksperimentiranja u rješavanju problema.
Sposobnosti za tehnološki svijet
- Standard 13: Studenti će razviti sposobnosti za procjenu utjecaja proizvoda i sustava.
Faza istraživanja
Pročitajte materijale koje vam je dostavio vaš učitelj. Ako imate pristup Internetu, također istražite resurse na www.trynano.org da biste saznali više o nanotehnologiji i grafenu.
hipoteza
Kao tim odlučite mislite li da bi grafen (u običnoj olovci "olovo") bio električni vodič ili izolator. S druge strane ovog članka napišite potporni odlomak za svoju hipotezu.
test
Sada, testirajte svoju hipotezu! Postavite jednostavan krug pomoću konektora, LED žarulje, baterije i drugih materijala koje je osigurao vaš učitelj. Prvo ćete stvoriti radni krug - pogledajte možete li upaliti žarulju! Zatim prilagodite svoj krug tako da struja mora teći kroz papir na koji ste utrljali puno olovke. (NEMOJTE priključivati konektore na olovku koja je još uvijek u olovci.) Ako želite, možete testirati i druge predmete koje nudi vaš učitelj da biste vidjeli jesu li vodiči ili izolatori.
Promatranje i rezultati
Promatrajte i razgovarajte o tome što se dogodilo - ako išta - i usporedite rezultate s hipotezom vašeg tima.
Razvoj aplikacija
Na temelju rezultata vašeg eksperimenta, kao tim mozgajte o tome kako bi se grafen mogao koristiti za revoluciju proizvoda. Razmotrite koliko je materijal lagan i fleksibilan i pripremite kratku prezentaciju svom razredu o tome kako grafen može poboljšati proizvod ili dopustiti da ga se smanji.
Faza prezentacije i refleksije
Predstavite razredu svoju izvornu hipotezu i zapažanja eksperimenta zajedno s aplikacijom proizvoda vašeg tima. Slušajte izlaganja ostalih timova, a zatim popunite listu za razmišljanje.
Odraz
Ispunite pitanja za razmišljanje u nastavku:
1. Koliko je točna bila vaša hipoteza u odnosu na ono što se dogodilo?
2. Što vas je iznenadilo u onome što ste vidjeli?
3. Koja vam je nova aplikacija za grafen koju je predstavio tim u vašoj učionici bila najzanimljivija? Zašto?
4. Mislite li da inženjeri moraju pratiti što se događa u istraživanju kako bi poboljšali postojeće proizvode ili metode?
5. Kada se proizvod poboljšava na temelju novih istraživanja ili materijala, što mislite tko bi trebao biti zaslužan ili kompenziran za poboljšani proizvod?
6. Jeste li mislili da je timski rad ovaj projekt učinio lakšim ili težim? Zašto?
Prijevod plana lekcije
