Jadilah Mikroskop Penyelidik Pemindaian

Bahan Bangunan (Untuk setiap tim)

Bahan yang Diperlukan untuk ruang kelas

• Kotak dengan barang yang ditempel di bagian bawah (penggaris, cangkir kertas, batu bata, potongan buah)
• Tutup mata atau buat lubang ke dalam kotak sehingga siswa dapat memasukkan tangan dan pensil mereka ke dalamnya, tanpa melihat apa yang ada di dalam kotak. 

Bahan yang Diperlukan untuk tim

• kertas
• Pena
• pensil
• Akses ke internet, opsional

Desain Tantangan

Anda adalah tim insinyur yang diberi tantangan menggunakan probe pensil untuk "merasakan" dua objek berbeda di dalam kotak (tanpa melihat objek tersebut). Selanjutnya, Anda akan menggambar apa yang Anda "lihat" dan sebagai tim sepakat tentang apa objek di dalam kotak itu. Kemudian, tim mengembangkan gambar detail yang menunjukkan objek yang Anda setujui.

Kriteria

• Harus menggunakan pensil untuk “merasakan” benda-benda tersebut.
• Harus tidak dapat melihat benda-benda (baik penutup mata atau lubang yang dipotong di dalam kotak agar sesuai dengan tangan dan pensil)

kendala

• Gunakan hanya bahan yang disediakan.

Waktu yang Dibutuhkan: Satu hingga dua sesi 45 menit.

1. Bagi kelas menjadi tim yang terdiri dari 2-4.
2. Bagikan lembar kerja Be a Scanning Probe Microscope.
3. Diskusikan topik-topik di Bagian Konsep Latar Belakang. Mintalah siswa untuk mempertimbangkan bagaimana insinyur mengukur permukaan benda yang terlalu kecil untuk dilihat. Jika internet tersedia, bagikan The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Tinjau Proses Desain Rekayasa, Tantangan Desain, Kriteria, Kendala dan Bahan.
5. Berikan masing-masing tim dengan materi mereka.
6. Jelaskan bahwa siswa harus menggunakan pensil untuk “merasakan” dua benda berbeda di dalam sebuah kotak (mata ditutup). Selanjutnya, mereka akan menggambar apa yang mereka “lihat” dan sebagai sebuah tim menyepakati apa objek di dalam kotak itu. Akhirnya, tim mengembangkan gambar detail yang menunjukkan objek yang mereka sepakati.
7. Umumkan jumlah waktu yang mereka miliki untuk menyelesaikan aktivitas (disarankan 1 jam).
8. Gunakan timer atau stopwatch online (fitur hitung mundur) untuk memastikan Anda tetap tepat waktu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Beri siswa “pemeriksaan waktu” secara teratur agar mereka tetap mengerjakan tugas. Jika mereka kesulitan, ajukan pertanyaan yang akan mengarahkan mereka ke solusi lebih cepat.
9. Instruksikan siswa untuk melakukan hal berikut:
   • Setiap siswa dalam tim bergiliran menggunakan probe pensil untuk menentukan bentuk untuk mengidentifikasi benda-benda di dalam kotak. Anda dapat menutup matanya, atau membuat sebuah lubang di sebuah kotak sehingga tangan dan pensil Anda dapat berada di dalam tanpa Anda melihat apa yang ada di dalam kotak.
   • Gunakan hanya ujung pensil untuk memeriksa isi atau luas permukaan bagian bawah kotak.
   • Dalam pikiran Anda, catat ketinggian objek yang Anda rasakan, bentuknya, dan ukuran keseluruhannya.
   • Selanjutnya, gambar apa yang Anda “lihat” di selembar kertas — Anda mungkin ingin mempertimbangkan tampilan atas dan samping untuk membantu menentukan apa yang ada di dalam kotak.
   • Ketika setiap siswa dalam tim telah melakukan penyelidikan, bekerja sama dan bagikan gambar dan pendapat Anda tentang apa yang ada di dalam kotak. Munculkan konsensus sebagai sebuah tim dan kembangkan gambar akhir yang mencakup perkiraan pengukuran objek.
10. Tim mempresentasikan ide, gambar, dan pengukuran Anda di depan kelas, dan mendengarkan presentasi tim lain. Mereka harus membandingkan seberapa dekat tim mereka dalam menentukan ukuran dan bentuk yang sebenarnya.
11. Sebagai kelas, diskusikan pertanyaan refleksi siswa.
12. Untuk konten lebih lanjut tentang topik ini, lihat bagian “Menggali Lebih Dalam”.

Aktivitas Ekstensi Opsional

Mintalah siswa mencerminkan apa yang mereka "rasakan" di dalam kotak dengan satu tangan, dengan menggambar secara bersamaan di atas kertas dengan tangan yang lain.

Refleksi Mahasiswa (buku catatan teknik)

1. Seberapa akurat dalam hal bentuk tim Anda dalam mengidentifikasi objek? Apa yang kamu temukan di dalam kotak?
2. Seberapa akurat tim Anda dalam menentukan ukuran sebenarnya dari objek di dalam kotak?
3. Berapa persentase perkiraan ukuran Anda dari ukuran sebenarnya dari objek di dalam kotak?
4. Apakah menurut Anda jumlah waktu yang Anda ambil untuk "melihat" di dalam kotak dengan probe memengaruhi seberapa akurat temuan Anda?
5. Apakah Anda berpikir bahwa bekerja sebagai tim membuat proyek ini lebih mudah atau lebih sulit? Mengapa?

Pelajaran dapat dilakukan hanya dalam 1 periode kelas untuk siswa yang lebih tua. Namun, untuk membantu siswa agar tidak merasa tergesa-gesa dan untuk memastikan keberhasilan siswa (terutama untuk siswa yang lebih muda), bagi pelajaran menjadi dua periode yang memberi siswa lebih banyak waktu untuk bertukar pikiran, menguji ide, dan menyelesaikan desain mereka. Melakukan tes dan pembekalan pada periode kelas berikutnya.

Apa itu Nanoteknologi?

Bayangkan bisa mengamati gerakan sel darah merah saat bergerak melalui pembuluh darah Anda. Bagaimana rasanya mengamati atom natrium dan klor saat mereka cukup dekat untuk benar-benar mentransfer elektron dan membentuk kristal garam atau mengamati getaran molekul saat suhu naik dalam panci air? Karena alat atau 'ruang lingkup' yang telah dikembangkan dan ditingkatkan selama beberapa dekade terakhir, kita dapat mengamati situasi seperti banyak contoh di awal paragraf ini. Kemampuan untuk mengamati, mengukur dan bahkan memanipulasi bahan pada skala molekul atau atom disebut nanoteknologi atau nanosains. Jika kita memiliki "sesuatu" nano, kita memiliki sepersejuta dari sesuatu itu. Para ilmuwan dan insinyur menerapkan awalan nano untuk banyak "sesuatu" termasuk panjang meter, detik (waktu), liter (volume) dan gram (massa) untuk mewakili apa yang dapat dipahami sebagai kuantitas yang sangat kecil. Paling sering nano diterapkan pada skala panjang dan kami mengukur dan berbicara tentang nanometer (nm). Masing-masing atom berdiameter lebih kecil dari 1 nm, dengan itu dibutuhkan sekitar 10 atom hidrogen berturut-turut untuk membuat garis sepanjang 1 nm. Atom lain lebih besar dari hidrogen tetapi masih memiliki diameter kurang dari satu nanometer. Virus tipikal berdiameter sekitar 100 nm dan bakteri berukuran sekitar 1000 nm dari kepala ke ekor. Alat yang memungkinkan kita untuk mengamati dunia skala nano yang sebelumnya tidak terlihat adalah Mikroskop Gaya Atom dan Mikroskop Pemindaian Elektron.

Seberapa Besar Kecil?

Mungkin sulit untuk memvisualisasikan betapa kecilnya hal-hal dalam skala nano. Latihan berikut dapat membantu Anda memvisualisasikan seberapa besar kecil itu! Pertimbangkan bola bowling, bola bilyar, bola tenis, bola golf, kelereng, dan kacang polong. Pikirkan tentang ukuran relatif barang-barang ini.

Pemindaian Mikroskop Elektron

Mikroskop elektron pemindaian adalah jenis khusus mikroskop elektron yang membuat gambar permukaan sampel dengan memindainya dengan berkas elektron berenergi tinggi dalam pola pemindaian raster. Dalam pemindaian raster, gambar dipotong menjadi urutan strip (biasanya horizontal) yang dikenal sebagai "garis pindai." Elektron berinteraksi dengan atom yang membentuk sampel dan menghasilkan sinyal yang menyediakan data tentang bentuk permukaan, komposisi, dan bahkan apakah permukaan tersebut dapat menghantarkan listrik. Banyak gambar yang diambil dengan pemindaian mikroskop elektron dapat dilihat di www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mikroskop Kekuatan Atom

Pencitraan pada Skala Nano

Untuk "melihat" seperti apa permukaan material pada skala nano, para insinyur telah mengembangkan berbagai perangkat dan sistem untuk mengeksplorasi bagaimana permukaan suatu objek berperilaku. Anda dapat melihat banyak gambar di Fasilitas Mikroskop Elektron Dartmouth di www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Mikroskop Kekuatan Atom

Mikroskop Kekuatan Atom adalah jenis khusus dari mikroskop probe pemindaian (SPM), yang mengumpulkan informasi dengan menggunakan probe untuk menyentuh atau bergerak di atas permukaan subjek. Resolusinya sangat tinggi, hanya sepersekian nanometer. AFM ditemukan pada tahun 1982 di IBM dan mikroskop kekuatan atom pertama yang tersedia secara komersial diperkenalkan pada tahun 1989. AFM tetap menjadi salah satu alat terpenting untuk mengukur dan mencitrakan apa pun pada skala nano. Ini cukup akurat dapat mengembangkan gambar tiga dimensi atau topografi sampel, dan memiliki banyak aplikasi. Jika Anda dapat membayangkan memejamkan mata dan menggunakan ujung pensil untuk mencari tahu benda apa yang ada di dalam kotak, Anda dapat membayangkan bagaimana mikroskop jenis ini bekerja! Salah satu keuntungan dari Mikroskop Gaya Atom adalah bahwa ia tidak memerlukan lingkungan khusus, dan bekerja dengan baik di lingkungan rata-rata, atau bahkan dalam cairan. Hal ini memungkinkan untuk mengeksplorasi biologi pada tingkat makromolekul, atau bahkan meninjau organisme hidup.

Koneksi Internet

• Mikroskop Kekuatan Atom
• Mikroskop Virtual

Rekomendasi Reading

• Scanning Probe Microscopy: Lab pada Tip (Teks Lanjutan dalam Fisika) (ISBN: 978-3642077371)
• Mikroskop Probe Pemindaian (ISBN: 978-3662452394)

Aktivitas Menulis

Tulis esai atau paragraf tentang bagaimana kemajuan melalui nanoteknologi berdampak pada bidang perawatan kesehatan dan kedokteran.

Penyelarasan dengan Kerangka Kurikulum

Catatan: Rencana pelajaran dalam seri ini diselaraskan dengan satu atau lebih set standar berikut:

• S. Standar Pendidikan Sains (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Standar Sains Generasi Berikutnya (http://www.nextgenscience.org/)
• Standar Asosiasi Pendidikan Teknologi Internasional untuk Literasi Teknologi (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Dewan Nasional Guru Matematika Prinsip dan Standar untuk Matematika Sekolah (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Standar Negara Inti Umum untuk Matematika (http://www.corestandards.org/Math)
• Asosiasi Guru Ilmu Komputer K-12 Standar Ilmu Komputer (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Standar Nasional Pendidikan Sains Kelas K-4 (usia 4-9)

STANDAR ISI A: Sains sebagai Inkuiri

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus berkembang

• Kemampuan yang diperlukan untuk melakukan penyelidikan ilmiah
• Memahami tentang penyelidikan ilmiah

STANDAR ISI B: Ilmu Fisika

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Sifat benda dan bahan
• Posisi dan gerak benda

STANDAR ISI E: Sains dan Teknologi

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus berkembang

• Kemampuan desain teknologi

STANDAR ISI F: Sains dalam Perspektif Pribadi dan Sosial

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Sains dan teknologi dalam tantangan lokal

STANDAR ISI G: Sejarah dan Sifat Ilmu Pengetahuan

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Ilmu sebagai usaha manusia

Standar Nasional Pendidikan Sains Kelas 5-8 (usia 10-14)

STANDAR ISI A: Sains sebagai Inkuiri

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus berkembang

• Kemampuan yang diperlukan untuk melakukan penyelidikan ilmiah
• Pemahaman tentang penyelidikan ilmiah

STANDAR ISI B: Ilmu Fisika

Sebagai hasil dari kegiatan mereka, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Sifat dan perubahan sifat dalam materi

STANDAR ISI E: Sains dan Teknologi

Sebagai hasil dari kegiatan di kelas 5-8, semua siswa harus berkembang

• Kemampuan desain teknologi
• Pemahaman tentang ilmu pengetahuan dan teknologi

STANDAR ISI F: Sains dalam Perspektif Pribadi dan Sosial

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Ilmu pengetahuan dan teknologi dalam masyarakat 

Standar Nasional Pendidikan Sains Kelas 5-8 (usia 10-14)

STANDAR ISI G: Sejarah dan Sifat Ilmu Pengetahuan

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Ilmu sebagai usaha manusia
• Sifat ilmu pengetahuan

Standar Nasional Pendidikan Sains Kelas 9-12 (usia 14-18)

STANDAR ISI A: Sains sebagai Inkuiri

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus berkembang

• Kemampuan yang diperlukan untuk melakukan penyelidikan ilmiah
• Pemahaman tentang penyelidikan ilmiah

STANDAR ISI B: Ilmu Fisika

Sebagai hasil dari kegiatan mereka, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Struktur dan sifat materi

STANDAR ISI E: Sains dan Teknologi

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus berkembang

• Kemampuan desain teknologi
• Pemahaman tentang ilmu pengetahuan dan teknologi

STANDAR ISI F: Sains dalam Perspektif Pribadi dan Sosial

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Iptek dalam tantangan lokal, nasional, dan global

STANDAR ISI G: Sejarah dan Sifat Ilmu Pengetahuan

Sebagai hasil dari kegiatan, semua siswa harus mengembangkan pemahaman tentang

• Ilmu sebagai usaha manusia
• Sifat pengetahuan ilmiah
• Perspektif sejarah

 Standar Sains Generasi Berikutnya Kelas 2-5 (Usia 7-11)

Siswa yang menunjukkan pemahaman dapat:

Materi dan Interaksinya

• 5-PS1-1. Kembangkan model untuk menggambarkan bahwa materi terbuat dari partikel yang terlalu kecil untuk dilihat.
• 5-PS1-3. Melakukan pengamatan dan pengukuran untuk mengidentifikasi bahan berdasarkan sifat-sifatnya. 

Standar Literasi Teknologi – Semua Usia 

Sifat Teknologi

• Standar 1: Siswa akan mengembangkan pemahaman tentang karakteristik dan ruang lingkup teknologi.
• Standar 2: Siswa akan mengembangkan pemahaman tentang konsep inti teknologi.
• Standar 3: Siswa akan mengembangkan pemahaman tentang hubungan antara teknologi dan hubungan antara teknologi dan bidang studi lainnya. 

Teknologi dan Masyarakat

• Standar 4: Siswa akan mengembangkan pemahaman tentang efek budaya, sosial, ekonomi, dan politik dari teknologi.
• Standar 6: Siswa akan mengembangkan pemahaman tentang peran masyarakat dalam pengembangan dan penggunaan teknologi.
• Standar 7: Siswa akan mengembangkan pemahaman tentang pengaruh teknologi terhadap sejarah.

Kemampuan untuk Dunia Teknologi

Standar 13: Siswa akan mengembangkan kemampuan untuk menilai dampak produk dan sistem.

Cobalah tangan Anda untuk menjadi Mikroskop Penyelidik Pemindaian!

Tahap Penelitian

Bacalah materi yang diberikan oleh guru Anda. Jika Anda memiliki akses ke internet, lihat juga tutorialnya di situs web ini: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Ini akan mengilustrasikan bagaimana mikroskop probe pemindaian bekerja dan membantu Anda memahami bagaimana Anda akan melakukan tugas serupa melalui aktivitas ini.

Cobalah!

Setiap siswa dalam tim Anda akan bergiliran menggunakan probe pensil untuk menentukan bentuk atau mengidentifikasi suatu benda di dalam kotak. Anda dapat menutup matanya, atau membuat sebuah lubang di sebuah kotak sehingga tangan dan pensil Anda dapat berada di dalam tanpa Anda melihat apa yang ada di dalam kotak.

Gunakan hanya ujung pensil untuk memeriksa isi atau luas permukaan bagian bawah kotak. Dalam pikiran Anda, catat ketinggian objek yang Anda rasakan, bentuknya, dan ukuran keseluruhannya.

Selanjutnya, gambar apa yang Anda “lihat” di selembar kertas — Anda mungkin ingin mempertimbangkan tampilan atas dan samping untuk membantu menentukan apa yang ada di dalam kotak.

Ketika setiap siswa dalam tim telah melakukan penyelidikan, bekerja sama dan bagikan gambar dan pendapat Anda tentang apa yang ada di dalam kotak. Munculkan konsensus sebagai sebuah tim dan kembangkan gambar akhir yang mencakup perkiraan pengukuran objek

Tahap Presentasi dan Refleksi

Presentasikan ide, gambar, dan pengukuran Anda di depan kelas, dan dengarkan presentasi tim lain. Lihat seberapa dekat tim Anda, atau tim lain, dalam menentukan ukuran dan bentuk sebenarnya. Kemudian lengkapi lembar refleksi.

Refleksi

Lengkapi pertanyaan refleksi di bawah ini:

1. Seberapa akurat dalam hal bentuk tim Anda dalam mengidentifikasi objek? Apa yang kamu temukan di dalam kotak?

2. Seberapa akurat tim Anda dalam menentukan ukuran sebenarnya dari objek di dalam kotak?

3. Berapa persentase perkiraan ukuran Anda dari ukuran sebenarnya dari objek di dalam kotak?

4. Apakah menurut Anda jumlah waktu yang Anda ambil untuk "melihat" di dalam kotak dengan probe memengaruhi seberapa akurat temuan Anda?

5. Apakah Anda berpikir bahwa bekerja sebagai tim membuat proyek ini lebih mudah atau lebih sulit? Mengapa?