Истражување на нано скалата - TryEngineering.org напојувано од IEEE

Истражувајќи се во наносалето

Оваа лекција истражува како нанотехнологијата влијаела на светот и како инженерите треба да ги земат предвид последиците од работењето во многу мал обем. Студентите работат во тимови и ја истражуваат зголемената површина што е изложена бидејќи предметите се прават сè помали.

Дознајте за нанотехнологијата
Дознајте за скалата
Дознајте за површината
Дознајте за инженерскиот дизајн
Дознајте за тимска работа и работа во групи

Возрасни нивоа: 8-14

Материјали и подготовка

Изградба на материјали (за секој тим)

Потребни материјали

Блок на екстра цврст тофу или желатин
Површина за сечење (пластична плоча или табла за сечење)
Досаден / пластичен нож

Предизвик за инженерски дизајн

Дизајн предизвик

Вие сте дел од тим инженери на кои им е даден предизвик да креираат идеи за идеи за тоа како нанотехнологијата може да помогне во подобрувањето на животот на земјата или вселената. Вашиот тим мора да подготви предлог до потенцијална организација за финансирање да побара финансирање за истражување. Needе треба да објасните зошто мислите дека може да работи вашата нова апликација за нанотехнологија и како тоа ќе го подобри производот или процесот. Ова е формална презентација и можеби ќе сакате да подготвите графикони или постери за презентации - сè што може да ги импресионира вашите потенцијални финансиери.

За да ја поттикне вашата имагинација, вашиот тим прво ќе го прочита соопштението за печатот во работниот лист за студентите. Соопштението е за ново истражување во примена на сребро со употреба на нанотехнологија за обложување на хируршка опрема. Иновацијата вклучува примена на површински инженеринг нанаструктури на сребрен оксид на површината на медицинските помагала. Откриено е дека среброто е ефикасно против широк спектар на бактерии и исто така против мутирачки патогени. Исто така може ефикасно да ги блокира габите и квасеците за кои е познато дека предизвикуваат болест. Исто така е безопасен за организмот на ефективно ниво на бактерии. Нанотехнологијата ја максимизира антимикробната способност на среброто, бидејќи вкупната површина на сребро-оксид се зголемува во нано-скалата. Секоја мала честичка во наноструктурата има своја површина, така што поголемата комбинирана површина значи дека повеќе сребро може да комуницира со телесните течности за да се сретне и да ги инхибира микробите.

Критериуми

Прочитајте го соопштението за јавноста.
Подгответе предлог за да побарате финансирање.

Ограничувања

Користете ги само дадените материјали.

Инструкции и процедури за активност

Пауза од часови во тимови од 2-3.
Поделете го работниот лист Истражување во нано скалата, како и неколку листови хартија за скицирање на дизајни.
Дискутирајте за темите во Делот за концепти за позадина.
Прегледајте го процесот на инженерско дизајнирање, предизвик за дизајн, критериуми, ограничувања и материјали.
Обезбедете им на секој тим свои материјали.
Објаснете дека учениците мора да ја одредат површината на блок тофу во различни точки (цели, исечени на половина, четвртина, итн.). Тие најпрво ќе го измерат целиот блок и ќе ја одредат површината, потоа ќе го пресечат блокот на половина и ќе ја рефигурираат површината, па повторно половина, итн. - се додека нема многу тофу блокови со ширина од околу ½ инч.
Следно, студентите исто така ќе ја истражат големината на малите, споредувајќи разни предмети за да разберат колку е голем нано. Конечно, тие ќе работат како тим за да утврдат нова примена на нанотехнологијата за производ или процес по нивен избор. Екипите презентираат концепти и предлози пред група потенцијални финансиери на истражување (остатокот од часот) и секој потоа гласа за предлогот со најголем потенцијал.
Најавете го времето што треба да го завршат лекцијата (препорачани се 2 часа).
Користете тајмер или он-лајн стоперка (одбројување одлика) за да се осигурате дека ќе бидете навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Дајте им редовни „проверки на времето“ на студентите за да останат на задачата. Ако се борат, поставете прашања што побрзо ќе ги доведат до решение.
Студентите се среќаваат и развиваат план за одредување на површината и потоа ја завршуваат лекцијата.
Студентите исполнуваат и споредуваат разни предмети за да разберат колку е голем нано. Следно, тие работат на новата апликација и развиваат презентација.
Како час, дискутирајте ги прашањата за рефлексија на ученикот.
За повеќе содржини на темата, видете во делот „Копање подлабоко“.

Варијација

За помладите студенти, зачин или шеќерен премаз на тофу или желатин може да им помогне на студентите да визуелизираат како се зголеми површината. Користете мала количина шеќер или зачин за да премачкате голем блок тофу, а потоа покажете им на студентите колку повеќе шеќер или зачин е потребно за да ги премачкате сите ситни коцки исечени од големиот блок тофу.

Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)

Која апликација ја развивте за нанотехнологија?
Која примена на нанотехнологијата ја претстави друг тим што ја сметавте за најинтересна? Зошто?
Кој е најинтересниот аспект на нанотехнологијата што го научивте за време на оваа лекција?

Модификација на времето

Лекцијата може да се заврши во период од само 1 час за постари ученици. Сепак, за да им помогнете на студентите да се почувствуваат избрзани и да обезбедат успех на студентите (особено за помладите ученици), поделете ја лекцијата во два периоди, давајќи им на студентите повеќе време за бура на идеи, тест идеи и финализирање на нивниот дизајн. Спроведете тестирање и дебрифија во следниот час.

Процес на инженерско дизајнирање

Концепти во позадина

Што е нанотехнологија?

Замислете дека можете да го набудувате движењето на црвените крвни клетки додека се движат низ вашата вена. Како би било да се набудуваат атомите на натриум и хлор кога тие се приближуваат доволно за вистински да пренесат електрони и да формираат солен кристал или да ги набудуваат вибрациите на молекулите додека температурата се зголемува во тава со вода? Поради алатките или „опсегот“ што се развиени и подобрени во последните неколку децении, можеме да набудуваме ситуации како што се многу од примерите на почетокот на овој пасус. Оваа можност за набудување, мерење, па дури и манипулирање со материјали во молекуларна или атомска скала се нарекува нанотехнологија или нано-наука. Ако имаме нано „нешто“, имаме еден милијардити дел од тоа нешто. Научниците и инженерите го применуваат нано префиксот на многу „нешта“, вклучувајќи, метри (должина), секунди (време), литри (волумен) и грамови (маса) за да претставуваат што е разбирливо многу мала количина. Најчесто нано се применува на скалата на должина и мериме и зборуваме за нанометри (nm). Индивидуалните атоми се со дијаметар помал од 1 nm, при што се потребни околу 10 атоми на водород по ред за да се создаде линија со должина од 1 nm. Другите атоми се поголеми од водородот, но сепак имаат дијаметар помал од нанометар. Типичен вирус има дијаметар од околу 100 nm и бактерија е околу 1000 nm од глава до опашка. Алатките што ни овозможија да го набудуваме претходно невидливиот свет на нано скалата се микроскоп за атомска сила и електронски микроскоп за скенирање.

Колку е мало големо?

Може да биде тешко да се визуелизира колку се мали нештата во нано скалата. Следната вежба може да ви помогне да визуелизирате колку големи можат да бидат малите! Размислете за топка за куглање, топка за билјард, топка за тенис, топка за голф, мермер и грашок. Размислете за релативната големина на овие предмети.

Електронски микроскоп за скенирање

Електронскиот микроскоп за скенирање е посебен вид електронски микроскоп што создава слики од површината на примерокот скенирајќи ја со високоенергетски зрак на електрони во модел на растерско скенирање. Во растерско скенирање, сликата се сече во низа (обично хоризонтални) ленти познати како „линии за скенирање“. Електроните комуницираат со атомите што го сочинуваат примерокот и произведуваат сигнали кои обезбедуваат податоци за обликот, составот на површината, па дури и за тоа дали може да спроведе електрична енергија. Можеби се гледани многу слики направени со електронски микроскопи за скенирање www.dartmouth.edu/~emlab/ галерија

Што е површинска површина?

Површина е мерка за тоа колку изложена површина има предметот. Се изразува во квадратни единици. Ако некој предмет има рамни лица, неговата површина може да се пресмета со собирање на областите на неговите лица. Дури и предметите со мазни површини, како што се сферите, имаат површина.

Формула за квадратни површини

Површината на коцката може да се изрази со формулата: x = 6 пати Y пати Y

Овој цртеж прикажува коцка, каде Y е еднаква на должината на секоја страна. Бидејќи е квадрат, сите страни се еднакви по должина. За да ја одредите површината на коцката, прво треба да ја дознаете областа на едната страна. Областа на едната страна е Y x Y или Y2. За да ја пронајдете површината на коцката, треба да ја помножите областа на едната страна со 6. Ако, на пример, должината на Y е еднаква на 10 mm, тогаш површината на едната страна ќе биде 100 квадратни mm и површината на коцката би била 600 квадратни mm.

Формула за правоаголна површина

Површината на правоаголникот може да се изрази со формулата: x = 4AB + 2AC

Со правоаголник, сите страни не се еднакви… но има три различни должини што треба да се измерат. На цртежот, овие се претставени со A, B и C. За да ја одредиме површината на предниот дел од правоаголникот, ќе треба да го помножиме A x B. Бидејќи има четири површини на правоаголникот кои се еднакви по големина, потребни ни се 4 x A x B како еден дел од нашата формула за да ја одредиме површината на димензионалниот правоаголник. Исто така, ќе треба да ја одредиме површината на двете помали површини. Во овој случај, ќе треба да множиме A x C. И, бидејќи има две од овие „лица“ кон правоаголникот, потребни ни се 2 XAXC за формулата за целосна површина. Ако, на пример, должината на А е еднаква на 10мм, а Б е еднаква на 30мм и Ц е 15мм, тогаш:

А пати B = 300mm, значи 4AB = 1200 квадратни mm
А пати C = 150mm, значи 2AC = 300 квадратни mm
Значи, површината на димензионалниот правоаголник е 1500 квадратни mm

Зошто се важни површинските површини

Основните својства на честичките во нано скалата можат значително да се разликуваат од поголемите честички. Ова може да вклучува механички својства, без разлика дали честичката спроведува електрична енергија, како реагира на температурни промени, па дури и како се појавуваат хемиски реакции. Површината е еден од факторите што се менуваат бидејќи честичките се помали. Бидејќи хемиските реакции обично се случуваат на површината на честичката, доколку има зголемена површина на располагање за реакции, реакцијата може да биде многу различна.

Копаат подлабоко

Интернет конекции

Препорачано четиво

Нанотехнологија за амили (ISBN: 978-0470891919)
Нанотехнологија: Разбирање на малите системи (ISBN: 978-1138072688)

Активност за пишување

Напишете есеј или пасус за тоа како нанотехнологијата може да влијае на истражувањето на вселената.

Усогласување на наставната програма

Усогласување со рамки на наставните програми

Забелешка: Плановите за лекции во оваа серија се усогласени со еден или повеќе од следниве групи на стандарди:

Стандарди за образование на науки во САД (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Научни стандарди на следната генерација на САД (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарди за меѓународна технолошка асоцијација за технолошка писменост (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Национален совет на наставници по математика на САД, принципи и стандарди за училишна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Заеднички основни државни стандарди на САД за математика (http://www.corestandards.org/Math)
Здружение на наставници по компјутерски науки К-12 Стандарди за компјутерски науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарди за образование во наука Оценки К-4 (возраст 4 - 9)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

Способности неопходни за вршење на научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на активностите, сите ученици треба да развијат разбирање за

Карактеристики на предмети и материјали

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

Способности на технолошки дизајн
Разбирање за науката и технологијата

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Видови ресурси
Наука и технологија во локалните предизвици

СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Науката како човечки потфат

Национални стандарди за образование во наука Одделение 5-8 (возраст од 10 до 14 години)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

Способности неопходни за вршење на научни истражувања
Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

Својства и промени на својствата во материјата

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности во 5-8 одделение, сите ученици треба да се развиваат

Способности на технолошки дизајн
Разбирање за науката и технологијата

Национални стандарди за образование во наука Одделение 5-8 (возраст од 10 до 14 години) (продолжение)

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

Ризици и придобивки
Наука и технологија во општеството

Принципи и стандарди за училишна математика (возраст од 6 до 18 години)

Мерење

разбере мерливи атрибути на објектите и единиците, системите и процесите на мерење.
примени соодветни техники, алатки и формули за одредување на мерењата.

Решавање на проблеми

градат нови математички знаења преку решавање на проблеми.
решаваат проблеми што се јавуваат во математиката и во други контексти.
применуваат и прилагодуваат различни соодветни стратегии за решавање на проблемите.
следи и размислува за процесот на решавање на математички проблеми.

Врски

да препознава и применува математика во контексти надвор од математиката.

Застапеност

создаваат и користат репрезентации за организирање, снимање и комуницирање на математички идеи.
изберете, применете и преведете меѓу математички претстави за решавање на проблеми.

Стандарди за технолошка писменост - сите векови

Природата на технологијата

Стандард 1: Студентите ќе развијат разбирање за карактеристиките и обемот на технологијата.
Стандард 3: Студентите ќе развијат разбирање за односите меѓу технологиите и врските помеѓу технологијата и другите области на студии.

Технологија и општество

Стандард 4: Студентите ќе развијат разбирање за културните, социјалните, економските и политичките ефекти на технологијата.
Стандард 6: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на општеството во развојот и употребата на технологијата.

дизајн

Стандард 9: Студентите ќе развијат разбирање за инженерскиот дизајн.

Стандарди за технолошка писменост - сите векови (продолжение)

Способности за технолошки свет

Стандард 13: Студентите ќе развијат способности за проценка на влијанието на производите и системите.

Дизајнираниот свет

Стандард 14: Студентите ќе развијат разбирање за и ќе можат да изберат и да користат медицински технологии.
Стандард 19: Студентите ќе развијат разбирање за и ќе можат да изберат и да користат технологии на производство.

Работен лист за студенти

Колку е мало големо?

Може да биде тешко да се визуелизира колку се мали нештата во нано скалата. Следната вежба може да ви помогне да визуелизирате колку големи можат да бидат малите!

Следното е цртеж на предмети што може да ги препознаете. топка за куглање, топка за билјард, топка за тенис, топка за голф, мермер и грашок. Размислете за релативната големина на овие предмети.

ДОДАЈ СЛИКИ

Сега разгледајте ја табелата подолу, развиена од Националниот институт за карцином (САД) и размислете колку се помали различните предмети ... се движат надолу од познатата тениска топка. „„ “ на оваа страница се наоѓаат 1,000,000 микрони - прилично гигантски во споредба со вирус или единствена молекула вода (Х.₂0).

Активност на површината

Вие сте дел од тим инженери на кои им е даден предизвик да проценат како се менува површината бидејќи материјалот се намалува. Обезбедени сте неколку листови за читање, како и блок или тофу или желатин, површина за сечење, линијар и тап нож.

Needе треба да ја одредите површината на целиот блок, а потоа кумулативната површина на помалите блокови што ја создавате со сечење на оригиналниот блок на половина и четвртини - до сите блокови создадени со ширина од околу ½ инч.

Користете ја табелата подолу за да ги наведете вашите наоди:

# Блокови	1 Блок	2 блокови	4 блокови	8 блокови	16 блокови	32 блокови	64 блокови
Површина:

Активност на апликации за нано скала

Вие сте дел од тим инженери на кои им е даден предизвик да креираат идеи за идеи за тоа како нанотехнологијата може да помогне во подобрувањето на животот на земјата или вселената. За да ја поттикне вашата фантазија, вашиот тим прво ќе го прочита следново соопштение за нови истражувања во примена на сребро со употреба на нанотехнологија за обложување на хируршка опрема. Иновацијата вклучува примена на површински инженеринг нанаструктури на сребрен оксид на површината на медицинските помагала. Откриено е дека среброто е ефикасно против широк спектар на бактерии и исто така против мутирачки патогени. Исто така може ефикасно да ги блокира габите и квасеците за кои е познато дека предизвикуваат болест. Исто така е безопасен за организмот на ефективно ниво на бактерии. Нанотехнологијата ја максимизира антимикробната способност на среброто, бидејќи вкупните површини на сребро-оксид се зголемија на нано скалата. Секоја мала честичка во наноструктурата има своја површина, така што поголемата комбинирана површина значи дека повеќе сребро може да комуницира со телесните течности за да се сретне и да ги инхибира микробите.

Пробивна антимикробна технологија за медицински помагала Силниот интерес на индустријата за СилваГард, пробивна антимикробна нанотехнологија, резултираше со значителен раст на АкриМед, компанијата што ја разви и сега ја лиценцира технологијата. Изграден врз основа на долгогодишно истражување за развој на сребрени антимикробни третмани на рани, „СилваГард“ одговара на сè уште неисполнета клиничка потреба, спречувајќи ширење на смртоносни инфекции поврзани со медицински помагала. Искористувајќи ги предностите на нанотехнологијата со способноста на јонското сребро во борбата против инфекциите со широк спектар, SilvaGard обезбедува безбедно и ефикасно решение за да ги направи медицинските помагала непропустливи на инфекција што предизвикува биофилмови. милиони американски пациенти секоја година и додава повеќе од 28 милијарди долари на здравствените трошоци на нашата земја “, рече Mcек Мекмакен, претседател на АкриМед. „Бидејќи голем дел од штетните бактерии се зафаќаат со медицински помагала, како што се вселени катетри и импланти, производителите се исклучително заинтересирани да најдат начини да ја намалат улогата на нивните производи во ширењето инфекции. SilvaGard претставува прв значаен чекор напред во оваа област по доста време. “SilvaGard спречува ширење на инфекции поврзани со уреди со депонирање на анти-микробни сребрени наночестички на површините на медицинските помагала и на тој начин обезбедувајќи заштитна бариера. Студиите покажаа дека SilvaGard не само што е безбеден за употреба, туку е и многу ефикасен против широк спектар на бактерии кои предизвикуваат инфекција, вклучувајќи MRSA и други „супербактерии“ отпорни на антибиотици. Антимикробниот катетер ON-Q SilverSoaker на I-Flow демонстрираше значително помал ризик од развој на инфекција на хируршко место во тековната потенцијална студија на пациенти подложени на колоректална хирургија. Прелиминарните резултати ги зафатија резултатите од 120 пациенти, рандомизирани или на третман со континуиран локален анестетик со употреба на анти-микробиолошки третиран ON-Q катетер или на контролен третман со употреба на традиционално ослободување од болка. На 30 дена по операцијата, пациентите кои примале третман со антимикробен ON-Q уред имале значително помала инциденца на инфекции на местото од 0%, во споредба со контролната група од 22.9%. Извор: AcryMed, Орегон, САД (www. acrymed.com)

Фаза на бура на идеи

Запознајте се како тим и разговарајте за она што го научивте за нанотехнологијата и површината. Потоа, како група размислувате за нова апликација и како мислите дека нанотехнологијата може да биде производ, процес или што било подобро. Можете да изберете индустрија како што е автомобилската индустрија или да размислите за производ како што е ткаенина за облека.

Фаза на презентација

Подгответе предлог до потенцијална организација за финансирање која ќе ја побарате за финансирање на истражување. Needе треба да објасните зошто мислите дека може да работи вашата нова апликација за нанотехнологија и како тоа ќе го подобри производот или процесот. Ова е формална презентација и можеби ќе сакате да подготвите графикони или постери за презентации - сè што може да ги импресионира вашите потенцијални финансиери. Бидете подготвени да одговорите на прашања од вашата публика!

Финансирање

Секој студент на часот може да гласа за еден предлог од кој било друг тим, освен нивниот, што треба да се финансира. Оние презентации со најмногу гласови се на прво место!

Фаза на евалуација

Пополнете ги следниве прашања како група: