Нано хидроизолација

Оваа лекција истражува како материјалите можат да се менуваат во нано скала за да се обезбедат карактеристики како што се хидроизолација и отпорност на дамки. Студентски тимови развиваат сопствена хидроизолациона техника за памучна ткаенина и го тестираат нивниот дизајн наспроти ткаенина што е променета преку нанотехнолошки апликации.

  • Дознајте за нанотехнологијата.
  • Дознајте за хидрофобниот ефект.
  • Дознајте за површината.
  • Дознајте за тимска работа и работа во групи.

Возрасни нивоа: 8-18

Изградба на материјали (за секој тим)

Потребни материјали

  • Четири 4 ″ x 4 ″ парчиња обична бела памучна ткаенина
  • Едно парче водоотпорна ткаенина 4 ″ x 4 ((што е прилагодено на нано ниво - не се третира со водоотпорен спреј). Ткаенина може да се најде на amazon.com или локална продавница за занаетчиски производи.
  • Восок
  • Боички
  • Ленено семе
  • Кокосово масло / Криско
  • ланолин
  • Глина
  • лепак
  • Наскоро или занаетчиски стапчиња за измазнување

Материјали за тестирање

  • Вода (или обоена вода / сок)
  • Мијалник или кофа

материјали

  • Вода (или обоена вода / сок)
  • Мијалник или кофа
  • Опсег на микроскоп или камера (опционално)

Процесот на

Над кофа или мијалник, истурете вода над секое парче ткаенина додека тимовите набудуваат дали водата е мониста нагоре или се апсорбира. Ако е можно, можете да користите обоена вода или сок за подобро да видите дали течноста се апсорбира.

Дизајн предизвик

Вие сте дел од тим инженери на кои им е даден предизвик да развијат нов процес за хидроизолација на облеката. За целите на вашиот предизвик, „водоотпорен“ значи дека водата не треба да се апсорбира од ткаенината, туку наместо тоа, ќе биде монистра на ткаенината.

Критериуми

  • Водата мора да биде монистра на ткаенината.

Ограничувања

  • Користете ги само дадените материјали.
  1. Пауза од часови во тимови од 2-3.
  2. Поделете го работниот лист Нано хидроизолација, како и неколку листови хартија за дизајнирање скици.
  3. Дискутирајте за темите во делот за концепти во заднина. Размислете да ги прашате учениците кои парчиња облека што ги имате и се водоотпорни. Што ги прави водоотпорни?
  4. Прегледајте го процесот на инженерско дизајнирање, предизвик за дизајн, критериуми, ограничувања и материјали.
  5. Обезбедете им на секој тим свои материјали.
  6. Објаснете дека студентите мора да смислат начин да „водоотпорат“ парче ткаенина што на крајот би било направено во кошула. Во овој случај, „водоотпорен“ значи дека водата не треба да се апсорбира од ткаенината, туку наместо тоа, ќе биде монистра на ткаенината.
  7. Најавете го времето што треба да го развијат и применете ги нивните хидроизолациони пристапи (се препорачува 1 час).
  8. 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.
  9. Студентите се среќаваат и развиваат пишан план за три различни пристапи: Ткаенина А, Ткаенина Б и Ткаенина Ц (четврто парче ткаенина е дадено во случај на грешки). Тие се согласуваат за материјалите што ќе им бидат потребни.
  10. Студентите го применуваат својот пристап до 3 парчиња ткаенина. Тие треба да го обележат секое парче ткаенина за да знаат кој процес е применет.
  11. Научете ги студентите визуелно да го испитаат секое парче ткаенина (пристапот до микроскоп е корисен). Тие треба да го документираат она што го гледаат, забележувајќи и што гледаат и како примероците на ткаенината се разликуваат едни од други. Тие треба да забележат дали површините на ткаенината изгледаат мазни, трнливи, конвексни, вдлабнати или имаат други карактеристики. Потоа, студентите треба да го прегледаат примерокот нано ткаенина и да ги забележат нивните набудувања.
  12. Следно, упати ги студентите да ги тестираат нивните приоди на хидроизолација. Над кофа или мијалник, истурете вода над секое парче ткаенина додека екипите набудуваат дали водата е мониста нагоре или се апсорбира. Ако е можно, можете да користите обоена вода или сок за подобро да видите дали течноста се апсорбира.
  13. Екипите треба да документираат колку било водоотпорно секое парче ткаенина.
  14. Како час, дискутирајте ги прашањата за рефлексија на ученикот.
  15. За повеќе содржини на темата, видете во делот „Копање подлабоко“.

Идеја за продолжување

Постарите студенти нека се обидат да ја отстранат водоотпорната карактеристика на нано ткаенините на кој било начин на кој ќе помислат. На пример, тие можат да ја чистат површината, да ја обојат, да ја сварат, да ја измијат, да ја замрзнат или да ја испеглаат.

Факултативна наставка за изработка на модели

Учениците нека градат модел што го претставува хидрофобниот ефект. Ова може да се направи со топче од пена со сламки или чепкалки за заби прикачени за симулирање на ситни проекции слични на косата што ја чуваат водата од директната површина на некои лисја. Ова исто така ќе помогне визуелно да илустрира како работи хидроизолацијата во нано скала.

Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)

  1. Дали некои од ткаенините се покажаа водоотпорни? Ако да, која процедура според вас беше најдобра и зошто? Ако не, зошто мислите дека вашите постапки не функционираа?
  2. Кое решение за друг тим според вас најдобро функционираше? Зошто?
  3. Што мислите, што би се случило ако ја измиете и исушите ткаенината? Дали би ја задржал хидроизолацијата?
  4. Кое беше нај изненадувачкото набудување за време на споредбата на микроскопот (ако го завршивте тој дел од активноста)?
  5. Како нано-третираната ткаенина се спореди со вашата најуспешна ткаенина во тестот за вода?
  6. Како нано-третираната ткаенина се спореди со вашата најуспешна ткаенина под микроскоп?
  7. Ако требаше да го сторите тоа одново, како вашиот тим ќе пристапуваше поинаку на овој предизвик? Зошто?
  8. Дали мислите дека инженерите за материјали треба да ги прилагодат своите оригинални идеи за време на тестирањето на производот? Зошто би можеле?
  9. Дали откривте дека во вашата училница има многу различни решенија кои ја исполнуваат целта на проектот? Што ви кажува ова за тоа како инженерските тимови ги решаваат проблемите во реалниот свет?
  10. Дали мислите дека би можеле полесно да го завршите овој проект ако работевте сами? Објасни
  11. Кои други апликации може да помислите каде може да се промени површина во нано скалата за да се подобрат функциите или перформансите? Една идеја е обложување на шофершајбни, така што водата тече побрзо… .. за што можете да помислите?

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.

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 потребни се 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.

bestdesign36-Bigstock.com

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 може да биде „големо“ мало! 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

галицкаја- Бигсток.com

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

  • Ограничувања: Ограничувања со материјалот, времето, големината на тимот итн.
  • Критериуми: Услови кои дизајнот мора да ги задоволува како неговата вкупна големина итн.
  • Инженери: Пронаоѓачи и решавачи на проблеми на светот. Дваесет и пет главни специјалитети се препознаени во инженерството (види инфографик).
  • Процес на инженерско дизајнирање: Процесните инженери користат за да решаваат проблеми. 
  • Инженерски навики на умот (EHM): Шест уникатни начини на кои размислуваат инженерите.
  • Хидрофобни: својство на молекулите кои не се мешаат со вода. 
  • Итерација: Тестот и редизајнот е една итерација. Повторете (повеќе повторувања).
  • Нанотехнологија: Способност за набљудување, мерење, па дури и манипулирање со материјали во молекуларна или атомска скала.
  • Прототип: Работен модел на решението што треба да се тестира.
  • Електронски микроскоп за скенирање: Специјален тип на електронски микроскоп кој создава слики од површината на примерокот со скенирање со високоенергетски сноп од електрони во растерска шема на скенирање.
  • Хидроизолација: Изработка на нешто отпорно на вода. 

Препорачано четиво

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

Активност за пишување

Напишете есеј или пасус за потенцијалните придобивки од примената на нанотехнологијата на ткаенини, површини или материјали што се користат во болници или домови за стари лица?

Усогласување со рамки на наставните програми

Белешка: Сите планови за лекции во оваа серија се усогласени со Национални стандарди за образование во наука кои беа произведени од  Национален совет за истражување и одобрен од Националната асоцијација на наставници по наука, и доколку е применливо, исто така, на Стандардите за меѓународна технолошка асоцијација за технолошка писменост или Националниот совет на наставници по математички принципи и стандарди за училишна математика.

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 
  • Разбирање за 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 
  • Способности да се прави разлика помеѓу природни предмети и предмети изработени од луѓе 

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

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

  • Наука и технологија во локалните предизвици 

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 

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

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

  • Наука и технологија во општеството 

Национални стандарди за образование во наука Одделение 9-12 (возраст од 14 до 18 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

  • Структура на атомите 
  • Структура и својства на материјата 

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

  • Наука и технологија во локални, национални и глобални предизвици 

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.

дизајн

  • Стандард 9: Студентите ќе развијат разбирање за инженерскиот дизајн.
  • Стандард 10: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на смена на проблеми, истражување и развој, пронајдоци и иновации и експериментирање во решавање проблеми.

Способности за технолошки свет

  • Стандард 11: Студентите ќе развијат способности за примена на процесот на дизајнирање.
  • Стандард 13: Студентите ќе развијат способности за проценка на влијанието на производите и системите.

Дизајнираниот свет

  • Стандард 19: Студентите ќе развијат разбирање за и ќе можат да изберат и да користат технологии на производство.
ГРОГЛ- Бигсток.com

Вие сте дел од тим инженери на кои им е даден предизвик да развијат нов процес за хидроизолација на облеката. Ви се обезбедени неколку парчиња памук заедно со многу можни материјали што можеби ќе одлучите да ги користите за вашата хидроизолациона техника. За целите на вашиот предизвик, „водоотпорен“ значи дека водата не треба да се апсорбира од ткаенината, туку наместо тоа, ќе биде монистра на ткаенината. Може да пробате две или три различни решенија и да видите кое најдобро одговара!

Фаза на планирање

Запознајте се како тим и разговарајте за проблемот што треба да го решите. Користете го полето подолу за да го опишете вашето решение и наведете ги материјалите што мислите дека ќе ви требаат за да одговорите на предизвикот. Објаснете зошто мислите дека вашето решение ќе го реши проблемот!

 

 

Ткаенина А.

Вашиот план и хипотеза:

 

 

Потребни материјали:

 

 

 

 

Ткаенина Б.

Вашиот план и хипотеза:

 

 

Потребни материјали:

 

 

 

 

Ткаенина Ц.

Вашиот план и хипотеза:

 

 

Потребни материјали:

 

 

 


Фаза на производство

Извршете го секој од вашите планови (задолжително обележете го секое парче ткаенина, за да знаете каков процес сте примениле на него).

 

Фаза на истрага

Ако имате пристап до микроскоп, испитајте ги сите ваши парчиња ткаенина и во полето подолу опишете што гледате, забележувајќи и што гледате и како тие се разликуваат од другите примероци на ткаенина. Haveе имате шанса да испитате примерок од ткаенина што е изменета и на нано ниво! Размислете дали површините на ткаенината изгледаат мазни, трнливи, конвексни, конкавни или имаат други карактеристики.

 

Површински наб Surудувања
Ткаенина А. Ткаенина Б. Ткаенина Ц. Нано ткаенина
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тест фаза

Преку мијалник или мијалник истурете вода врз ткаенината и проверете дали има монистра или се апсорбира. Ако вашиот учител се согласи, можеби ќе сакате да користите обоена вода или сок за полесно да видите дали водата воопшто се апсорбира. Обележете ги вашите забелешки подолу.

 

Набationsудувања за испитување на вода
Ткаенина А. Ткаенина Б. Ткаенина Ц. Нано ткаенина
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фаза на евалуација

Пополнете ги следниве прашања како група:

  1. Дали некои од ткаенините се покажаа водоотпорни?

Ако да, која процедура според вас беше најдобра и зошто?

Ако не, зошто мислите дека вашите постапки не функционираа?

 

 

 

 

 

 

  1. Кое решение за друг тим според вас најдобро функционираше? Зошто?

 

 

 

 

 

 

  1. Што мислите, што би се случило ако ја измиете и исушите ткаенината? Дали би ја задржал хидроизолацијата?

 

 

 

 

 

 

  1. Кое беше нај изненадувачкото набудување за време на споредбата на микроскопот (ако го завршивте тој дел од активирањето)?

 

 

 

 

 

 

  1. Како нано-третираната ткаенина се спореди со вашата најуспешна ткаенина во тестот за вода?

 

 

 

 

 

 

  1. Како нано-третираната ткаенина се спореди со вашата најуспешна ткаенина под микроскоп?

 

 

 

 

 

 

  1. Ако требаше да го сторите тоа одново, како вашиот тим ќе пристапуваше поинаку на овој предизвик? Зошто?

 

 

 

 

 

 

  1. Дали мислите дека инженерите за материјали треба да ги прилагодат своите оригинални идеи за време на тестирањето на производот? Зошто би можеле?

 

 

 

 

 

 

  1. Дали откривте дека во вашата училница има многу различни решенија кои ја исполнуваат целта на проектот? Што ви кажува ова за тоа како инженерските тимови ги решаваат проблемите во реалниот свет?

 

 

 

 

 

 

  1. Дали мислите дека би можеле полесно да го завршите овој проект ако работевте сами? Објасни

 

 

 

 

 

 

11. Кои други апликации можете да ги замислите каде може да се промени површина во нано скалата за да се подобрат функциите или перформансите? Една идеја е обложување на шофершајбни, така што водата тече побрзо… .. за што можете да помислите?

 

 

 

 

Преземање на студентски сертификат за завршување