Wees een Scanning Probe Microscoop

Bouwmaterialen (voor elk team)

Benodigde materialen voor de klas

• Doos met item op de bodem (liniaal, papieren beker, baksteen, stuk fruit)
• Blinddoek of knip een gat in de doos zodat de leerlingen hun hand en een potlood erin kunnen doen, zonder te zien wat er in de doos zit. 

Benodigde materialen voor teams

• Papier
• Pen
• Potlood
• Toegang tot internet, optioneel

Ontwerpuitdaging

Je bent een team van ingenieurs die de uitdaging hebben gekregen om met een potloodsonde twee verschillende objecten in een doos te "voelen" (zonder de objecten te zien). Vervolgens teken je wat je "zag" en stem je als team af wat het voorwerp in de doos zou kunnen zijn. Vervolgens ontwikkelen teams een gedetailleerde tekening met het overeengekomen object.

criteria

• Moet een potlood gebruiken om de objecten te "voelen".
• Mag de objecten niet kunnen zien (een blinddoek of een gat in de doos om in een hand en een potlood te passen)

beperkingen

• Gebruik alleen de verstrekte materialen.

Benodigde tijd: één tot twee sessies van 45 minuten.

1. Verdeel de klas in teams van 2-4.
2. Deel het werkblad Wees een Scanning Probe Microscoop uit.
3. Bespreek de onderwerpen in de sectie Achtergrondconcepten. Vraag de leerlingen te bedenken hoe ingenieurs het oppervlak meten van dingen die te klein zijn om te zien. Als internet beschikbaar is, deel dan The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Bekijk het Engineering Design Process, Design Challenge, Criteria, Constraints en Materials.
5. Geef elk team hun materiaal.
6. Leg uit dat leerlingen een potlood moeten gebruiken om twee verschillende objecten in een doos te 'voelen' (geblinddoekt). Vervolgens tekenen ze wat ze "zagen" en komen als team overeen wat het object in de doos zou kunnen zijn. Ten slotte ontwikkelen teams een gedetailleerde tekening met het object dat ze hebben afgesproken.
7. Kondig de hoeveelheid tijd aan die ze hebben om de activiteit te voltooien (1 uur aanbevolen).
8. Gebruik een timer of een online stopwatch (aftelfunctie) om ervoor te zorgen dat u op tijd blijft. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Geef leerlingen regelmatig "tijdcontroles", zodat ze bij de les blijven. Als ze het moeilijk hebben, stel dan vragen die hen sneller tot een oplossing zullen leiden.
9. Instrueer de leerlingen om het volgende te doen:
   • Elke student van het team gebruikt om de beurt een potloodsonde om de vorm te bepalen om objecten in een doos te identificeren. U kunt ofwel geblinddoekt zijn, ofwel een gat in een doos laten snijden zodat uw hand en het potlood erin kunnen zitten zonder dat u ziet wat er in de doos zit.
   • Gebruik alleen de punt van het potlood om de inhoud of het oppervlak van de bodem van de doos te onderzoeken.
   • Houd in gedachten de hoogte van de objecten die je waarneemt, hun vorm en totale grootte bij.
   • Teken vervolgens wat je "zag" op een stuk papier - je zou een boven- en zijaanzicht kunnen overwegen om te helpen bepalen wat er in de doos zit.
   • Wanneer elke student in het team het onderzoek heeft gedaan, werk dan samen en deel je tekeningen en meningen over wat er in de doos zit. Kom als team tot een consensus en ontwikkel een definitieve tekening met geschatte afmetingen van het object.
10. Teams presenteren uw ideeën, tekeningen en metingen aan de klas en luisteren naar de presentaties van de andere teams. Ze moeten vergelijken hoe nauw hun team was bij het bepalen van de werkelijke grootte en vorm.
11. Bespreek klassikaal de reflectievragen van de leerlingen.
12. Voor meer inhoud over dit onderwerp, zie het gedeelte "Dieper graven".

Optionele uitbreidingsactiviteit

Laat de leerlingen met de ene hand spiegelen wat ze "voelen" in de doos, door met de andere hand tegelijkertijd op papier te tekenen.

Student Reflection (technisch notitieboek)

1. Hoe nauwkeurig in termen van de vorm was uw team bij het identificeren van het object? Wat heb je in de doos gevonden?
2. Hoe nauwkeurig was uw team bij het bepalen van de werkelijke grootte van het object in de doos?
3. Met welk percentage wijkt uw geschatte maat af van de werkelijke grootte van het object in de doos?
4. Denkt u dat de hoeveelheid tijd die u nam om in de doos met de sonde te "kijken", van invloed was op de nauwkeurigheid van uw bevindingen?
5. Dacht je dat het werken als een team dit project gemakkelijker of moeilijker maakte? Waarom?

Voor oudere leerlingen kan de les in slechts 1 lesperiode worden gedaan. Om studenten echter te helpen zich gehaast te voelen en om studentensucces te garanderen (vooral voor jongere studenten), splitst u de les in twee perioden, zodat de studenten meer tijd hebben om te brainstormen, ideeën te testen en hun ontwerp af te ronden. Voer de testen en debriefing uit in de volgende lesperiode.

Wat is nanotechnologie?

Stel je voor dat je de beweging van een rode bloedcel kunt observeren terwijl deze door je ader beweegt. Hoe zou het zijn om de natrium- en chlooratomen te observeren als ze dichtbij genoeg komen om elektronen over te dragen en een zoutkristal te vormen, of om de vibratie van moleculen te observeren terwijl de temperatuur stijgt in een pan met water? Door tools of 'scopes' die de afgelopen decennia zijn ontwikkeld en verbeterd, kunnen we situaties waarnemen zoals veel van de voorbeelden aan het begin van deze paragraaf. Dit vermogen om materialen op moleculaire of atomaire schaal te observeren, te meten en zelfs te manipuleren, wordt nanotechnologie of nanowetenschap genoemd. Als we een nano "iets" hebben, hebben we een miljardste van dat iets. Wetenschappers en ingenieurs passen het nano-voorvoegsel toe op veel 'iets', waaronder meters lengte), seconden (tijd), liters (volume) en grammen (massa) om een ​​begrijpelijkerwijs zeer kleine hoeveelheid weer te geven. Meestal wordt nano toegepast op de lengteschaal en we meten en praten over nanometers (nm). Individuele atomen zijn kleiner dan 1 nm in diameter, en er zijn ongeveer 10 waterstofatomen op een rij nodig om een ​​lijn van 1 nm lang te maken. Andere atomen zijn groter dan waterstof, maar hebben nog steeds een diameter van minder dan een nanometer. Een typisch virus is ongeveer 100 nm in diameter en een bacterie is ongeveer 1000 nm kop aan staart. De instrumenten die ons in staat hebben gesteld om de voorheen onzichtbare wereld van de nanoschaal te observeren, zijn de Atomic Force Microscope en de Scanning Electron Microscope.

Hoe groot is klein?

Het kan moeilijk zijn om te visualiseren hoe klein dingen zijn op nanoschaal. De volgende oefening kan je helpen visualiseren hoe groot klein kan zijn! Denk aan een bowlingbal, een biljartbal, een tennisbal, een golfbal, een knikker en een erwt. Denk na over de relatieve grootte van deze items.

Scanning elektronenmicroscoop

De scanning-elektronenmicroscoop is een speciaal type elektronenmicroscoop dat afbeeldingen van een monsteroppervlak maakt door het te scannen met een hoogenergetische bundel van elektronen in een rasterscanpatroon. In een rasterscan wordt een afbeelding opgedeeld in een reeks (meestal horizontale) stroken die bekend staat als 'scanlijnen'. De elektronen interageren met de atomen waaruit het monster bestaat en produceren signalen die gegevens verschaffen over de vorm, samenstelling van het oppervlak en zelfs of het elektriciteit kan geleiden. Veel afbeeldingen die zijn gemaakt met scanning-elektronenmicroscopen kunnen worden bekeken op: www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atomic Force Microscopen

Beeldvorming op nanoschaal

Om te "zien" hoe het oppervlak van materialen eruitziet op nanoschaal, hebben ingenieurs een reeks apparaten en systemen ontwikkeld om te onderzoeken hoe het oppervlak van een object zich gedraagt. U kunt veel afbeeldingen bekijken bij Dartmouth Electron Microscope Facility op www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atomic Force Microscopen

Een Atomic Force Microscope is een speciaal type scanning probe microscope (SPM), dat informatie verzamelt door een sonde te gebruiken om het oppervlak van een onderwerp aan te raken of eroverheen te bewegen. De resolutie is zeer hoog, op een fractie van een nanometer. De AFM werd in 1982 uitgevonden door IBM en de eerste commercieel verkrijgbare atoomkrachtmicroscoop werd geïntroduceerd in 1989. De AFM blijft een van de belangrijkste instrumenten voor het meten en afbeelden van alles op nanoschaal. Het kan vrij nauwkeurig een driedimensionaal beeld of topografie van een monster ontwikkelen en heeft veel toepassingen. Als je je kunt voorstellen dat je je ogen sluit en de punt van een potlood gebruikt om erachter te komen welk voorwerp in een doos zat, kun je je voorstellen hoe dit type microscoop werkt! Een voordeel van een Atomic Force Microscope is dat deze geen speciale omgeving nodig heeft en goed werkt in een gemiddelde omgeving, of zelfs in vloeistof. Dit maakt het mogelijk om biologie op macromolecuulniveau te onderzoeken, of zelfs levende organismen te beoordelen.

Internetverbindingen

• Atoomkrachtmicroscopie
• De virtuele microscoop

Aanbevolen Reading

• Scanning Probe Microscopie: het lab op een tip (geavanceerde teksten in de natuurkunde) (ISBN: 978-3642077371)
• Scanning probe microscopie (ISBN: 978-3662452394)

Schrijfactiviteit

Schrijf een essay of een paragraaf over hoe de vooruitgang door nanotechnologie de gezondheidszorg en geneeskunde heeft beïnvloed.

Afstemming op leerplankaders

Opmerking: Lesplannen in deze serie zijn afgestemd op een of meer van de volgende sets normen:

• S. Normen voor wetenschappelijk onderwijs (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Volgende generatie wetenschappelijke normen (http://www.nextgenscience.org/)
• International Technology Education Association's Standards for Technological Literacy (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Common Core State Standards voor wiskunde (http://www.corestandards.org/Math)
• Computer Science Teachers Association K-12 Computer Science Standards (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nationale normen voor wetenschappelijk onderwijs Cijfers K-4 (leeftijd 4-9)

INHOUD STANDAARD A: Wetenschap als onderzoek

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen zich ontwikkelen

• Vaardigheden die nodig zijn om wetenschappelijk onderzoek te doen
• Inzicht in wetenschappelijk onderzoek

INHOUD STANDAARD B: Fysische wetenschappen

Als resultaat van de activiteiten moeten alle leerlingen inzicht krijgen in:

• Eigenschappen van objecten en materialen
• Positie en beweging van objecten

INHOUDSTANDAARD E: Wetenschap en technologie

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen zich ontwikkelen

• Vaardigheden van technologisch ontwerp

INHOUDSTANDAARD F: Wetenschap in persoonlijk en sociaal perspectief

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen begrip ontwikkelen voor

• Wetenschap en technologie in lokale uitdagingen

INHOUDSTANDAARD G: Geschiedenis en aard van de wetenschap

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen begrip ontwikkelen voor

• Wetenschap als een menselijke onderneming

Nationale normen voor wetenschappelijk onderwijs Cijfers 5-8 (leeftijd 10-14)

INHOUD STANDAARD A: Wetenschap als onderzoek

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen zich ontwikkelen

• Vaardigheden die nodig zijn om wetenschappelijk onderzoek te doen
• Begrippen over wetenschappelijk onderzoek

INHOUD STANDAARD B: Fysische wetenschappen

Als resultaat van hun activiteiten moeten alle leerlingen inzicht krijgen in:

• Eigenschappen en veranderingen van eigenschappen in materie

INHOUDSTANDAARD E: Wetenschap en technologie

Als resultaat van activiteiten in de klassen 5-8, zouden alle studenten zich moeten ontwikkelen

• Vaardigheden van technologisch ontwerp
• Begrippen over wetenschap en technologie

INHOUDSTANDAARD F: Wetenschap in persoonlijk en sociaal perspectief

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen begrip ontwikkelen voor

• Wetenschap en technologie in de samenleving 

Nationale normen voor wetenschappelijk onderwijs Cijfers 5-8 (leeftijd 10-14)

INHOUDSTANDAARD G: Geschiedenis en aard van de wetenschap

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen begrip ontwikkelen voor

• Wetenschap als een menselijke onderneming
• Aard van de wetenschap

Nationale normen voor wetenschappelijk onderwijs Cijfers 9-12 (leeftijd 14-18)

INHOUD STANDAARD A: Wetenschap als onderzoek

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen zich ontwikkelen

• Vaardigheden die nodig zijn om wetenschappelijk onderzoek te doen
• Begrippen over wetenschappelijk onderzoek

INHOUD STANDAARD B: Fysische wetenschappen

Als resultaat van hun activiteiten zouden alle leerlingen begrip moeten ontwikkelen voor

• Structuur en eigenschappen van materie

INHOUDSTANDAARD E: Wetenschap en technologie

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen zich ontwikkelen

• Vaardigheden van technologisch ontwerp
• Begrippen over wetenschap en technologie

INHOUDSTANDAARD F: Wetenschap in persoonlijk en sociaal perspectief

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen begrip ontwikkelen voor

• Wetenschap en technologie in lokale, nationale en mondiale uitdagingen

INHOUDSTANDAARD G: Geschiedenis en aard van de wetenschap

Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen begrip ontwikkelen voor

• Wetenschap als een menselijke onderneming
• Aard van wetenschappelijke kennis
• historische perspectieven

 Next Generation Science Standards Grades 2-5 (leeftijden 7-11)

Studenten die begrip tonen kunnen:

Materie en zijn interacties

• 5-PS1-1. Ontwikkel een model om te beschrijven dat materie bestaat uit deeltjes die te klein zijn om gezien te worden.
• 5-PS1-3. Voer observaties en metingen uit om materialen te identificeren op basis van hun eigenschappen. 

Normen voor technologische geletterdheid – alle leeftijden 

De aard van technologie

• Standaard 1: Studenten ontwikkelen inzicht in de kenmerken en reikwijdte van technologie.
• Standaard 2: Studenten ontwikkelen inzicht in de kernbegrippen van technologie.
• Standaard 3: Studenten ontwikkelen inzicht in de relaties tussen technologieën en de verbindingen tussen technologie en andere vakgebieden. 

Technologie en Maatschappij

• Standaard 4: Studenten ontwikkelen inzicht in de culturele, sociale, economische en politieke effecten van technologie.
• Standaard 6: Studenten ontwikkelen inzicht in de rol van de samenleving bij de ontwikkeling en het gebruik van technologie.
• Standaard 7: Studenten ontwikkelen inzicht in de invloed van technologie op de geschiedenis.

Vaardigheden voor een technologische wereld

Standaard 13: Studenten ontwikkelen vaardigheden om de impact van producten en systemen te beoordelen.

Probeer eens een Scanning Probe Microscoop te zijn!

Onderzoeksfase

Lees het materiaal dat je van je docent hebt gekregen. Als je toegang hebt tot internet, bekijk dan ook de tutorial op deze website: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Het zal illustreren hoe de scanning probe microscopen werken en u helpen begrijpen hoe u een soortgelijke taak zult uitvoeren door middel van deze activiteit.

Probeer het!

Elke leerling in uw team gebruikt om de beurt een potloodsonde om de vorm of identificatie van een object in een doos te bepalen. U kunt ofwel geblinddoekt zijn, ofwel een gat in een doos laten snijden zodat uw hand en het potlood erin kunnen zitten zonder dat u ziet wat er in de doos zit.

Gebruik alleen de punt van het potlood om de inhoud of het oppervlak van de bodem van de doos te onderzoeken. Houd in gedachten de hoogte van de objecten die je waarneemt, hun vorm en totale grootte bij.

Teken vervolgens wat je "zag" op een stuk papier - je zou een boven- en zijaanzicht kunnen overwegen om te helpen bepalen wat er in de doos zit.

Wanneer elke student in het team het onderzoek heeft gedaan, werk dan samen en deel je tekeningen en meningen over wat er in de doos zit. Kom als team tot een consensus en ontwikkel een definitieve tekening met geschatte afmetingen van het object

Presentatie- en reflectiefase

Presenteer je ideeën, tekeningen en afmetingen aan de klas en luister naar de presentaties van de andere teams. Zie hoe dicht uw team, of de andere teams, bij het bepalen van de werkelijke grootte en vorm waren. Vul dan het reflectieblad in.

Afspiegeling

Vul onderstaande reflectievragen in:

1. Hoe nauwkeurig in termen van de vorm was uw team bij het identificeren van het object? Wat heb je in de doos gevonden?

2. Hoe nauwkeurig was uw team bij het bepalen van de werkelijke grootte van het object in de doos?

3. Met welk percentage wijkt uw geschatte maat af van de werkelijke grootte van het object in de doos?

4. Denkt u dat de hoeveelheid tijd die u nam om in de doos met de sonde te "kijken", van invloed was op de nauwkeurigheid van uw bevindingen?

5. Dacht je dat het werken als een team dit project gemakkelijker of moeilijker maakte? Waarom?