Nano-waterdichting
Deze les onderzoekt hoe materialen op nanoschaal kunnen worden aangepast om functies te bieden zoals waterdichtheid en vlekbestendigheid. Studententeams ontwikkelen hun eigen waterdichtingstechniek voor een katoenen stof en testen hun ontwerp tegen een stof die is gewijzigd door nanotechnologische toepassingen.
- Leer over nanotechnologie.
- Lees meer over het hydrofobe effect.
- Leer over oppervlakte.
- Leer meer over teamwork en werken in groepen.
Leeftijdsniveaus: 8-18
Bouwmaterialen (voor elk team)
Benodigde materialen
- Vier 4 "x 4" stukken effen witte katoenen stof
- Eén stuk waterdichte stof van 4 "x 4" (dat op nano-niveau is aangepast - niet behandeld met waterdichte spray). Stof is te vinden op amazon.com of een plaatselijke ambachtelijke winkel.
- Wax
- Kleurpotloden
- Lijnzaad
- Kokosolie/Crisco
- lanolin
- Eetbare klei
- Lijm
- Soons of knutselstokjes om glad te strijken
Testmaterialen
- Water (of gekleurd water/sap)
- Spoelbak of emmer
Materialen
- Water (of gekleurd water/sap)
- Spoelbak of emmer
- Microscoop of camerascope (optioneel)
Proces
Giet water boven een emmer of gootsteen over elk stuk stof terwijl teams kijken of het water parelt of wordt geabsorbeerd. Indien mogelijk kunt u gekleurd water of sap gebruiken om beter te zien of de vloeistof wordt opgenomen.
Ontwerpuitdaging
Je maakt deel uit van een team van ingenieurs die de uitdaging hebben gekregen om een nieuw proces te ontwikkelen voor het waterdicht maken van kleding. Voor uw uitdaging betekent "waterdicht" dat water niet door de stof moet worden geabsorbeerd, maar in plaats daarvan op de stof zal parelen.
criteria
- Er moet water op de stof parelen.
beperkingen
- Gebruik alleen de verstrekte materialen.
- Verdeel de klas in teams van 2-3.
- Deel het werkblad Nano-waterdichting uit, evenals enkele vellen papier om ontwerpen te schetsen.
- Bespreek de onderwerpen in de sectie Achtergrondconcepten. Overweeg om de cursisten te vragen welke kledingstukken je hebt die waterdicht zijn. Wat maakt ze waterdicht?
- Bekijk het Engineering Design Process, Design Challenge, Criteria, Constraints en Materials.
- Geef elk team hun materiaal.
- Leg uit dat de leerlingen een manier moeten bedenken om een stuk stof waar uiteindelijk een overhemd van wordt gemaakt, waterdicht te maken. In dit geval betekent "waterdicht" dat water niet door de stof moet worden geabsorbeerd, maar in plaats daarvan op de stof zal parelen.
- Kondig de hoeveelheid tijd aan die ze hebben om hun waterdichtingsmethoden te ontwikkelen en toe te passen (1 uur aanbevolen).
- 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.
- Studenten ontmoeten elkaar en ontwikkelen een schriftelijk plan voor drie verschillende benaderingen: stof A, stof B en stof C (een vierde stuk stof wordt verstrekt in geval van fouten). Ze spreken af welke materialen ze nodig hebben.
- De leerlingen passen hun aanpak toe op 3 stukken stof. Ze moeten elk stuk stof markeren, zodat ze weten welk proces is toegepast.
- Instrueer de studenten om elk stuk stof visueel te onderzoeken (toegang tot een microscoop is handig). Ze moeten documenteren wat ze zien, en noteren wat ze zien en hoe de stofmonsters van elkaar verschillen. Ze moeten opmerken of de stofoppervlakken glad, hobbelig, convex, concaaf of andere kenmerken hebben. Studenten moeten dan de nanostof van het monster inspecteren en hun observaties noteren.
- Instrueer vervolgens de leerlingen om hun waterdichtingsmethoden te testen. Over een emmer of gootsteen giet je water over elk stuk stof terwijl teams kijken of het water parelt of wordt geabsorbeerd. Indien mogelijk kunt u gekleurd water of sap gebruiken om beter te zien of de vloeistof wordt opgenomen.
- Teams moeten documenteren hoe waterdicht elk stuk stof was.
- Bespreek klassikaal de reflectievragen van de leerlingen.
- Voor meer inhoud over dit onderwerp, zie het gedeelte "Dieper graven".
Uitbreiding idee
Laat oudere leerlingen op elke mogelijke manier proberen de waterdichtheid van nanostoffen te verwijderen. Ze kunnen bijvoorbeeld het oppervlak schrobben, verven, koken, wassen, invriezen of strijken.
Optionele uitbreiding voor modelbouw
Laat de leerlingen een model bouwen dat het hydrofobe effect weergeeft. Dit kan worden gedaan met een schuimbal met rietjes of tandenstokers eraan om de kleine haarachtige uitsteeksels te simuleren die water van het directe oppervlak van sommige bladeren houden. Dit zal ook helpen om visueel te illustreren hoe waterdichting werkt op nanoschaal.
Student Reflection (technisch notitieboek)
- Is een van uw stoffen waterdicht gebleken? Zo ja, welke procedure was volgens u de beste en waarom? Zo nee, waarom denkt u dat uw procedures niet hebben gewerkt?
- Welke oplossing van een ander team werkte volgens jou het beste? Waarom?
- Wat denk je dat er zou gebeuren als je je stof wast en droogt? Zou het de waterdichtheid behouden?
- Wat was de meest verrassende observatie tijdens de microscoopvergelijking (als je dat deel van de activiteit hebt voltooid)?
- Hoe verhield de met nano behandelde stof zich tot uw meest succesvolle stof in de watertest?
- Hoe verhield de met nano behandelde stof zich tot uw meest succesvolle stof onder de microscoop?
- Als u het allemaal opnieuw zou moeten doen, hoe zou uw team deze uitdaging dan anders hebben aangepakt? Waarom?
- Denk je dat materiaalingenieurs hun originele ideeën moeten aanpassen tijdens het testen van producten? Waarom zouden ze?
- Heb je gemerkt dat er in je klas veel verschillende oplossingen waren die aan het projectdoel voldeden? Wat zegt dit over hoe technische teams problemen in de echte wereld oplossen?
- Denk je dat je dit project gemakkelijker had kunnen voltooien als je alleen had gewerkt? Leg uit…
- Welke andere toepassingen kunt u bedenken waarbij een oppervlak op nanoschaal kan worden gewijzigd om de functie of prestaties te verbeteren? Een idee is om voorruiten te coaten zodat het water sneller wegstroomt…..wat kun je bedenken?
Tijdswijziging
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 daadwerkelijk elektronen over te dragen en een zoutkristal te vormen, of om de vibratie van moleculen te observeren als 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 waar te nemen, 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 te vertegenwoordigen wat begrijpelijkerwijs een zeer kleine hoeveelheid is. 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 waarmee we de voorheen onzichtbare wereld van de nanoschaal konden 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
- Beperkingen: Beperkingen met materiaal, tijd, teamgrootte, enz.
- Criteria: Voorwaarden waaraan het ontwerp moet voldoen, zoals de totale grootte, enz.
- Ingenieurs: uitvinders en probleemoplossers van de wereld. In de techniek worden XNUMX grote specialiteiten erkend (zie infographic).
- Engineering Design Process: procesingenieurs gebruiken om problemen op te lossen.
- Engineering Habits of Mind (EHM): Zes unieke manieren waarop ingenieurs denken.
- Hydrofoob: een eigenschap van moleculen die zich niet met water vermengen.
- Iteratie: Test & herontwerp is één iteratie. Herhaal (meerdere iteraties).
- Nanotechnologie: het vermogen om materialen op moleculaire of atomaire schaal te observeren, te meten en zelfs te manipuleren.
- Prototype: Een werkend model van de te testen oplossing.
- Scanning Electron Microscope: Speciaal type elektronenmicroscoop dat afbeeldingen maakt van een monsteroppervlak door het te scannen met een hoogenergetische bundel elektronen in een rasterscanpatroon.
- Waterdicht maken: iets waterbestendig maken.
Aanbevolen Reading
- Nanotechnologie voor dummies (ISBN: 978-0470891919)
- Nanotechnologie: kleine systemen begrijpen (ISBN: 978-1138072688)
Schrijfactiviteit
Een essay of een paragraaf schrijven over mogelijke voordelen van het toepassen van nanotechnologie op stoffen, oppervlakken of materialen die worden gebruikt in ziekenhuizen of verpleeghuizen?
Afstemming op leerplankaders
Opmerking: alle lesplannen in deze serie zijn afgestemd op de Nationale normen voor wetenschappelijk onderwijs die werden geproduceerd door de National Research Council en goedgekeurd door de National Science Teachers Association, en, indien van toepassing, ook door de International Technology Education Association's Standards for Technological Literacy of de National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics.
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
INHOUDSTANDAARD E: Wetenschap en technologie
Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen zich ontwikkelen
- Vaardigheden van technologisch ontwerp
- Vaardigheden om onderscheid te maken tussen natuurlijke objecten en objecten gemaakt door mensen
INHOUDSTANDAARD F: Wetenschap in persoonlijk en sociaal perspectief
Als resultaat van activiteiten moeten alle leerlingen begrip ontwikkelen voor
- Wetenschap en technologie in lokale uitdagingen
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 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 van atomen
- 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
Normen voor technologische geletterdheid – alle leeftijden
De aard van technologie
- Standaard 1: Studenten ontwikkelen inzicht in de kenmerken en reikwijdte van technologie.
- Standaard 3: Studenten ontwikkelen inzicht in de relaties tussen technologieën en de verbindingen tussen technologie en andere vakgebieden.
Design
- Standaard 9: Studenten ontwikkelen inzicht in technisch ontwerp.
- Standaard 10: Studenten ontwikkelen inzicht in de rol van probleemoplossing, onderzoek en ontwikkeling, uitvindingen en innovatie, en experimenten bij het oplossen van problemen.
Vaardigheden voor een technologische wereld
- Standaard 11: Studenten ontwikkelen vaardigheden om het ontwerpproces toe te passen.
- Standaard 13: Studenten ontwikkelen vaardigheden om de impact van producten en systemen te beoordelen.
De ontworpen wereld
- Standaard 19: Studenten ontwikkelen inzicht in en kunnen fabricagetechnologieën selecteren en gebruiken.
Industrial Engineering
Computertechniek
Je maakt deel uit van een team van ingenieurs die de uitdaging hebben gekregen om een nieuw proces te ontwikkelen voor het waterdicht maken van kleding. Je hebt verschillende stukken katoen gekregen, samen met veel mogelijke materialen die je zou kunnen gebruiken voor je waterdichtingstechniek. Voor uw uitdaging betekent "waterdicht" dat water niet door de stof moet worden geabsorbeerd, maar in plaats daarvan op de stof zal parelen. U kunt twee of drie verschillende oplossingen proberen en kijken welke het beste werkt!
Planningsfase
Ontmoet als een team en bespreek het probleem dat u moet oplossen. Gebruik het onderstaande vak om uw oplossing te beschrijven en vermeld de materialen die u denkt nodig te hebben om de uitdaging aan te gaan. Leg uit waarom je denkt dat jouw oplossing het probleem zal oplossen!
|
Stof A Uw plan en hypothese:
Benodigde materialen:
|
|
Stof B Uw plan en hypothese:
Benodigde materialen:
|
|
Stof C Uw plan en hypothese:
Benodigde materialen:
|
Productiefase:
Voer elk van uw plannen uit (zorg ervoor dat u elk stuk stof markeert, zodat u weet welk proces u erop hebt toegepast).
Onderzoeksfase
Als je toegang hebt tot een microscoop, onderzoek dan elk van je stukken stof en beschrijf in het onderstaande vak wat je ziet, en noteer zowel wat je ziet als hoe ze verschillen van de andere stofstalen. Je krijgt de kans om een staaltje stof te bekijken dat ook op nano-niveau is veranderd! Overweeg of de stoffen oppervlakken er glad, hobbelig, bol of hol uitzien of andere kenmerken hebben.
| Oppervlaktewaarnemingen | |||
| Stof A | Stof B | Stof C | Nano-stof |
|
|
|||
Testfase:
Boven een wasbak of gootsteen giet je water over je stof en kijk of het parelt of wordt geabsorbeerd. Als je leraar het ermee eens is, wil je misschien een gekleurd water of sap gebruiken om gemakkelijker te zien of het water überhaupt wordt geabsorbeerd. Markeer je observaties hieronder.
| Watertestwaarnemingen | |||
| Stof A | Stof B | Stof C | Nano-stof |
|
|
|||
Evaluatiefase
Maak als groep de volgende vragen:
- Is een van uw stoffen waterdicht gebleken?
Zo ja, welke procedure was volgens u de beste en waarom?
Zo nee, waarom denkt u dat uw procedures niet hebben gewerkt?
- Welke oplossing van een ander team werkte volgens jou het beste? Waarom?
- Wat denk je dat er zou gebeuren als je je stof wast en droogt? Zou het de waterdichtheid behouden?
- Wat was de meest verrassende observatie tijdens de microscoopvergelijking (als je dat deel van de activiteit hebt voltooid)?
- Hoe verhield de met nano behandelde stof zich tot uw meest succesvolle stof in de watertest?
- Hoe verhield de met nano behandelde stof zich tot uw meest succesvolle stof onder de microscoop?
- Als u het allemaal opnieuw zou moeten doen, hoe zou uw team deze uitdaging dan anders hebben aangepakt? Waarom?
- Denk je dat materiaalingenieurs hun originele ideeën moeten aanpassen tijdens het testen van producten? Waarom zouden ze?
- Heb je gemerkt dat er in je klas veel verschillende oplossingen waren die aan het projectdoel voldeden? Wat zegt dit over hoe technische teams problemen in de echte wereld oplossen?
- Denk je dat je dit project gemakkelijker had kunnen voltooien als je alleen had gewerkt? Leg uit…
11. Welke andere toepassingen kun je bedenken waarbij een oppervlak op nanoschaal kan worden veranderd om de functie of prestaties te verbeteren? Een idee is om voorruiten te coaten zodat het water sneller wegstroomt…..wat kun je bedenken?
