Siła Grafenu
Ta lekcja skupia się na grafenie oraz jego właściwościach elektrycznych i zastosowaniach. Uczniowie pracują w zespołach, aby postawić hipotezę, a następnie sprawdzić, czy grafen jest przewodnikiem elektrycznym, czy izolatorem. Budują prosty obwód z przedmiotów codziennego użytku i tworzą próbkę grafenu za pomocą miękkich ołówków na papierze.
- Dowiedz się więcej o nanotechnologii.
- Dowiedz się więcej o grafenie.
- Dowiedz się o obwodach, izolatorach i przewodnikach.
- Dowiedz się, jak inżynieria może pomóc w rozwiązywaniu problemów społecznych.
- Dowiedz się o pracy zespołowej i rozwiązywaniu problemów.
Poziomy wiekowe: 8 - 18
Materiały budowlane (dla każdego zespołu)
Potrzebne materiały
- Ołówki
- Papier
- LED
- Rezystor 330 Ohm (aby zapobiec wypaleniu się diody LED)
- Izolowane złącza
- Akumulator 9 V.
- Rękawice izolacyjne
Testowanie materiałów
- Użyj materiałów budowlanych
Materiały
- Użyj materiałów budowlanych.
Przetwarzanie
Poinstruuj uczniów, aby rozważyli swoje wyzwanie i jako zespół zastanowili się, czy uważają, że grafen przewodzi lub izoluje prąd elektryczny. Powinni udokumentować swoje hipotezy.
Zespoły testują swoje hipotezy, konfigurując prosty obwód za pomocą złączy, żarówki LED, baterii i innych materiałów. Najpierw stworzą działający obwód i zobaczą, czy mogą zapalić żarówkę. Następnie powinni wyregulować swój obwód tak, aby prąd przepływał przez kartkę z natartymi oznaczeniami ołówka. (Poinstruuj uczniów, aby NIE podłączali złączy do wkładu ołówka, który nadal znajduje się w ołówku). Następnie uczniowie porównują swoje hipotezy z rzeczywistymi wynikami.
Uwaga dotycząca bezpieczeństwa
Uczniowie NIGDY nie powinni próbować przepuszczać prądu elektrycznego przez ołówek, ponieważ może to spowodować zapalenie się drewna; czynność ta powinna być przez cały czas nadzorowana przez nauczycieli. Uczniowie powinni nosić rękawice izolacyjne podczas manipulowania zaciskami złącza i podłączać baterię na końcu.
Wyzwanie projektowe
Jesteś zespołem inżynierów, którzy mierzą się z wyzwaniem poznania mocy grafenu poprzez zbudowanie działającego prostego obwodu przy użyciu światła LED, baterii i rezystora.
kryteria
- Obwód musi używać światła LED, baterii i rezystora
- Przetestuj grafen na kartce papieru
ograniczenia
- Używaj tylko dostarczonych materiałów.
- Podziel klasę na 3-4 osobowe zespoły.
- Rozdaj arkusz Moc grafenu, a także kilka kartek papieru do szkicowania projektów.
- Omów tematy w sekcji Koncepcje tła. Zastanów się, czy nie zapytać uczniów, co wiedzą o izolatorach i przewodnikach i czy uważają, że grafen zachowałby się w ten sposób.
- Przejrzyj proces projektowania inżynierskiego, wyzwanie projektowe, kryteria, ograniczenia i materiały.
- Dostarcz każdemu zespołowi swoje materiały.
- Wyjaśnij, że uczniowie muszą zbudować działający obwód za pomocą diody LED, baterii i rezystora, a następnie przetestować grafen na kartce papieru, aby sprawdzić, czy jest to obwód.
- Ogłoś, ile czasu mają na zbudowanie i przetestowanie obwodu (zalecana 1 godzina).
- Użyj timera lub stopera on-line (funkcja odliczania), aby mieć pewność, że zdążysz na czas. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Daj uczniom regularne „kontrole czasu”, aby mogli kontynuować zadanie. Jeśli mają problemy, zadawaj pytania, które szybciej doprowadzą ich do rozwiązania.
- Poinstruuj uczniów, aby rozważyli swoje wyzwanie i jako zespół zastanowili się, czy uważają, że grafen przewodzi lub izoluje prąd elektryczny. Powinni udokumentować swoje hipotezy.
- Zespoły testują swoje hipotezy, konfigurując prosty obwód za pomocą złączy, żarówki LED, baterii i innych materiałów. Najpierw stworzą działający obwód i zobaczą, czy mogą zapalić żarówkę. Następnie powinni wyregulować swój obwód tak, aby prąd przepływał przez kartkę z natartymi oznaczeniami ołówka. (Poinstruuj uczniów, aby NIE podłączali złączy do wkładu ołówka, który nadal znajduje się w ołówku). Następnie uczniowie porównują swoje hipotezy z rzeczywistymi wynikami. Jeśli chcesz, możesz dać uczniom inne przedmioty do sprawdzenia, czy są przewodnikami lub izolatorami.
- W klasie przedyskutujcie pytania uczniów do refleksji.
- Więcej treści na ten temat można znaleźć w sekcji „Digging Deeper”.
Pomysł na rozszerzenie
Na podstawie wyników testów poproś zespoły o przeprowadzenie burzy mózgów, w jaki sposób można wykorzystać grafen do zrewolucjonizowania produktu. Powinni zastanowić się, jak lekki i elastyczny jest materiał, i przygotować krótką prezentację dla klasy o tym, jak grafen może ulepszyć produkt lub pozwolić na zmniejszenie produktu.
Refleksja studencka (zeszyt inżynierski)
- Jak trafna była twoja hipoteza w porównaniu z tym, co się stało?
- Co cię zaskoczyło w tym, co zobaczyłeś?
- Jaka nowa aplikacja dla grafenu przedstawiona przez zespół w Twojej klasie była dla Ciebie najbardziej interesująca? Dlaczego?
- Czy uważasz, że inżynierowie muszą śledzić, co dzieje się w badaniach, aby ulepszać istniejące produkty lub metody?
- Kiedy produkt jest ulepszany w oparciu o nowe badania lub materiały, komu Twoim zdaniem należy przyznać lub wynagrodzić ulepszony produkt?
- Czy uważasz, że praca w zespole ułatwiła czy utrudniła ten projekt? Czemu?
Modyfikacja czasu
W przypadku starszych uczniów lekcję można przeprowadzić już za 1 lekcję. Jednak, aby pomóc uczniom w pośpiechu i zapewnić uczniom sukces (zwłaszcza młodszym uczniom), podziel lekcję na dwa okresy, dając uczniom więcej czasu na burzę mózgów, testowanie pomysłów i sfinalizowanie ich projektu. Przeprowadź test i podsumowanie w następnej lekcji.
Czym jest nanotechnologia?
Wyobraź sobie, że możesz obserwować ruch czerwonej krwinki, gdy porusza się ona w twojej żyle. Jak by to było obserwować atomy sodu i chloru, gdy zbliżają się do siebie na tyle blisko, aby faktycznie przenieść elektrony i utworzyć kryształ soli lub obserwować drgania molekuł, gdy temperatura w garnku z wodą wzrasta? Ze względu na narzędzia lub „zakresy”, które zostały opracowane i ulepszone w ciągu ostatnich kilku dekad, możemy zaobserwować sytuacje, takie jak wiele przykładów na początku tego akapitu. Ta zdolność do obserwowania, mierzenia, a nawet manipulowania materiałami w skali molekularnej lub atomowej nazywa się nanotechnologią lub nanonauką. Jeśli mamy „coś” nano, mamy jedną miliardową tego czegoś. Naukowcy i inżynierowie stosują prefiks nano do wielu „rzeczy”, w tym metrów (długość), sekund (czas), litrów (objętość) i gramów (masa), aby przedstawić to, co jest zrozumiałe, że jest bardzo małą ilością. Najczęściej nano stosuje się do skali długości i mierzymy i mówimy o nanometrach (nm). Poszczególne atomy mają średnicę mniejszą niż 1 nm, przy czym do utworzenia linii o długości 10 nm potrzeba około 1 atomów wodoru z rzędu. Inne atomy są większe niż wodór, ale nadal mają średnicę mniejszą niż nanometr. Typowy wirus ma średnicę około 100 nm, a bakteria około 1000 nm głowa do ogona. Narzędziami, które pozwoliły nam zaobserwować niewidzialny wcześniej świat w nanoskali, są Mikroskop Sił Atomowych oraz Skaningowy Mikroskop Elektronowy.
Jak duży jest mały?
Trudno sobie wyobrazić, jak małe są rzeczy w nanoskali. Poniższe ćwiczenie może pomóc Ci wyobrazić sobie, jak duży może być mały! Pomyśl o piłce do kręgli, piłce bilardowej, piłce tenisowej, piłce golfowej, kulce i groszku. Pomyśl o względnej wielkości tych przedmiotów.
Skanowanie mikroskopu elektronowego
Skaningowy mikroskop elektronowy to specjalny rodzaj mikroskopu elektronowego, który tworzy obrazy powierzchni próbki poprzez skanowanie jej wiązką elektronów o wysokiej energii w rastrowym wzorze skanowania. W skanowaniu rastrowym obraz jest cięty na sekwencję (zwykle poziomych) pasków zwanych „liniami skanowania”. Elektrony wchodzą w interakcję z atomami tworzącymi próbkę i wytwarzają sygnały, które dostarczają danych o kształcie i składzie powierzchni, a nawet o tym, czy może ona przewodzić prąd. Wiele zdjęć wykonanych za pomocą skaningowych mikroskopów elektronowych może być oglądanych w www.dartmouth.edu/~emlab/galeria.
Co to jest grafen?
Grafen to dwuwymiarowy materiał o grubości jednego atomu, który składa się z atomów węgla gęsto upakowanych w sieci krystalicznej przypominającej plaster miodu. Jest to znane jako grafen jednowarstwowy. W laboratorium zsyntetyzowano również grafeny dwuwarstwowe i wielowarstwowe. Grafen wykazuje bardzo ciekawe właściwości elektryczne, optyczne, mechaniczne, termiczne i inne. Elektrycznie jest to półmetal lub półprzewodnik z zerową przerwą energetyczną. Grafen wykazuje bardzo niską rezystywność, np. tylko 10-6Wcm w temperaturze pokojowej. Pojedyncza warstwa folii grafenowej jest wysoce nieprzezroczysta, pochłania tylko 2% światła białego. Właściwości mechaniczne są wyjątkowe.
Ciekawe właściwości grafenu doprowadziły w ostatnim czasie do eksplozji badań nad ich syntezą, charakterystyką ich właściwości i rozwojem zastosowań. Obiecujące zastosowania obejmują urządzenia elektroniczne, przezroczyste elektrody do ogniw słonecznych i wyświetlaczy plazmowych, kompozyty, urządzenia do magazynowania energii oraz czujniki chemiczne i biologiczne.
Obecnie naukowcy są w stanie wytwarzać grafen poprzez redukcję tlenku grafenu. Ta metoda syntezy chemicznej może teraz dawać gramowe ilości materiału. Możliwe jest również nałożenie pojedynczej warstwy grafenu na płytkę krzemową. Technika zwana chemicznym osadzaniem z fazy gazowej umożliwia wzrost grafenu jedno- lub wielowarstwowego w temperaturze 900-1000º C.
Nagroda Nobla za badania nad grafenem
Dwóch badaczy otrzymało niedawno Nagrodę Nobla z fizyki za pracę nad grafenem! W 2010 roku Andre Geim i Konstantin Novoselov wspólnie podzielili się nagrodą „za przełomowe eksperymenty dotyczące dwuwymiarowego grafenu”. Naukowcy, wraz z kilkoma współpracownikami, jako pierwsi wyizolowali warstwy węgla z materiału grafitu, który jest używany w ołówkowym „ołówku”.
Konsultacje
Od medycyny po elektronikę, wiele rządów i organizacji poświęca obecnie wysiłki na zastosowanie grafenu. Ta dziedzina zmieniła się diametralnie w krótkim czasie, czyniąc grafen materiałem, który zmienia wiele branż.
Co to jest prosty obwód?
Prosty obwód składa się z trzech minimalnych elementów, które są wymagane do ukończenia działającego obwodu elektrycznego: źródła energii elektrycznej (akumulatora), ścieżki lub przewodnika, po którym płynie prąd (drut) oraz rezystora elektrycznego (lampy), który jest dowolnym urządzeniem wymagającym energii elektrycznej do działania. Poniższa ilustracja przedstawia prosty obwód zawierający jedną baterię, dwa przewody, przełącznik i żarówkę. Przepływ energii elektrycznej odbywa się z wysokiego potencjału (+) zacisku akumulatora przez żarówkę (zapala się) i z powrotem do ujemnego (-) zacisku, w ciągłym przepływie, gdy przełącznik jest w pozycji włączonej, więc prąd może pływ
Schemat ideowy prostego obwodu
Poniżej znajduje się schematyczny diagram prostego obwodu przedstawiający elektroniczne symbole baterii, przełącznika i żarówki.
Połączenia internetowe
Spis zalecanych lektur
- Nanotechnologia dla manekinów (ISBN: 978-0470891919)
- Nanotechnologia: zrozumienie małych systemów (ISBN: 978-1138072688)
Pisanie
Napisz esej lub akapit o tym, jak postępy w nanotechnologii zmieniły dziedzinę elektroniki lub medycyny.
Dostosowanie do ram programowych
Uwaga: Plany lekcji w tej serii są dostosowane do co najmniej jednego z następujących zestawów standardów:
- Amerykańskie standardy edukacji naukowej (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Amerykańskie standardy naukowe nowej generacji (http://www.nextgenscience.org/)
- Standardy Międzynarodowego Stowarzyszenia Edukacji Technologicznej dotyczące umiejętności technologicznych (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- US National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- US Common Core State Standards for Mathematics (http://www.corestandards.org/Math)
- Stowarzyszenie Nauczycieli Informatyki K-12 Standardy Informatyki (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy K-4 (wiek 4-9)
TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
- Zrozumienie dociekań naukowych
TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Właściwości przedmiotów i materiałów
TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Zrozumienie nauki i technologii
STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Nauka i technologia w lokalnych wyzwaniach
TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie
Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 5-8 (wiek 10-14)
TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
- Zrozumienia dotyczące badań naukowych
TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne
W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Własności i zmiany własności w materii
TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia
W wyniku zajęć w klasach 5-8 wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Zrozumienie nauki i technologii
Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 5-8 (wiek 10-14) (cd.)
STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Zdrowie osobiste
- Ryzyko i korzyści
- Nauka i technologia w społeczeństwie
TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie
- Natura nauki
- Historia nauki
Krajowe Standardy Edukacji Naukowej Klasy 9-12 (wiek 14-18)
TREŚĆ STANDARD A: Nauka jako dochodzenie
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Umiejętności niezbędne do prowadzenia badań naukowych
- Zrozumienia dotyczące badań naukowych
TREŚĆ STANDARD B: Nauki fizyczne
W wyniku swoich działań wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Struktura i właściwości materii
TREŚĆ STANDARD E: Nauka i technologia
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni się rozwijać
- Zrozumienie nauki i technologii
STANDARD TREŚCI F: Nauka z perspektywy osobistej i społecznej
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Nauka i technologia a wyzwania lokalne, krajowe i globalne
TREŚĆ STANDARD G: Historia i natura nauki
W wyniku zajęć wszyscy uczniowie powinni rozwinąć zrozumienie
- Nauka jako ludzkie przedsięwzięcie
- Natura wiedzy naukowej
- Perspektywy historyczne
Standardy naukowe nowej generacji klasy 2-5 (w wieku 7-11 lat)
Materia i jej interakcje
Uczniowie, którzy wykażą się zrozumieniem, mogą:
- 2-PS1-2. Analizuj dane uzyskane z testowania różnych materiałów, aby określić, które materiały mają właściwości najlepiej dostosowane do zamierzonego celu.
- 5-PS1-1. Opracuj model opisujący, że materia składa się z cząstek zbyt małych, aby można je było zobaczyć.
- 5-PS1-3. Dokonuj obserwacji i pomiarów, aby zidentyfikować materiały na podstawie ich właściwości.
Projektowanie inżynierskie
Uczniowie, którzy wykażą się zrozumieniem, mogą:
- 3-5-ETS1-2. Wygeneruj i porównaj wiele możliwych rozwiązań problemu w oparciu o to, jak dobrze każde z nich może spełnić kryteria i ograniczenia problemu.
- 3-5-ETS1-3.Planuj i przeprowadzaj rzetelne testy, w których kontroluje się zmienne i uwzględnia punkty awarii w celu zidentyfikowania aspektów modelu lub prototypu, które można ulepszyć.
Standardy alfabetyzacji technologicznej – w każdym wieku
Natura technologii
- Standard 1: Uczniowie zrozumieją cechy i zakres technologii.
- Standard 2: Studenci rozwiną zrozumienie podstawowych koncepcji technologii.
- Standard 3: Studenci rozwiną zrozumienie relacji między technologiami oraz powiązań między technologią a innymi dziedzinami nauki.
Technologia i społeczeństwo
- Standard 5: Uczniowie rozwiną zrozumienie wpływu technologii na środowisko.
- Standard 6: Studenci rozwiną zrozumienie roli społeczeństwa w rozwoju i wykorzystaniu technologii.
Wnętrze
- Standard 10: Studenci rozwiną zrozumienie roli rozwiązywania problemów, badań i rozwoju, wynalazków i innowacji oraz eksperymentowania w rozwiązywaniu problemów.
Umiejętności dla technologicznego świata
- Standard 13: Uczniowie rozwiną umiejętności oceny wpływu produktów i systemów.
Faza badań
Przeczytaj materiały dostarczone przez nauczyciela. Jeśli masz dostęp do Internetu, zapoznaj się również z zasobami na stronie www.trynano.org, aby dowiedzieć się więcej o nanotechnologii i grafenie.
Hipoteza
Jako zespół zdecyduj, czy uważasz, że grafen (w zwykłym „ołówku”) byłby przewodnikiem elektrycznym, czy izolatorem. Napisz akapit wspierający swoją hipotezę na drugiej stronie tego artykułu.
Testowanie
Teraz sprawdź swoją hipotezę! Skonfiguruj prosty obwód za pomocą złączy, żarówki LED, baterii i innych materiałów dostarczonych przez nauczyciela. Najpierw stworzysz działający obwód — sprawdź, czy możesz zapalić żarówkę! Następnie dostosuj obwód tak, aby prąd przepływał przez papier, w który natarłeś dużo ołówka. (NIE podłączaj złączy do wkładu ołówka, który wciąż jest w ołówku.) Jeśli chcesz, możesz przetestować inne przedmioty dostarczone przez nauczyciela, aby sprawdzić, czy są przewodnikami lub izolatorami.
Obserwacja i wyniki
Obserwuj i omawiaj, co się stało — jeśli w ogóle — i porównaj wyniki z hipotezą swojego zespołu.
Application Development
Opierając się na wyniku Twojego eksperymentu, poprowadź zespołową burzę mózgów na temat tego, w jaki sposób grafen może zostać wykorzystany do zrewolucjonizowania produktu. Zastanów się, jak lekki i elastyczny jest materiał i przygotuj krótką prezentację dla swojej klasy o tym, jak grafen może ulepszyć produkt lub pozwolić na zmniejszenie produktu.
Faza prezentacji i refleksji
Przedstaw klasie swoją oryginalną hipotezę i obserwacje eksperymentalne wraz z zastosowaniem produktu przez Twój zespół. Posłuchaj prezentacji innych zespołów, a następnie wypełnij arkusz refleksji.
Refleksja
Uzupełnij poniższe pytania do refleksji:
1. Jak trafna była twoja hipoteza w porównaniu z tym, co się wydarzyło?
2. Co Cię zaskoczyło w tym, co zobaczyłeś?
3. Jaka nowa aplikacja do grafenu przedstawiona przez zespół w Twojej klasie była dla Ciebie najbardziej interesująca? Czemu?
4. Czy uważasz, że inżynierowie muszą śledzić, co dzieje się w badaniach, aby ulepszać istniejące produkty lub metody?
5. Kiedy produkt jest ulepszany w oparciu o nowe badania lub materiały, komu Twoim zdaniem należy przyznać lub wynagrodzić ulepszony produkt?
6. Czy uważasz, że praca w zespole ułatwiła czy utrudniła ten projekt? Czemu?
Tłumaczenie planu lekcji
