Fii un microscop cu sondă de scanare
Această lecție explorează modul în care aceste microscoape măsoară suprafața materialelor la nivel nano. Elevii lucrează în echipe pentru a afla despre microscopii de scanare (SPM) și apoi folosesc un creion pentru a simți vizual forma obiectelor pe care nu le pot vedea. Pe baza simțului tactil prin creion, elevii imită funcția SPM. Ei atrag ceea ce mintea lor a „văzut”.
- Aflați mai multe despre nanotehnologie.
- Aflați despre microscopii cu sondă de scanare.
- Aflați cum ingineria poate ajuta la rezolvarea provocărilor societății.
Niveluri de vârstă: 8-12
Materiale de construcție (pentru fiecare echipă)
Materiale necesare pentru clasă
- Cutie cu elementul fixat pe fund (riglă, cană de hârtie, cărămidă, bucată de fruct)
- Ochiți la ochi sau tăiați o gaură în cutie, astfel încât elevii să își poată pune mâna și un creion în interior, fără a vedea ce este în cutie.
Materiale necesare pentru echipe
- Hârtie
- Un pix/creion
- Creion
- Acces la internet, opțional
Designul Challenge
Sunteți o echipă de ingineri, dată fiind provocarea de a utiliza o sondă creion pentru a „simți” două obiecte diferite în interiorul unei cutii (fără a vedea obiectele). Apoi, veți desena ceea ce ați „văzut” și, în echipă, veți fi de acord asupra a ceea ce ar putea fi obiectul din cutie. Apoi, echipele dezvoltă un desen detaliat care arată obiectul asupra căruia ați fost de acord.
Criterii
- Trebuie să folosiți un creion pentru a „simți” obiectele.
- Nu trebuie să puteți vedea obiectele (fie o legătură la ochi, fie o gaură tăiată în cutie pentru a se potrivi unei mâini și a unui creion)
Constrângerile
- Folosiți numai materialele furnizate.
Timp necesar: una până la două sesiuni de 45 de minute.
- Divizați clasa în echipe de 2-4.
- Distribuiți foaia de lucru Be a Scanning Probe Microscope.
- Discutați subiectele în secțiunea Concepte de fundal. Rugați elevii să ia în considerare modul în care inginerii măsoară suprafața lucrurilor care sunt prea mici pentru a fi văzute. Dacă este disponibil internet, partajați Microscopul virtual (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- Examinați procesul de proiectare inginerească, provocarea de proiectare, criteriile, constrângerile și materialele.
- Furnizați fiecărei echipe materialele lor.
- Explicați că elevii trebuie să folosească un creion pentru a „simți” două obiecte diferite în interiorul unei cutii (legat la ochi). Apoi, vor desena ceea ce au „văzut” și, ca o echipă, sunt de acord asupra a ceea ce ar putea fi obiectul din cutie. În cele din urmă, echipele dezvoltă un desen detaliat care arată obiectul asupra căruia au convenit.
- Anunțați timpul pe care îl au pentru a finaliza activitatea (1 oră recomandată).
- Folosiți un cronometru sau un cronometru online (funcție de numărătoare inversă) pentru a vă asigura că vă mențineți la timp. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Oferiți elevilor „verificări de timp” regulate, astfel încât să rămână în sarcină. Dacă se luptă, puneți întrebări care îi vor duce mai repede la o soluție.
- Indicați elevilor să facă următoarele:
- Fiecare elev din echipă utilizează pe rând o sondă creion pentru a determina forma de identificare a obiectelor dintr-o cutie. Este posibil să fie legat la ochi sau să aveți o gaură tăiată într-o cutie, astfel încât mâna și creionul să poată fi înăuntru, fără să vedeți ce este în cutie.
- Utilizați doar vârful creionului pentru a examina conținutul sau suprafața din partea de jos a cutiei.
- În mintea dvs., urmăriți înălțimea obiectelor pe care le simțiți, forma și dimensiunea totală.
- Apoi, desenați ceea ce ați „văzut” pe o bucată de hârtie - poate doriți să luați în considerare o vedere de sus și laterală pentru a ajuta la determinarea a ceea ce este în cutie.
- Când fiecare elev din echipă a făcut investigația, lucrați împreună și împărtășiți desenele și părerile dvs. despre ceea ce este în cutie. Veniți cu un consens ca echipă și dezvoltați un desen final care include măsurători estimate ale obiectului.
- Echipele vă prezintă ideile, desenele și măsurătorile clasei și ascultă prezentările celorlalte echipe. Ar trebui să compare cât de apropiată a fost echipa lor în determinarea dimensiunii și formei reale.
- Ca o clasă, discutați întrebările de reflecție ale elevilor.
- Pentru mai mult conținut pe această temă, consultați secțiunea „Săpând mai adânc”.
Activitate opțională de extensie
Rugați elevii să oglindească ceea ce „simt” în cutie cu o mână, desenând simultan pe hârtie cu cealaltă mână.
Reflecția studenților (caiet de inginerie)
- Cât de exactă a fost forma echipei dvs. în identificarea obiectului? Ce ai găsit în cutie?
- Cât de exactă a fost echipa dvs. în determinarea dimensiunii reale a obiectului din cutie?
- Cu ce procent a fost estimată dimensiunea dvs. de la dimensiunea reală a obiectului din cutie?
- Credeți că timpul pe care l-ați luat pentru a „vedea” în interiorul cutiei cu sonda a afectat cât de precise au fost constatările dvs.?
- Credeați că lucrul în echipă a făcut acest proiect mai ușor sau mai greu? De ce?
Modificarea timpului
Lecția poate fi făcută în cel puțin o perioadă de clasă pentru elevii mai mari. Cu toate acestea, pentru a ajuta elevii să se simtă grăbiți și pentru a asigura succesul elevilor (în special pentru elevii mai tineri), împărțiți lecția în două perioade, oferindu-le elevilor mai mult timp pentru a face brainstorming, pentru a testa ideile și pentru a finaliza proiectarea lor. Efectuați testarea și descrierea în următoarea perioadă de curs.
Ce este nanotehnologia?
Imaginați-vă că puteți observa mișcarea unei celule roșii din sânge pe măsură ce se mișcă prin venă. Cum ar fi să observăm atomii de sodiu și de clor pe măsură ce se apropie suficient pentru a transfera de fapt electroni și pentru a forma un cristal de sare sau pentru a observa vibrația moleculelor pe măsură ce temperatura crește într-o tigaie de apă? Datorită instrumentelor sau „domeniilor” care au fost dezvoltate și îmbunătățite în ultimele decenii, putem observa situații precum multe dintre exemplele de la începutul acestui paragraf. Această abilitate de a observa, măsura și chiar manipula materiale la scară moleculară sau atomică se numește nanotehnologie sau nanoștiință. Dacă avem un nano „ceva”, avem o miliardime din acel ceva. Oamenii de știință și inginerii aplică prefixul nano la multe „ceva”, inclusiv metri lungime), secunde (timp), litri (volum) și grame (masă) pentru a reprezenta ceea ce este de înțeles o cantitate foarte mică. Cel mai adesea nano se aplică la scara lungimii și măsurăm și vorbim despre nanometri (nm). Atomii individuali au un diametru mai mic de 1 nm, luând aproximativ 10 atomi de hidrogen la rând pentru a crea o linie de 1 nm în lungime. Alți atomi sunt mai mari decât hidrogenul, dar au diametre mai mici decât un nanometru. Un virus tipic are aproximativ 100 nm în diametru și o bacterie are aproximativ 1000 nm cap până la coadă. Instrumentele care ne-au permis să observăm lumea invizibilă anterior a nanoscalei sunt microscopul de forță atomică și microscopul cu scanare electronică.
Cât de mare este mic?
Poate fi greu să vizualizezi cât de mici sunt lucrurile la scară nanomatică. Următorul exercițiu vă poate ajuta să vizualizați cât de mare poate fi micul! Luați în considerare o minge de bowling, o bilă de biliard, o minge de tenis, o minge de golf, o marmură și un bob de mazăre. Gândiți-vă la dimensiunea relativă a acestor articole.
Microscop electronic de scanare
Microscopul electronic cu scanare este un tip special de microscop electronic care creează imagini ale unei suprafețe eșantionate prin scanarea acestuia cu un fascicul de energie înaltă de electroni într-un model de scanare raster. Într-o scanare raster, o imagine este tăiată într-o secvență de benzi (de obicei orizontale) cunoscute sub numele de „linii de scanare”. Electronii interacționează cu atomii care alcătuiesc eșantionul și produc semnale care furnizează date despre forma suprafeței, compoziția și chiar dacă poate conduce electricitatea. Multe imagini realizate cu microscopuri electronice de scanare pot fi vizualizate la www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Microscoape de forță atomică
Imagistica la scara Nano
Pentru a „vedea” cum arată suprafața materialelor la scară nano, inginerii au dezvoltat o serie de dispozitive și sisteme pentru a explora modul în care se comportă suprafața unui obiect. Puteți vizualiza o mulțime de imagini la instalația de microscop electronic Dartmouth la www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Microscoape de forță atomică
Un microscop de forță atomică este un tip special de microscop cu sondă de scanare (SPM), care adună informații folosind o sondă pentru a atinge sau a se deplasa pe suprafața unui subiect. Rezoluția este foarte mare, la o fracțiune de nanometru. AFM a fost inventat în 1982 la IBM și primul microscop de forță atomică disponibil în comerț a fost introdus în 1989. AFM rămâne unul dintre cele mai importante instrumente pentru măsurarea și imagistica a oricăror elemente la nanoscală. Poate dezvolta destul de precis o imagine tridimensională sau topografia unui eșantion și are multe aplicații. Dacă vă puteți imagina închiderea ochilor și folosirea vârfului unui creion pentru a afla ce obiect era într-o cutie, vă puteți imagina cum funcționează acest tip de microscop! Un avantaj al microscopului de forță atomică este acela că nu necesită un mediu special și funcționează bine într-un mediu obișnuit sau chiar în lichid. Acest lucru face posibilă explorarea biologiei la nivel de macromolecule sau chiar revizuirea organismelor vii.
Conexiuni la Internet
Bibliografie
- Microscopie cu sondă de scanare: laboratorul pe un sfat (texte avansate în fizică) (ISBN: 978-3642077371)
- Microscopie cu sondă de scanare (ISBN: 978-3662452394)
Activitate de scriere
Scrieți un eseu sau un paragraf despre modul în care progresele prin nanotehnologie au impactat domeniul sănătății și medicinii.
Alinierea la cadrele curriculare
Notă: Planurile de lecție din această serie sunt aliniate la unul sau mai multe dintre următoarele seturi de standarde:
- S. Standarde de educație științifică (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Următoarele generații de standarde științifice (http://www.nextgenscience.org/)
- Standardele Asociației Internaționale de Educație Tehnologică pentru alfabetizare tehnologică (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Consiliul Național al Principiilor și Standardelor Profesorilor de Matematică pentru Matematica Școlară (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. Standarde comune de stat pentru matematică (http://www.corestandards.org/Math)
- Asociația profesorilor de informatică K-12 Standarde de informatică (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Standarde naționale de educație științifică Clasele K-4 (vârste 4-9)
STANDARDUL DE CONȚINUT A: Știința ca anchetă
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități necesare cercetării științifice
- Înțelegerea despre cercetarea științifică
STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora
- Proprietățile obiectelor și materialelor
- Poziția și mișcarea obiectelor
STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități de proiectare tehnologică
STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Știință și tehnologie în provocările locale
STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Știința ca efort uman
Standarde naționale de educație științifică Clasele 5-8 (vârste 10-14)
STANDARDUL DE CONȚINUT A: Știința ca anchetă
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități necesare cercetării științifice
- Înțelegeri despre ancheta științifică
STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice
Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte o înțelegere a acestora
- Proprietăți și modificări ale proprietăților în materie
STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților din clasele 5-8, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități de proiectare tehnologică
- Înțelegeri despre știință și tehnologie
STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Știință și tehnologie în societate
Standarde naționale de educație științifică Clasele 5-8 (vârste 10-14)
STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Știința ca efort uman
- Natura științei
Standarde naționale de educație științifică Clasele 9-12 (vârste 14-18)
STANDARDUL DE CONȚINUT A: Știința ca anchetă
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități necesare cercetării științifice
- Înțelegeri despre ancheta științifică
STANDARDUL DE CONȚINUT B: Științe fizice
Ca urmare a activităților lor, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Structura și proprietățile materiei
STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte
- Abilități de proiectare tehnologică
- Înțelegeri despre știință și tehnologie
STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Știință și tehnologie în provocările locale, naționale și globale
STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei
Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea
- Știința ca efort uman
- Natura cunoștințelor științifice
- Perspective istorice
Următoarele generații de standarde științifice clasele 2-5 (vârste 7-11)
Elevii care demonstrează înțelegere pot:
Materia și interacțiunile sale
- 5-PS1-1. Elaborați un model pentru a descrie că materia este formată din particule prea mici pentru a fi văzute.
- 5-PS1-3. Faceți observații și măsurători pentru a identifica materialele pe baza proprietăților lor.
Standarde pentru alfabetizare tehnologică - Toate vârstele
Natura tehnologiei
- Standardul 1: Elevii vor dezvolta o înțelegere a caracteristicilor și sferei tehnologiei.
- Standardul 2: Elevii vor dezvolta o înțelegere a conceptelor de bază ale tehnologiei.
- Standardul 3: Elevii vor dezvolta o înțelegere a relațiilor dintre tehnologii și a conexiunilor dintre tehnologie și alte domenii de studiu.
Tehnologie și societate
- Standardul 4: Elevii vor dezvolta o înțelegere a efectelor culturale, sociale, economice și politice ale tehnologiei.
- Standardul 6: Elevii vor dezvolta o înțelegere a rolului societății în dezvoltarea și utilizarea tehnologiei.
- Standardul 7: Elevii vor dezvolta o înțelegere a influenței tehnologiei asupra istoriei.
Abilități pentru o lume tehnologică
Standardul 13: Elevii vor dezvolta abilități de a evalua impactul produselor și sistemelor.
Încercați-vă să fiți un microscop cu scanare!
Faza de cercetare
Citiți materialele furnizate de profesorul dvs. Dacă aveți acces la internet, consultați și tutorialul de pe acest site: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Acesta va ilustra modul în care funcționează microscopii sondei de scanare și vă va ajuta să înțelegeți cum veți efectua o sarcină similară prin această activitate.
Încearcă!
Fiecare elev din echipa dvs. se va face pe rând folosind o sondă creion pentru a determina forma sau identificarea unui obiect dintr-o cutie. Este posibil să fie legat la ochi sau să aveți o gaură tăiată într-o cutie, astfel încât mâna și creionul să poată fi înăuntru, fără să vedeți ce este în cutie.
Utilizați doar vârful creionului pentru a examina conținutul sau suprafața din partea de jos a cutiei. În mintea dvs., urmăriți înălțimea obiectelor pe care le simțiți, forma și dimensiunea totală.
Apoi, desenați ceea ce ați „văzut” pe o bucată de hârtie - poate doriți să luați în considerare o vedere de sus și laterală pentru a ajuta la determinarea a ceea ce este în cutie.
Când fiecare elev din echipă a făcut investigația, lucrați împreună și împărtășiți desenele și părerile dvs. despre ceea ce este în cutie. Veniți cu un consens ca echipă și dezvoltați un desen final care include măsurători estimate ale obiectului
Faza de prezentare și reflecție
Prezentați-vă ideile, desenele și măsurătorile la clasă și ascultați prezentările celorlalte echipe. Vedeți cât de apropiate au fost echipa dvs. sau alte echipe în determinarea dimensiunii și formei reale. Apoi completați foaia de reflecție.
Reflecţie
Completați întrebările de reflecție de mai jos:
- Cât de exactă a fost forma echipei dvs. în identificarea obiectului? Ce ai găsit în cutie?
- Cât de exactă a fost echipa dvs. în determinarea dimensiunii reale a obiectului din cutie?
- Cu ce procent a fost estimată dimensiunea dvs. de la dimensiunea reală a obiectului din cutie?
- Credeți că timpul pe care l-ați luat pentru a „vedea” în interiorul cutiei cu sonda a afectat cât de precise au fost constatările dvs.?
- Credeați că lucrul în echipă a făcut acest proiect mai ușor sau mai greu? De ce?
Traducerea planului de lecție