Моћ графена

Ова лекција се фокусира на графен и његова електрична својства и примену. Студенти раде у тимовима како би претпоставили, а затим тестирали да ли је графен електрични проводник или изолатор. Они граде једноставан склоп користећи свакодневне предмете и стварају узорак графена користећи меке оловке на папиру.

Сазнајте о нанотехнологији.
Сазнајте о графену.
Сазнајте више о струјним круговима, изолаторима и проводницима.
Научите како инжењеринг може помоћи у решавању друштвених изазова.
Сазнајте о тимском раду и решавању проблема.

Старосни нивои: КСНУМКС - КСНУМКС

Материјали и припрема

Материјали за израду (за сваки тим)

Потребни материјали

Оловке
Папир
ЛЕД светло
Отпорник од 330 охма (да спречи изгарање ЛЕД светла)
Изоловани конектори
Батерија од 9 волти
Изолационе рукавице

Материјали за испитивање

Користите грађевинске материјале

Тестирање материјала и процеса

Materijali

Користите грађевинске материјале.

Процес

Упутите студенте да размотре свој изазов и као тим теоретизују да ли мисле да би графен водио или изоловао електричну струју. Требали би документовати своје хипотезе.

Тимови тестирају своје хипотезе постављањем једноставног кола помоћу конектора, ЛЕД сијалице, батерије и других материјала. Прво ће створити радни круг и видети могу ли упалити сијалицу. Затим би требало да прилагоде свој круг тако да струја мора да протиче кроз папир на коме су утрљане ознаке оловке. (Упутите студенте да НЕ прикључују конекторе на оловку која је још увек у оловци.) Студенти затим упоређују своје хипотезе са стварним резултатима.

Обавештење о безбедности

Ученици НИКАДА не би требало да покушавају да прођу електричну струју кроз оловку јер то може проузроковати запаљење дрвета; ову активност би стално требало да надгледају наставници. Ученици би требало да носе изолационе рукавице приликом руковања копчама конектора и да батерију поставе последњу.

Изазов инжењерског дизајна

Дизајн изазов

Ви сте тим инжењера којем је изазов да научите о снази графена изградњом једноставног радног кола помоћу ЛЕД светла, батерије и отпорника.

kriterijumi

Круг мора користити ЛЕД светло, батерију и отпорник
Испитајте графен на парчету папира

Ограничења

Користите само достављене материјале.

Упутства и поступци активности

Поделите класу на тимове од 3-4.
Поделите радни лист Моћ графена, као и неке листове папира за скицирање дизајна.
Разговарајте о темама у одељку Позадински концепти. Размислите о томе да упитате студенте шта знају о изолаторима и проводницима и да ли мисле да би се графен понашао на било који начин.
Прегледајте поступак инжењерског дизајна, изазов за дизајн, критеријуме, ограничења и материјале.
Обезбедите сваки тим својим материјалима.
Објасните да студенти морају да изграде радни круг помоћу ЛЕД светла, батерије и отпорника, а затим тестирају графен на парчету папира да виде да ли завршава коло.
Најавите колико им је времена потребно за изградњу и тестирање кола (препоручује се 1 сат).
Користите тајмер или он-лине штоперицу (функција одбројавања) како бисте били сигурни да држите време. (ввв.онлине-стопватцх.цом/фулл-сцреен-стопватцх). Дајте ученицима редовне „временске провере“ како би остали на задатку. Ако се муче, поставите питања која ће их брже довести до решења.
Упутите студенте да размотре свој изазов и као тим теоретизују да ли мисле да би графен водио или изоловао електричну струју. Требали би документовати своје хипотезе.
Тимови тестирају своје хипотезе постављањем једноставног кола помоћу конектора, ЛЕД сијалице, батерије и других материјала. Прво ће створити радни круг и видети могу ли упалити сијалицу. Затим би требало да прилагоде свој круг тако да струја мора да протиче кроз папир на коме су утрљане ознаке оловке. (Упутите студенте да НЕ прикључују конекторе на оловку која је још увек у оловци.) Студенти затим упоређују своје хипотезе са стварним резултатима. Ако желите, ученицима можете дати и друге предмете да провере да ли су проводници или изолатори.
Као час, разговарајте о питањима за размишљање ученика.
За више садржаја о теми, погледајте одељак „Дубље копање“.

Идеја за продужење

На основу резултата испитивања, замолите тимове да размисле како би се графен могао користити за револуцију производа. Требали би размотрити колико је материјал лаган и флексибилан и припремити кратку презентацију разреду о томе како графен може побољшати производ или омогућити да се производ учини мањим.

Рефлексија ученика (инжењерска свеска)

Колико је тачна била ваша хипотеза у поређењу са оним што се догодило?
Шта вас је изненадило у ономе што сте видели?
Која вам је нова апликација за графен коју је представио тим у вашој учионици била најзанимљивија? Зашто?
Да ли мислите да инжењери морају да прате шта се догађа у истраживању да би побољшали постојеће производе или методе?
Када се производ побољшава на основу нових истраживања или материјала, ко мислите да би требало да му се припише или компензира побољшани производ?
Да ли сте мислили да је тимски рад овај пројекат учинио лакшим или тежим? Зашто?

Модификација времена

Лекција се може изводити за само 1 час за старије ученике. Међутим, да бисте ученицима помогли да се осећају пожуривано и да би им осигурали успех (посебно за млађе ученике), поделите наставу на два периода дајући ученицима више времена за мозгање, тестирање идеја и дораду њиховог дизајна. Спроведите тестирање и извештавање у наредном периоду наставе.

Процес инжењерског дизајна

Позадине

Шта је нанотехнологија?

Замислите да можете да посматрате кретање црвених крвних зрнаца док се креће вашом веном. Како би изгледало посматрати атоме натријума и хлора док се приближавају довољно да заправо пренесу електроне и формирају кристал соли или посматрају вибрације молекула како температура расте у тави воде? Због алата или „опсега“ који су развијени и побољшани током последњих неколико деценија, можемо уочити ситуације попут многих примера на почетку овог пасуса. Ова способност посматрања, мерења и чак манипулисања материјалима на молекуларној или атомској скали назива се нанотехнологија или нанонаука. Ако имамо нано „нешто“, имамо милијарду тог нечега. Научници и инжењери примењују нано префикс на мноштво „нечега“, укључујући метре (дужину), секунде (време), литре (запремину) и граме (масу), да би представили оно што је разумљиво врло мала количина. Најчешће се нано примењује на скали дужине и меримо и разговарамо о нанометрима (нм). Појединачни атоми су пречника мањег од 1 нм, при чему је потребно око 10 атома водоника у низу да би се створила линија дужине 1 нм. Остали атоми су већи од водоника, али и даље имају пречнике мање од нанометра. Типични вирус је пречника око 100 нм, а бактерија око 1000 нм од главе до репа. Алати који су нам омогућили да посматрамо претходно невидљиви свет наноразмера су микроскоп атомске силе и електронски микроскоп за скенирање.

Колики је мали?

Може бити тешко замислити колико су мале ствари на наноразмери. Следећа вежба може вам помоћи да замислите колико мали могу бити! Узмите у обзир куглу за куглање, билијар, тениску, голф лопту, мермер и грашак. Размислите о релативној величини ових предмета.

Скенирајући електронски микроскоп

Скенирајући електронски микроскоп је посебна врста електронског микроскопа који ствара слике површине узорка скенирајући га високоенергетским снопом електрона у растерском узорку скенирања. У растерском скенирању, слика се исече у низ (обично хоризонталних) трака познатих као „линије скенирања“. Електрони ступају у интеракцију са атомима који чине узорак и производе сигнале који пружају податке о облику, саставу површине, па чак и да ли може да проводи електричну енергију. Многе слике снимљене електронским микроскопима за скенирање можда се могу погледати ввв.дартмоутх.еду/~емлаб/галлери.

Шта је Графен?

Графен је дводимензионални материјал дебљине једног атома који се састоји од атома угљеника густо упакованих у кристалну решетку налик на саће. Ово је познато као једнослојни графен. Двослојни и вишеслојни графени такође су синтетизовани у лабораторији. Графен показује врло занимљива електрична, оптичка, механичка, топлотна и друга својства. Електрично, то је полуметал или полупроводник са нултим пропусним опсегом. Графен показује врло малу отпорност, на пример, само 10-6Вцм на собној температури. Једнослојни графенски филм је високо непрозиран, упија само 2% беле светлости. Механичка својства су изузетна.

Занимљива својства графена довела су до експлозије истраживања у њиховој синтези, карактеризацији њихових својстава и развоју примена. Обећавајуће примене укључују електронске уређаје, прозирне електроде за соларне ћелије и плазма дисплеје, композите, уређаје за складиштење енергије и хемијске и биолошке сензоре.

Тренутно истраживачи могу да произведу графен редукујући оксид графена. Овај приступ хемијске синтезе сада може дати грам количине материјала. Такође је могуће нанети један слој графена на силицијумску плочицу. Техника која се назива таложење хемијским испаравањем омогућава раст једнослојног или вишеслојног графена на 900-1000 ° Ц.

Нобелова награда за истраживање графена

Двоје истраживача недавно су добили Нобелову награду за физику за свој рад на графену! 2010. године Андре Геим и Константин Новоселов заједнички су поделили награду „за револуционарне експерименте у вези са дводимензионалним материјама графеном“. Истраживачи су, заједно са неколико сарадника, први изоловали слојеве угљеника од графита, који се користи у оловци „оловка“.

aplikacije

Од медицине до електронике, многе владе и организације тренутно посвећују напоре примени графена. Ово поље се драматично променило у кратком временском периоду, чинећи графен материјалом који мења многе индустрије.

Шта је једноставан круг?

Једноставно коло састоји се од три минимална елемента која су потребна за довршавање функционалног електричног кола: извора електричне енергије (батерија), путање или проводника по коме струја тече (жица) и електричног отпорника (лампе) који је било који уређај који захтева струја за рад. Илустрација испод приказује једноставан круг који садржи једну батерију, две жице, прекидач и сијалицу. Проток електричне енергије иде од терминала акумулатора са великим потенцијалом (+) кроз сијалицу (осветљавајући је) и назад до негативног (-) терминала, у непрекидном протоку када је прекидач у положају да струја може проток

Шематски дијаграм једноставног круга

Следи шематски дијаграм једноставног кола који приказује електронске симболе за батерију, прекидач и сијалицу.

Копајте дубље

Интернет Цоннецтионс

Рецоммендед Реадинг

Нанотехнологија за лутке (ИСБН: 978-0470891919)
Нанотехнологија: Разумевање малих система (ИСБН: 978-1138072688)

Писање активности

Напишите есеј или одломак о томе како је напредак нанотехнологије променио област електронике или медицине.

Усклађивање наставног програма

Усклађивање са оквирним програмима

Белешка: Планови лекција у овој серији усклађени су са једним или више следећих скупова стандарда:

Амерички стандарди за научно образовање (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
Амерички научни стандарди следеће генерације (http://www.nextgenscience.org/)
Стандарди за технолошку писменост Међународног удружења за технолошко образовање (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
Амерички национални савет наставника математике „Принципи и стандарди за школску математику“ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
Заједнички основни амерички државни стандарди за математику (http://www.corestandards.org/Math)
Удружење наставника информатике К-12 Стандарди рачунарске науке (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Национални стандарди научног образовања Разреди К-4 (узраст 4-9 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности неопходне за научно испитивање
Разумевање научног испитивања

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Особине предмета и материјала

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Разумевање науке и технологије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у локалним изазовима

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука као људски подухват

Национални стандарди научног образовања Разреди 5-8 (узраст 10-14 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности неопходне за научно испитивање
Разумевање научног испитивања

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици треба да развију разумевање

Особине и промене својстава у материји

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности у 5-8 разредима, сви ученици би требало да се развијају

Разумевање науке и технологије

Национални стандарди научног образовања Разреди 5-8 (узраст 10-14 година) (наставак)

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Лично здравље
Ризици и користи
Наука и технологија у друштву

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука као људски подухват
Природа науке
Историја науке

Национални стандарди научног образовања Разреди 9-12 (узраст 14-18 година)

САДРЖАЈ СТАНДАРД А: Наука као упит

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Способности неопходне за научно испитивање
Разумевање научног испитивања

САДРЖАЈ СТАНДАРД Б: Физичке науке

Као резултат својих активности, сви ученици би требало да развију разумевање

Структура и својства материје

САДРЖАЈ СТАНДАРД Е: Наука и технологија

Као резултат активности, сви ученици би требало да се развијају

Разумевање науке и технологије

САДРЖАЈ СТАНДАРД Ф: Наука у личној и социјалној перспективи

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука и технологија у локалним, националним и глобалним изазовима

САДРЖАЈ СТАНДАРД Г: Историја и природа науке

Као резултат активности, сви ученици треба да развију разумевање

Наука као људски подухват
Природа научног сазнања
Историјске перспективе

Научни стандарди следеће генерације, разреди 2-5 (узраст 7-11)

Материја и њене интеракције

Студенти који покажу разумевање могу:

2-ПС1-2. Анализирајте податке добијене испитивањем различитих материјала како бисте утврдили који материјали имају својства која су најприкладнија за предвиђену намену.
5-ПС1-1. Развити модел који ће описати да је материја сачињена од премалих честица да би се виделе.
5-ПС1-3. Извршите посматрања и мерења како бисте идентификовали материјале на основу њихових својстава.

Инжењеринг дизајн

Студенти који покажу разумевање могу:

3-5-ЕТС1-2. Генеришите и упоредите више могућих решења проблема на основу тога колико је вероватно да ће свако од њих испунити критеријуме и ограничења проблема.
3-5-ЕТС1-3.План и извршити фер испитивања у којима се контролишу променљиве и узимају у обзир тачке отказа како би се идентификовали аспекти модела или прототипа који се могу побољшати.

Стандарди за технолошку писменост - сва доба

Природа технологије

Стандард 1: Студенти ће развити разумевање карактеристика и домета технологије.
Стандард 2: Студенти ће развити разумевање основних концепата технологије.
Стандард 3: Студенти ће развити разумевање односа између технологија и веза између технологије и других поља студија.

Технологија и друштво

Стандард 5: Студенти ће развити разумевање ефеката технологије на животну средину.
Стандард 6: Студенти ће развити разумевање улоге друштва у развоју и употреби технологије.

Дизајн

Стандард 10: Студенти ће развити разумевање улоге решавања проблема, истраживања и развоја, проналаска и иновација и експериментисања у решавању проблема.

Способности за технолошки свет

Стандард 13: Студенти ће развити способности за процену утицаја производа и система.

Студентски радни лист

Фаза истраживања

Прочитајте материјале које вам је пружио ваш наставник. Ако имате приступ Интернету, такође истражите ресурсе на ввв.тринано.орг да бисте сазнали више о нанотехнологији и графену.

Хипотеза

Као тим одлучите да ли мислите да би графен (у обичној оловци „олово“) био електрични проводник или изолатор. С друге стране овог чланка напишите потпорни пасус за своју хипотезу.

Тест

Сада, тестирајте своју хипотезу! Поставите једноставно коло помоћу конектора, ЛЕД сијалице, батерије и других материјала које нуди ваш наставник. Прво ћете створити радни круг - погледајте да ли можете упалити сијалицу! Затим прилагодите свој круг тако да струја мора тећи кроз папир на који сте утрљали пуно оловке. (НЕМОЈТЕ прикључивати конекторе на оловку која је још увек у оловци.) Ако желите, можете да тестирате и друге предмете које нуди ваш наставник да бисте видели да ли су проводници или изолатори.

Посматрање и резултати

Посматрајте и разговарајте о томе шта се догодило - ако ишта - и упоредите резултате са хипотезом вашег тима.

Развој апликација

На основу резултата вашег експеримента, као тим мозгајте о томе како би се графен могао користити за револуцију производа. Размотрите колико је материјал лаган и флексибилан и припремите кратку презентацију својој класи о томе како графен може или побољшати производ или омогућити да се производ смањи.

Фаза презентације и рефлексије

Представите разреду своју оригиналну хипотезу и запажања експеримената заједно са апликацијом производа вашег тима. Слушајте презентације осталих тимова, а затим попуните табелу за размишљање.

Рефлексија
Попуните питања за размишљање у наставку:

1. Колико је тачна била ваша хипотеза у поређењу са оним што се догодило?

2. Шта вас је изненадило у ономе што сте видели?

3. Која вам је нова апликација за графен коју је представио тим у вашој учионици била најзанимљивија? Зашто?

4. Да ли мислите да инжењери морају да прате шта се догађа у истраживању да би побољшали постојеће производе или методе?

5. Када се производ побољшава на основу нових истраживања или материјала, ко мислите да би требало да му се припише или компензира побољшани производ?

6. Да ли сте мислили да је тимски рад овај пројекат учинио лакшим или тежим? Зашто?