Eksperymenty szkolne w nanoskali
Tłumaczenie Małgorzata Maria Ossowska
 Zdjęcie dzięki uprzejmości maggio07 / iStockphoto |
Eleanor Hayes prezentuje wybrane zasoby edukacyjne dotyczące nanoskali i nanotechnologii. Dzięki pomocy licznych projektów edukacyjnych, wprowadzenie tematyki nanoskali w szkole nigdy nie było łatwiejsze – niezależnie od wieku uczniów. Poniżej przedstawiono dwa doświadczenia (dla dzieci, które ukończyły 8 lat oraz w wieku 14 -16 lat); Na końcu artykułu zamieszczono odnośniki do licznych zasobów internetowych dotyczących tematyki nanoskali. |
Rozcieńczanie a zmysł węchu
W prezentowanym doświadczeniu, przeznaczonym dla dzieci od lat 8, barwnik spożywczy jest wielokrotnie rozcieńczany, co powoduje stopniowe zanikanie jego barwy i zapachu. Barwa zanika szybciej niż zapach, dowodząc tym samym, że jeżeli nawet nasze oczy nie dostrzegają związku chemicznego odpowiedzialnego za kolor, on wciąż istnieje, o czym właśnie świadczy obecność zapachu.
Tak jak my używamy oczu do obserwowania obiektów o dużych rozmiarach, a nosa do wąchania małych obiektów, nanonaukowcy stosują specjalne narzędzia umożliwiające badanie i manipulowanie obiektami w skali nano. Mikroskopy sił atomowych umożliwiają “dotykanie” i przenoszenie pojedynczych atomów, a ich specjalna powierzchnia gwarantuje silne odpychanie cząsteczek wody.
Doświadczenie zaczerpnięto z projektu zatytułowanego „Czas na Nano”, który prezentuje nieformalne materiały edukacyjne omawiające korzyści i zagrożenia wynikające z badań, rozwiązań inżynieryjnych i technologicznych w nanoskali. Strona internetowa Czas na Nano oraz zamieszczone na niej materiały dostępne są w następujących językach: niderlandzkim, angielskim, fińskim, francuskim, niemieckim, włoskim, polskim, portugalskim i tureckim. Członkowie tego projektu – centra nauki w całej Europie – organizują także tzw. „Nanodni” obejmujące pokazy, eksperymenty, gry, spotkania oraz dyskusje poświęcone nanotechnologiom. W celu uzyskania dodatkowych informacji odwiedź stronę internetowa Czas na Nanow1. |
 Zdjęcie dzięki uprzejmości Deutsches Museum |
Wstęp
Aby pomóc zrozumieć uczniom, jak mała jest nanoskala, jako wprowadzenie do ćwiczenia, możesz podać kilka następujących przykładów.
- Nasze pazokcie rosną z prędkością 1 nanometra na sekundę.
- Wirus, który zwykle wywołuje przeziębienie ma średnicę 30 nanometrów.
- Wirus, który zwykle wywołuje przeziębienie ma średnicę 30 nanometrów..
- Podwójna helisa DNA ma średnicę 2 nanometrów.
- Średnica atomu wodoru wynosi około 0.2 nanometra.
Zachęć uczniów do zastanowienia się nad obiektami, których bezpośrednio nie widać, na przykład warstwą ozonową, barwnikami stosowanymi do wyrobu szyb witrażowych czy koloidalną postacią mleka.
Wyjaśnij, że za interpretację zapachów, jakie rejestruje nos, odpowiedzialna jest zlokalizowana w mózgu opuszka węchowa. Ponieważ opuszka węchowa jest silnie połączona z częścią mózgu odpowiedzialną za zapamiętywanie, pewne zapachy umożliwiają rozpoznawanie określonych obiektów.
Uczniowie mogą obliczyć, że roztwór barwnika spożywczego w danej probówce jest dziesięciokrotnie bardziej rozcieńczony niż w probówce poprzedniej. Zanim uczniowie dotrą do dziewiątej probówki, oryginalny barwnik spożywczy zostanie rozcieńczony do poziomu, w którym na jedną część barwnika przypada miliard części wody.
Materiały
- Niewielka ilość pachnącego (to jest ważne) barwnika spożywczego.
- Pipeta Pasteura
- Dziewięć probówek ponumerowanych od 1 do 9.
Zdjęcie dzięki uprzejmości Deutsches Museum
Sposób postępowania
 Zdjęcie dzięki uprzejmości Deutsches Museum |
|
W którym momencie nastąpił całkowity zanik barwnika w probówkach?
W którym momencie nie czujesz żadnego zapachu w probówkach?
Czy możesz wyjaśnić różnicę?
Metoda, którą właśnie zastosowałeś nazywa się techniką seryjnych rozcieńczeń. Policz ile wody musiałbyś zużyć, aby przeprowadzić rozcieńczenie jednoetapowo, czyli rozcieńczając 1 ml oryginalnego barwnika spożywczego do takiego samego stężenia, jakie znajduje się w probówce numer 9?
Uwagi dotyczące bezpieczeństwa
- Nie wolno jeść barwnika spożywczego.
- Niektóre osoby mogą być uczulone na barwniki spożywcze. Jeśli dojdzie do kontaktu skóry z barwnikiem, należy przemyć ją obfitą ilością wody.
- Unikaj kontaktu barwnika z odzieżą, gdyż może pozostawiać plamy.
Jak wykonać termometr ciekłokrystaliczny?
Ciekłe kryształy wykazują właściwości pośrednie między cieczą a kryształem; na przykład ciekłe kryształy, tak jak ciecze posiadają zdolność do płynięcia, ale podobnie, jak ma to miejsce w kryształach, tworzące je cząsteczki mogą być zorientowane w określonym kierunku. Ciekłe kryształy cechuje wrażliwość na działanie czynników zewnętrznych, jak na przykład temperatury, powodująych zmiany w ich uporządkowaniu molekularnym. W przypadku niektórych rodzajów ciekłych kryształów (tzw. kryształów termotropowych) odpowiedzią na zmianę temperatury jest zmiana barwy kryształu, będąca wynikiem innego sposobu uporządkowania molekularnego.
|
W kolejnym doświadczeniu, uczniowie prześledzą zmiany barwy ciekłego kryształu termotropowego i wykonają swój własny termometr ciekłokrystaliczny. Protokół eksperymentalny, stanowi część projektu „Nanoyou” i jest przeznaczony dla uczniów w wieku od 14 do 18 lat. Liczne materiały dodatkowe (w języku duńskim, angielskim, niemieckim, włoskim, portugalskim i słowackim) dostępne są na stronie internetowej projektuw2. |
 Zdjęcie dzięki uprzejmości setixela / iStockphoto |
Strona internetowa Nanoyou jest dostępna w 12 językach i przedstawia liczne bezpłatne materiały. Są to postery, prezentacje, gry, zabawy role-play i zestawy szkoleniowe dla nauczycieli. Zestaw szkoleniowy nauczyciela zawiera: fundamentalne założenia nanonauki i nanotechnologii, cztery doświadczenia laboratoryjne oraz doświadczenia wirtualne. Zestawy dostępne są dla uczniów w następujących grupach wiekowych: 11-13 i 14-18 lat.
Uczestniczące w tym projekcie szkoły współpracują z wiodącymi, zajmującymi się nanonauką, centrami badawczymi w Europie, otrzymując powiązane z nanotechniką materiały szkoleniowe i uczestnicząc w warsztatach. Szczególny nacisk jest położony na aspekty etyczne, bezpieczeństwo i społeczne implikacje nanonauki, jak również obecne i przyszłe ograniczenia w rozwoju nauki. Jeśli chcesz wziąć udział w projekcie, odwiedź stronę internetową Nanoyouw2.
Przygotowanie
W tym doświadczeniu, będziesz potrzebował czterech różnych mieszanin, przygotowanych wcześniej z trzech rodzajów ciekłych kryształów:
- Oleinowy węglan cholesterylu (CAS numer 17110-51-9, Sigma-Aldrich 151157; cena 25 g wynosi około 280 zł).
- Pelargonian cholesterylu (CAS numer 1182-66-7, Sigma-Aldrich C78801; cena 100 g wynosi około 520 zł)
- Benzoesanu cholesterylu (CAS numer 604-32-0, Sigma-Aldrich C75802; cena 100g wynosi około 200 zł)
Sposób przygotowania poszczególnych mieszanin ciekłych krystałów (“Student synthesis procedure”), a także materiały pomocnicze dla nauczycieli są dostępne na stronie intrnetowej projektu „Nanoyou”w2.
Materiały
- 4 przygotowane wcześniej mieszaniny ciekłych kryształów
- fiolki o pojemności 10 ml
- Arkusz foli samoprzylepnej (używanej np. do okładania książek)
- Szpatułka
- Nożyczki
- Niezmywalny flamaster
- Termometr pokojowy
- Arkusz A4 białego papieru
- Arkusz A4 czarnego papieru
- Łaźnia wodna (płyta grzejna lub wykonane ze szkła pyrex naczynie wypełnione do połowy wodą z zanurzonym termometrem)
- Spinacz do bielizny
- Arkusz A4 pianki
- Czarny papier kartonowy A4
- Rękawice
- Okulary ochronne
- Chusteczki higieniczne
- Taśma klejąca (opcjonalnie)
- Suszrka do włosów (opcjonalnie)
Suszrka do włosów (opcjonalnie)
Nie wdychaj substancji. Stosuj rękawice i okulary ochronne; unikaj kontaktu substancji ze skórą, oczami i odzieżą. Umyj dokładnie ręce po kontakcie z ciekłymi kryształami.
Sposób postępowania
Przygotowanie arkuszy ciekłokrystalicznych
- Korzystając z Tabeli 1, przygotuj cztery różne mieszaniny ciekłych kryształów, charakteryzujące się wrażliwością w innych zakresach temperatur.
| Mieszanina ciekłych kryształów | Temperatura wrażliwości (°C) | Oleinowy węglan cholesterylu | Pelargonian cholesterylu | Benzoesanu cholesterylu |
| Mieszanina 1 | 17–23 | 0.65 | 0.25 | 0.10 |
| Mieszanina 2 | 26.5–30.5 | 0.45 | 0.45 | 0.10 |
| Mieszanina 3 | 32–35 | 0.40 | 0.50 | 0.10 |
| Mieszanina 4 | 37–40 | 0.30 | 0.60 | 0.10 |
- Wytnij dwa kawałki folii samoprzylepnej (około 10 x 10 cm), odklej papier podkładowy i połóż folie (warstwą klejącą do góry) na ławce.
- Nanieś 2-3 szpatułki mieszaniny oznaczonej numer 1 na środek jednej z folii. Jeżeli ciekły kryształ jest zestalony, ogrzej fiolkę za pomocą suszarki, aż do uzyskania przez mieszaninę konsystencji miodu.
 Gotowy arkusz ciekłokrystaliczny Zdjęcie dzięki uprzejmości the 'Nanoyou' project |
|
Stosując termometr pokojowy, sprawdź temperaturę pomieszczenia.
Czy któraś z mieszanin ciekłokrystalicznych może zostać wykorzystana do określenia temperatury panującej w pomieszczeniu? Jeżeli tak, to która?
Badanie zmian temperatur
Skąd wynikają różnice podczas badania arkuszy ciekłokrystalicznych z użyciem białego i czarnego papieru? Czy wszystkie arkusze ciekłokrystaliczne zabarwiały się? Jeżeli nie, wyjaśnij dlaczego? Co można zrobić, aby uzyskać zabarwienie w przypadku tych arkuszy?
|
  Arkusz ciekłokrystaliczny przed i po dotknięciu Zdjęcie dzięki uprzejmości the 'Nanoyou' project |
| Kartka białego papieru | Kartka czarnego papieru | |
| Arkusz 1 (mieszanina 1) | ||
| Arkusz 2 (mieszanina 2) | ||
| Sheet 3 (mixture 3) | ||
| Arkusz 4 (mieszanina 4) |
Badanie arkuszy ciekłokrystalicznych
 Zanurzenie arkusza ciekłokrystaliczngo w łaźni wodnej Zdjęcie dzięki uprzejmości the ‘Nanoyou’ project |
|
| Arkusz ciekłokrystaliczny 1 | ||
| Temperatura (°C) | Barwa | Komentarze |
| 16 | ||
| 17 | ||
| 18 | ||
| 19 | ||
| 20 | ||
| 21 | ||
| 22 | ||
| 23 | ||
W jakiej temperaturze obserwujesz pojawienie się zbarwienia arkusza numer 1? Czy jest ona równa temperaturze przewidywanej w tabeli 1?
Czy ułożenie zanotowanych w powyższej tabeli kolorów występuje w określonym porządku? Jeżeli tak, jak myślisz w jaki wzór się ułożą i dlaczego?
- Wyjmij arkusz ciekłokrystaliczy z łaźni wodnej. Czy zabarwienie znika natychmiast po wyjęciu? Jeżeli nie, wyjaśnij dlaczego?
Wyobraź sobie umieszczenie arkusza 1 w łaźni wodnej o nieznanej temperaturze wody. Jaka jest temperatura wody, jeśli arkusz zabarwi się na pomarańczowo?
- Włóż arkusz ciekłokrystaliczny numer 2 do łażni wodnej ( 23 °C) i podgrzej wodę do 30 °C. Zapisz swoje obserwacje w Tabeli 4.
| Arkusz ciekłokrystaliczny numer 2 | ||
| Temperatura (°C) | Barwa | Komentarze |
| 22-23 | ||
| 23-24 | ||
| 25 | ||
| 26 | ||
| 27 | ||
| 28 | ||
| 29 | ||
| 30 | ||
- Kiedy temperatura wody w łaźni osiągnie 30 °C ponownie zbadaj arkusz 1. Czy arkusz 1 zarejestruje temperaturę około 30 °C? Dlaczego tak/dlaczego nie?
- Włóż arkusz ciekłokrystaliczny 3 do łaźni wodnej ( 30 °C) i podgrzej wodę do temperatury 35 °C. Zapisz swoje obserwacje w Tabeli 5.
| Arkusz ciekłokrystaliczny numer 3 | ||
| Temperatura (°C) | Barwa | Komentarze |
| 30 | ||
| 31 | ||
| 32 | ||
| 33 | ||
| 34 | ||
| 35 | ||
- Włóż arkusz ciekłokrystaliczny 4 do łaźni wodnej ( 35 °C) i podgrzej wodę do temperatury 40 °C. Obserwacje zapisz w Tabeli 6.
| Arkusz ciekłokrystaliczny numer 4 | ||
| Temperatura (°C) | Barwa | Komentarze |
| 35 | ||
| 36 | ||
| 37 | ||
| 38 | ||
| 39 | ||
| 40 | ||
Czy kolejnośc kolorów, jakie pojawiły sie na arkuszach oznaczonych numerami 2, 3 i 4 jest taka sama, jak na arkuszu numer 1? Dlczego tak/dlaczego nie?
Czy arkusze z numerami 2, 3 i 4 po wyjęciu z łaźni wodnej zachowują się tak samo, jak arkusz numer 1? Na czym polega różnica? Wyjaśnij dlaczego?
Którą z czterech mieszanin ciekłokrystalicznych byś wybrał do określenia wzrostu temperatury? Dlaczego?
Przygotowanie ciekłokrystalicznego termometru pokojewego
- Stosując niezmywalny flamaster, napisz słowo “NANO” na arkuszu białej pianki. Ponieważ każdą z liter zakryjesz jednym z czterech arkuszy ciekłokrystalicznych, upewnij się, że wielkość liter jest odpowiednia (patrz rysunek poniżej).
- Wytnij wszystkie litery, pozostawiając arkusz pianki z dziurami po wycięciu słowa “nano”.
|
 Gotowy termometr Zdjęcie dzięki uprzejmości the ‘Nanoyou’ project |
Czy twój termemetr pokojowy pokazuje jakąś barwę? Jeżeli nie, wyjaśnij dlaczego?
Jeżeli twój termeometr pokojowy nie pokazuje żadnego koloru, umieść go nad pracującym laptopem. Wówczas zaobserwujesz to, co wszyscy wiemy – czyli, że arkusze się nagrzewają.
Żywotność takiego termometru wynosi nie dłużej niż 3 - 6 miesięcy, po czym można go usunąć, jak każdy inny odpadek.
Dlaczego to jest nano?
Właściwości materiałów w makroskali są uzależnione od struktury materiału w nanoskali. Zmiany w organizacji molekularnej materiału są zbyt małe, aby je zobaczyć gołym okiem. Jednakże w pewnych przypadkach, możemy zaobserwowac zmiany we właściwościach materiału. Ciekłe kryształy są tego świetnym przykładem, a w szczególności rodzaj zastosowany w powyższym doświadczeniu, ponieważ wraz ze zmianą temperatury ciekłego kryształu następuje zauważalna zmiana jego właściwości optycznych (barwy).W nanotechnologii, naukowcy wykorzystują charakterystyczne właściwości materiałów w nanoskali do projektowania nowych materiałów i urządzeń.
Podziękowania
Projekt Czas na Nano jest finansowany ze środków Komisji Europejskiej w ramach 7 Programu Ramowego.
Doświadczenie dotyczace ciekłych kryształów, opublikowane na stronie internetowej Nanoyou, zostało zaadaptowane na bazie eksperymentu zatytułowanego “Synteza ciekłych kryształów estru cholesterylu” – jednego z licznych doświadczeń zamieszczonych na stronie internetowej Uniwersytetu Wisconsin–Madison, USAw4 – oraz na podstawie informacji zamieszczonych na stronie Nanoscale Informal Science Education network w zakładce “Exploring materials: liquid crystals”w5.
Projekt “Nanoyou” (Nano dla młodzieży) jest finansowany ze środków Komisji E uropejskiej w ramach 7 Programu Ramowego (FP7/2007-2013) na podstawie umowy o dofinansowanie 233433.
Zasoby w Internecie
w1 – Więcej szczegółów na temat projektu Czas na Nano uzyskasz odwiedzając zakładkę konkurs video, pobierając protokoły eksperymentalne czy przeglądając informacje o nadchodzących wydarzeniach, patrz: www.timefornano.eu
w2 – Strona internetowa projektu Nanoyou zawiera materiały dodatkowe poświęcone doświadczeniom z udziałem ciekłych kryształów oraz szczegółowe informacje dotyczące syntezy ciekłych kryształów (www.nanoyou.eu) lub: http://tinyurl.com/2ulmsta
w3 – Wszystkie tabele niezbędne do zapisywania wyników eksperymentów można pobrać ze strony internetowej Science in School: www.scienceinschool.org/2010/issue17/nano#resources
w4 – W celu uzyskania informacji dotyczących syntezy ciekłych kryształów estru cholesterylu odwiedź stronę internetową Materials Research Science and Engineering Center Uniwersytetu w Wisconsin (http://mrsec.wisc.edu) lub użyj bezpośredniego linku: http://tinyurl.com/34kq8qn
w5 – Na stronie Nanoscale Informal Science Education network zapoznaj się z ćwiczeniami zawartymi w zakładce “Exploring materials: liquid crystals” (www.nisenet.org) lub użyj bezpośredniego linku: http://tinyurl.com/35el37p
Zasoby
Doświadczenia dotyczące nanotechnologii opublikowano w poprzednim wydaniu Science in School, patrz:
Mallmann M (2008) Nanotechnology in school. Science in School 10: 70-75. www.scienceinschool.org/2008/issue10/nanotechnology
Strona internetowa Nano and Me prezentuje co rozumiemy przez “nano” w żywności. Patrz: www.nanoandme.org/nano-products/food-and-drink
Aby dowiedzieć się więcej o zmyśle węchu, odwiedź stronę internetową Nanooze: www.nanooze.org/english/articles/5senses_noseknows.html
Nagranie przedstawiające seryjne rozcieńczenia znajduje się na stronie “Dr Shawn’s Science Fair Success Series”: http://web.mac.com/drshawn1
Strona Nano mission umożliwia pobranie gier edukacyjnych, prezentujących podstawowe założenia nanonauki oraz przykłady rzeczywistych zastosowań nanonuki w różnych dziedzinach od mikroelektroniki do sposobów podawania leków (ang. drug delivering). Patrz: www.nanomission.org
Fundacja Wellcome Trust’s udostępnia dla nauczycieli i uczniów (od 16 lat) serię bezpłatnych magazynów Big Picture, poświęconych badaniom z dziedzin takich jak biologia i medycyna. Magazyny można pobrać lub zamówić online.
Wokół nanotechnologii koncentruje się wydanie czerwcowe magazynu Big Picture z 2005 roku. Patrz: www.wellcome.ac.uk lub użyj bezpośredniego linku: http://tinyurl.com/344mpws
Strona internetowa Discover Nano Uniwersytetu Northwestern, Chicago, USA oferuje naniesioną na oś czasową interaktywną analizę historii nanotechnologii od średniowiecznego szkła do czasów współczesnych. Patrz: www.discovernano.northwestern.edu
Strona internetowa Understanding Nanotechnology przedstawia wstęp do nanotechnologii, prezentuje zastosowania nanotechnologii w dziedzinach takich jak medycyna, ogniwa paliwowe i żywność; a także porusza tematykę nanomateriałów. Patrz: www.understandingnano.com
Dla osób niemieckojęzycznych, Europejski Festiwal Science on Stage odbywający się w Niemczech stworzył 120-stronnicowy podręcznik, opisujący złożoność i różnorodność nano-świata, zawierający badania, zastosowania, historię, materiały edukacyjne i oferty pracy. Ponadto dostępne są również arkusze pracy, wskazówki i materiały dydaktyczne dla nauczycieli. Cena książki wynosi 2.50 euro. Aby uzyskać więcej informacji, patrz: www.scienceonstage.de lub użyj bezpośredniego linku: http://tinyurl.com/3yqgasa
Jeśli powyższy artykuł okazały się przydatny, poszukaj innego projektu – wśród zbliżonych tematyką artykułów, zamieszczonych na stronie internetowej Science in School: www.scienceinschool.org/projects
Dr Eleanor Hayes jest redaktorem naczelnym czasopisma Science in School. Studiowała zoologię na Uniwersytecie Oksfordzkim w Wielkiej Brytanii, uzyskała tytuł doktora w zakresie ekologii owadów. Przez pewien czas pracowała w administracji uniwersytetu, po czym przeniosła się do Niemiec i rozpoczęła działalność wydawniczą o charakterze naukowym, początkowo dla firmy bioinformatycznej, później dla towarzystwa naukowego.W 2005 roku przeniosła się do Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej (ang. European Molecular Biology Laboratory), aby rozpocząć wydawanie czasopisma Science in School.
 |
 |
 |
 |
- Login or register to post comments
- 954 reads
-
- Printer-friendly version
- Send by email
