Nano technologijos mokykloje Teach article

Išvertė Kauno regioninio inovacijų centro užsakymu. Matthias Mallmann iš NanoBioNet aiškina, kas iš tikrųjų yra Nano technologijos ir siūlo užsiėmimams du Nano eksperimentus.

Nano technologija tapo populiariu, arba “madingu” žodžiu moksle ir politikoje. Ši pagrindinė technologija laikoma ne tik vienu iš svarbiausių technikos, medicinos ir kitų sričių inovacijų šaltinių, bet taip pat vienu iš svarbiausių 21-ojo amžiaus iššūkių. Šią technologiją plačiai nagrinėja Europos universitetai ir aukšto lygio profesinio mokymo programos. Nors Nano technologijos sąvoką vartoja daugelis aukštųjų mokyklų studentų, šis dalykas Europos mokyklose dėstomas neišsamiai. Šis straipsnis aprašo keletą iniciatyvų, skirtų didinti Europos mokytojų mokslinį informuotumą apie Nano technologijas ir du Nano technologijos eksperimentus, kurie tinkami atlikti klasėje.

Kas yra Nano technologija?

Viduramžių vitražas
naudojant nanotechnologiją

Paveikslėlio autorinės teisės
priklauso NanoBioNet eV

Iš tikrųjų Nano technologija nėra kažkas naujo. Ji susiduria su dalelėmis ir procesais 10-9 m (1 nanometras) skalėje, kurią sudaro molekulių ir atomų dimensija. Chemikai, biochemikai ir ląstelių biologai dirba su šia skale jau šimtmečius.

Nano skalėje medžiagų savybės gali keistis. Pavyzdžiui, mažų medžiagos dalelių kietumas, elektrinis laidumas, spalva arba cheminis reaktyvumas priklauso nuo jų skersmens. Todėl specifinės funkcijos gali būti pasiekiamos sumažinant dalelių dydį iki 1 – 100 nm.

Gerai žinomas ankstyvosios Nano technologijos taikymo būdas- tai viduramžiais naudotas langų stiklų dažymas rubino raudonumo spalva (žiūrėti iliustraciją). Spalva gaunama kaip rezultatas, grupuojant įprastos tvirtos formos aukso atomus į nano dalelių formas. Šios mažos aukso dalelės leidžia prasiskverbti ilgų bangų raudonai šviesai, bet blokuoja trumpų bangų mėlyną ir geltoną šviesą. Todėl spalva priklauso tiek nuo panaudotų cheminių elementų (aukso), tiek nuo dalelių dydžio; pavyzdžiui sidabro nano dalelės gali nulemti geltoną spalvą.

Tačiau nauja yra daugiadisciplininis panaudojimas ir galimybė „stebėti“ šias daleles. Rastrinis jėgos mikroskopas, kuris buvo išrastas 1980-ųjų metų pabaigoje, suteikia mokslininkams galimybę matyti struktūras nanometrijos skalėje ir netgi atlikti eksperimentus su pavieniais atomais, skanuojant zondo mikroskopiją. Dabar biologai gali diskutuoti su chemikais apie ląstelių membranų sterinius efektus, kai, tuo tarpu, fizikai suteikia įrankius sąveikos stebėjimui in vivo (gyvai). Nano dalelės vaidina svarbų vaidmenį farmacijos pramonėje (pristatydamos biologiškai aktyvias medžiagas į reikiamas kūno vietas), gaminant emulsinius dažus ir kosmetiką bei optimizuojant katalizatorius. Todėl Nano technologija suvienijo visus gamtos mokslininkus ir susiejo tarpusavyje skirtingas disciplinas.

Iniciatyvos mokyklose

Moksleiviai Saarlab laboratorijoje
Paveikslėlio autorinės teisės
priklauso Lehrstuhl für
physikalische Chemie,
Universität des Saarlandes

Jau yra turima šiek tiek medžiagos, kuri padeda mokslo mokytojams supažindinti studentus su Nano technologija. Tiesa, medžiaga paprastai publikuojama tik nacionaline kalba. Pavyzdžiui, vokiečio Saarlab siūloma iniciatyvaw1 – laboratorinės dienos visoms mokinių klasėms, tuo tarpu Europos mokslo muziejai ir mokslo centraiw2 siūlo ir pateikia parodas apie Nano technologiją. Vokietijoje „Nano sunkvežimisw3 “supažindina žmones su dalyku mobiliomis parodomis, kurios gali būti užsakomos viešiems renginiams. Kai kurie universitetai, kaip Kembridžo universitetasw4, siūlo lankyti mokyklas, interaktyvias paskaitas, seminarus ir seminaruose pasikeisti patirtimi. Taip pat papildomai galima rasti daug internetinių šaltinių, kurie pateikia informaciją, siūlo filmus ir žaidimus mokiniams ir studentamsw5.

Siekiant užpildyti šias spragas, įregistruota NanoBioNetw6 siūlo ne tik specialistų rengimo kursus, bet ir pateikia eksperimentų rinkinį (NanoSchoolBoxw7) daugeliu kalbų (vokiečių, anglų ir prancūzų), skirtą mokyti mokleivius Nano technologijos. Kai kurie NanoSchoolBox eksperimentai tinka parodomiesiems eksperimentams, kitus galima naudoti be didelio pasiruošimo, integruojant į praktinius užsiėmimus mokyklose.

Šį eksperimentų rinkinį sudaro 14 bandymų ir penkios iliustracijos šiomis temomis:

  • Lotoso efektas ir nano sluoksnių techninis panaudojimas
  • Funkcionalumas nano technologijų dėka (demonstruojami įvairūs nano technologinių padengimų efektai, tokie kaip atsparumas įbrėžimams, apsauga nuo ugnies ir padidintas elektrinis laidumas per indžio- alavo oksidą)
  • Titano dioksido panaudojimas nano technologijoje
  • Fero fluidai (magnetiniai skysčiai)
  • Aukso klasteriai nano masteliais

Nors eksperimentai, visų pirma, yra skirti chemijos pamokoms, dėka nanotechnologijos tarpdisciplininės struktūros kai kurie iš jų taip pat gali būti naudojami fizikos ir biologijos pamokose. Toliau pateikiami du pavyzdžiai.

Magnetiniai skysčiai

Diagrama, rodanti ferofluidinių
dalelių sandarą

Paveikslėlio autorinės teisės
priklauso NanoBioNet eV
Magnetinio lauko linijos
Paveikslėlio autorinės teisės
priklauso NanoBioNet eV

Tai labai mažų feromagnetinių dalelių (t.y. dalelių, kurios gali būti ilgam įmagnetintos, veikiant išoriniam magnetiniam laukui) koloidinis išsklaidymas, tokių kaip kobaltas, nikelis arba geležis kurie yra suspenduojami skystame angliavandenilyje. Dalelių paviršius yra padengtas, kad būtų galima išvengti gniužulų susidarymo. Fero fluidai yra vienintelės skystos formos magnetinės medžiagos.

NanoSchoolBox apima tiek fero fluidus, skirtus eksperimento atlikimui, tiek ir taisykles, norint pasigaminti savo fero fluidus laboratorijoje. Ferro fluidus taip pat galima nusipirkti iš FerroTec GmbHw8.

Šiame paprastame bandyme, feromagnetinės dalelės išsidėsto apie magnetus išilgai magnetinio lauko linijų, taip padarydamos magnetinį lauką regimu.

Medžiagos

  • Fero fluidas
  • Tuščias stiklinis vamzdelis su gofruotu užsukimu
  • Tensido tirpalas (paviršiniam sluoksniui)
  • Magnetas
  • Pipetė
  • Vanduo

Veikimo būdas

  1. ¾ stiklinio vamzdelio pripildykite vandeniu ir įlašinkite 2-5 lašelius tensido tirpalo (paviršiuje aktyvi substancija).
  2. Atsargiai su pipete įlašinkite porą lašelių ferro fluidų, kurie nusistovėję ant dugno sudarys nuosėdas.
  3. Stiklinį vamzdelį sandariai užkimškite.
  4. Pridėkite magnetą arti fero fluido.

Kadangi dalelės bando prisijungti prie magnetinio lauko, susidaro tipinė „dygliakiaulės“ struktūra, kurioje spygliai atitinka magnetinio lauko linijas (žiūrėti paveikslėlius). Skysčių paviršiaus įtempimas ir traukos jėga veikia priešingai magnetiniam laukui, dėl to, skystyje susidaro tvarkingos struktūros, kaip reakcija į tris veikiančias jėgas.

  1. Pabandykite magneto pagalba judinti fero fluidą vandeniu. Priklausomai nuo to, ar magnetas fero fluido paviršiaus atžvilgiu laikomas paraleliai ar statmenai, keičiasi magnetinio lauko orientacija ir atitinkamai kinta skysčio orientacija.
  2. Atsargiai papurtykite vamzdelį, taip paskirstysite fero fluidą vandenyje. Kadangi geležies dalelės netirpsta, jos galiausiai nusėda ant dugno. Šį procesą galima paspartinti magneto pagalba ir tuo pačiu stebėti puikius efektus. Norint tai pasiekti daug kartų greitai judinkite magnetą vamzdelio šoniniu paviršiumi. Taip Jūs paspartinsite fero fluidus gaminti juosteles, debesis ir taip toliau.
Ferofluidai ir magnetinis laukas
Paveikslėlių autorinės teisės priklauso NanoBioNet eV

 

Pastabos saugumo užtikrinimui

  • Fero fluidus reikia naudoti labai atsargiai ir švarioje aplinkoje, kadangi jie palieka ilgalaikes dėmes.
  • Reikia dėvėti laboratorinį apsiaustą, pirštines ir apsauginius akinius. Esant fero fluido sąlyčiui su oda, tą vietą reikia nuplauti su muilu.
  • Visada laikykite ferufluidus uždarame inde, kad išvengtumėte išgaravimo.
  • Fero fluidai ir medžiagos, išteptos substancija, turi būti išgabenamos į atliekas kaip variklių alyva (kaip pavojingos medžiagos arba į specialų surinkimo punktą) ir negali būti pilamos į kriauklęnot poured down the sink.

Nano auksas

Tyrinėtojai, siekdami aptikti biomolekules, naudoja aukso dalelių savybę- šviesos absorbavimą. Pavyzdžiui, antikūniai gali būti žymimi sukabinant juos su aukso dalelėmis. Apšvietus baltai šviesai tampa matoma metalo dalelių raudona spalva. Šis testas naudojamas, atliekant nėštumo testus, kuriuose aukso nanodalelės yra plonai paskirstomos testo juostelėse.

Nėštumo testo juostelė
Paveikslėlio autorinės teisės priklauso
kimkole / iStockphoto

Pavyzdžiui UltiMed®- nėštumo testai remiasi šiuo principu, kad įrodytų žmogiškojo choriongonadotropino (hCG) buvimą, ankstyvuoju nėštumo metu atsiskiriančio nuo apvaisinto kiaušinėlio ir gleivinės. hCG sudarytas iš dviejų subvienetų α ir β. Testo juostelėse α subvienetai yra imobilizuojami iš hCG, kad esant nėštumui, susidarytų raudona linija. Kitose vietose ant juostelių yra koloidinėmis dalelėmis pažymėti antikūniai, kurie yra specifiški hCG β subvienetui.

Panardinus juostelę į šlapimą, skystis leidžia pažymėtoms aukso dalelėms judėti juostelėje kapiliaro jėgų pagalba. Jeigu šlapimas turi hCG (t.y. moteris yra nėščia), hCG β subvienetai prisijungia prie pažymėtų aukso dalelių. Kai jos pasiekia prisijungusius prie aukso, imobilizuotus α- subvienetus, α ir β subvienetai susijungia ir sudaro aukso- hCG- kompleksą. Jeigu hCG koncentracija yra pakankamai aukšta, kompleksas matomas kaip raudona linija ir parodo, kad moteris yra nėščia. Kitos aukso dalelės prisijungia prie antros linijos (vienodai, ar teigiamos, ar neigiamos) ir parodo, kad testas buvo atliktas tinkamai.

Kitame eksperimente mes gaminsime nano mastelyje aukso klasterius, kurie yra lengvai atpažįstami dėl savo rubino spalvos. Vienas būdas, kaip pagaminti nano mastelio auksą, yra citrato metodas, kuris čia yra aprašomas. Šiuo metodue galima pagaminti arba koloidinį auksą, arba aukso klasterius.

Klasteris, arba nano dalelė, yra kompleksas nuo 3 iki 50 000 atomų. Paprastai, aukso nanodalelių skersmuo yra vidutiniškai 12 – 18 nm. Jeigu klasteriai erdvės požiūriu pasiskirstę kitoje fizikinėje terpėje, tada kalbama apie koloidinę sistemą.

Cheminė lygtis aukso klasterių gamybai
Paveikslėlio autorinės teisės priklauso Nicola Graf

Eksperimentas remiasi aukso tetrachlorido oksidacija- redukcija (taip pat žinomas kaip tetrachloro aukso rūgštis arba tetrachloro aukso rūgšties (III)- trihidratas), kuriame aukso jonai redukuojami į atominius aukso klasterius. Redukcijos priemonė natrio citratas (taip pat vadinamas trinatrio citratodihidratas) redukuojasi ne tik į auksą, bet veikia taip pat kaip dispersinė priemonė, kuri stabilizuoja susidariusius klasterius.

Pridedant redukcinių priemonių, sustabdomas metalo jonų ryšys ir gaunamas rezultatas – koloidinis klasteris, uždarytas į atomais susietą bloką.

Šie koloidai įrodomi Tindalio efektu. Jis pasireiškia, kai šviesa krinta į koloidinį skystį: skystyje galima matyti šviesos kelią, jeigu matoma šviesa išsklaidoma į suspenduotas, mikroskopiškai mažas daleles, kurių skersmuo matomos šviesos bangų ilgio mastelio (400 – 800 nm). Priešingai, skystyje be koloidų šviesos kelias (pvz. rašalas) yra nepastebimas, nes šviesa praeina be dispersijos.

Medžiagos

  • Aukso chlorido tirpalas, HAuCl4 (0.1 g aukso chlorido 20 ml H2O)
  • Citrato tirpalas, C6H5Na3O7 x 2 H2O (5.7 g – 0.5 l H2O, filtruotas)
  • Destiliuotas vanduo
  • Virimo plytelė arba kaitinamoji spiralė
  • Maišymo prietaisas (šaukštas, maišiklis arba panašiai), idealiausiu atveju magnetinis laboratorinis maišiklis
  • 1 karščiui atsparus stiklinis indas (50 – 100 ml)
  • Termometras (iki 100 ºC)
  • Lazerinė rodyklė (optinė)

 

Nurodymai saugumui:

Aukso chloridas yra deginantis ir prarijus kenksmingas sveikatai.

Veikimo būdas

  1. Į 28 ml destiliuoto vandens įlašinti 0,5 ml (maždaug 15 lašų) aukso chlorido tirpalo.
  2. Tirpalą pakaitinti kaitinimo prietaisu arba virimo plytele iki 100 ºC.
  3. Kai tirpalas pasiekia 100 ºC temperatūrą ir pradeda trykšti, kiek galima greičiau reikia pridėti 1,5 ml citrato tirpalo ir stipriai išmaišyti.

Pradžioje esanti aukso chlorido tirpalo raudona spalva intensyvėja, kol ji pasidaro tamsiai raudona. Esant 85- 90 ºC temperatūrai, tai tęsiasi maždaug 5 minutes kol pasikeičia spalva; prie 100 ºC- tai vyksta dar greičiau.

Priklausomai nuo susidariusių dalelių dydžio raudona spalva gali tapti violetine.

  1. Aukso koloidai atpažįstami Tindalio efektu. Iš šono tirpalą švieskite lazerine rodykle. Galima stebėti šviesos kelią tirpalu.

Kiti eksperimentai

Pakartokite eksperimentą palyginimui su 0,5 ml aukso chlorido tirpalu ir 50 ml destiliuoto vandens. Palyginkite laiką iki spalvos pasikeitimo.

Jeigu kitame eksperimente padidinsite citrato koncentraciją, koloidai turės ryškią violetinę spalvą, kas yra skirtingų koloidų dydžių susidarymo rezultatas.

Kita informacija

Dėl kitos informacijos susisiekite su įregistruota NanoBioNet: www.nanobionet.de
El paštas: info@nanobionet.de
Tel: +49 (0)681 685 7364

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Matthias Mallmann yra atsakingas už profesinį mokymą Vokietijos NanoBioNet įmonių tinkle. Jis taip pat vadovauja komunikacijos procesui EB finansuojamuose Nano2Lifew9 kompetencijos tinkluose..


Review

Nors nanotechnologija yra madingas žodis, teigiamai vertinamas europiečių (žiūrėti Eurobarometer 2005 apklausą), visgi šis terminas daugumai žmonių, įskaitant studentus, turi labiau futuristinę nei realią reikšmę.

Matthias Mallmans straipsnis, kurio pradžioje piešiami seni, nudažyti stikliniai langai, šią temą padaro malonia. Jame yra tiek pristatomi galimi šaltiniai Euopoje, tiek apibūdinami nanotechnologijų užsiėmimai, panaudojant didaktinę medžiagą (NanoSchoolBox) su charakteringų eksperimentų atlikimu.

Šį straipsnį aš siūlau aukštesniosioms vidurinių mokyklų klasių mokytojams, kurie nori nanotechnologiją panaudoti realiai. Medžiaga tinka taip pat moksleiviams, kurie nori įsigilinti į temą pasinaudodami nurodytu internetiniu puslapiu.

Pteikiamų duomenų stilius bei sudėtingumas yra tinkamas ir ne anglakalbiams, jei jie turi mokslinių žinių pagrindus. Su aprašytais pavyzdžiais ir pasiūlymais gali būti tarpusavyje sujungiamos įvairių mokslų sritys (fizika, chemija, biologija) arba padidinamas aktyvumas istoriniu arba aktyvaus piliečių dalyvavimo aspektu (saugumo temos).


Giulia Realdon, Italija




License

CC-BY-NC-SA