Experimentos escolares a nanoescala Teach article

Traducido por Lucas Baeyens​. Eleanor Hayes destaca diversos recursos educativos sobre la nanoescala y la nanotecnología.

Nunca había sido tan sencillo como ahora explicar la nanoescala en clase a alumnos de todas las edades gracias a un sin fin de proyectos educativos. A continuación presentamos dos de estos experimentos para sendos grupos de alumnos (mayores de ocho años y de entre 14 y 16 años respectivamente). Al final del artículo se enumeran otros muchos recursos.

Dilución y olfato

En el siguiente experimento, apropiado para alumnos de 8 años en adelante, el color y el olor de un colorante alimentario se desvanecen gradualmente mediante un proceso de dilución en serie. El color lo hará más rápidamente que el olor, lo que muestra que aunque nuestros ojos no detecten la sustancia química responsable, nuestro olfato podrá determinar que sigue ahí.

Del mismo modo que utilizamos la vista y el olfato, los nanocientíficos utilizan herramientas especiales para analizar (y manipular) elementos a una escala muy pequeña: la nanoescala. Los microscopios de fuerza atómica pueden percibir y mover átomos individualmente, mientras que ciertas superficies especiales con nanotexturas pueden repeler el agua de manera muy eficaz.

Este experimento se ha extraído del proyecto Time for nano, que ofrece material educativo sobre los riesgos y beneficios de la investigación, ingeniería y tecnología a nanoescala. Tanto la página web como el material que ofrece están disponibles en nueve idiomas (inglés, francés, alemán, italiano, portugués, neerlandés, finés, polaco, y turco). Los miembros de este proyecto (instituciones científicas de toda Europa) también ofrecen ‘nanodías’ (nanodays), en los que se llevan a cabo demostraciones, experimentos, juegos, congresos y debates sobre la nanotecnología. Para más información, visite la página web de Time for Nano^w1.

Introducción

Cuando se presente esta actividad, los siguientes ejemplos ayudarán a visualizar lo pequeña que es la nanoescala.

• Las uñas del ser humano crecen a un ritmo de 1 nanómetro (nm; 10^-9metros) por segundo.
• El principal responsable del resfriado común es un virus que tiene un diámetro de 30 nm.
• Una membrana celular mide unos 9 nm.
• La doble hélice del ADN mide unos 2 nm.
• Un átomo de hidrógeno mide unos 0,2 nm de diámetro.

Anime a sus alumnos a reflexionar sobre las cosas que no pueden verse directamente, como la capa de ozono, los tintes que colorean las vidrieras o la suspensión coloidal de la leche.

Explique que el bulbo olfatorio del cerebro es el responsable de interpretar los olores que percibe la nariz. Este bulbo está estrechamente relacionado con la parte del cerebro que controla los recuerdos. Por ello, ciertos olores pueden hacernos evocar vivamente recuerdos concretos.

Los estudiantes podrán calcular que en cada una de las probetas el colorante alimentario se encuentra diez veces más diluido que en la probeta anterior. Cuando lleguen a la Probeta 9, el colorante se habrá diluido en una proporción de una parte de colorante por mil millones de agua.

Materiales

• Colorante alimentario con aroma (esto último es importante)
• Un cuentagotas
• Nueve probetas numeradas del 1 al 9.

Procedimient

1. Llenar minuciosamente cada probeta con 9 ml de agua.
2. Con el cuentagotas, añadir exactamente 1 ml de colorante alimentario a la Probeta 1. Mezclar a conciencia.
3. Oler el contenido. ¿A qué huele? ¿Huele igual que el colorante original?
4. Extraer 1 ml de líquido de la Probeta 1, depositarlo en la Probeta 2 y mezclar a conciencia.
5. Continuar con el proceso repitiendo los pasos 3 y 4 en la probeta siguiente: diluir 1 ml de líquido de la Probeta 2 en la Probeta 3 y así sucesivamente.

¿En qué momento dejas de percibir el color en la probeta?

¿En qué momento dejas de percibir el olor en la probeta?

¿Cómo explicarías la diferencia?

El método empleado se denomina ‘dilución en serie’. ¿Cuánta agua necesitarías para diluir 1 ml de colorante en la misma concentración que en la Probeta 9?

Construcción de un termómetro de cristal líquido

Los cristales líquidos comparten las propiedades de un líquido convencional y las de un cristal sólido: pueden fluir como un líquido, pero sus moléculas pueden estar orientadas en una dirección concreta, como el cristal. Son sensibles a factores externos, como la temperatura, y pueden cambiar su disposición molecular cuando estos factores varían. Por ejemplo, algunos tipos de cristales líquidos (los termotrópicos) modifican su color como respuesta al reordenamiento molecular producido por un cambio de temperatura.

En este experimento, ideado para alumnos de entre 14 y 18 años, los estudiantes investigan los cambios de color de un cristal líquido termotrópico y construyen un termómetro de cristal líquido. Este procedimiento se desarrolló como parte del proyecto Nanoyou. La página web del proyecto^w2 incluye una gran cantidad de material adicional (en inglés, alemán, italiano, portugués, danés y eslovaco).

Esta página, disponible en 12 idiomas, ofrece una amplia gama de material gratuito, como carteles, presentaciones, juegos de cartas, juegos de rol o guías de formación para docentes. Estas guías han sido adaptadas para dos grupos de edad distintos (de 11 a 13 y de 14 a 18 años) y abarcan los conceptos básicos de nanociencia y nanotecnología, sus aplicaciones, cuatro experimentos de laboratorio y un experimento virtual.

Los centros integrantes del proyecto colaboran directamente con los mejores centros de investigación nanocientífica de Europa, reciben material sobre la nanotecnología y participan en diversos talleres. En ellos se hace especial hincapié en cuestiones de seguridad y en las implicaciones éticas y sociales del desarrollo científico, así como en sus límites actuales y futuros. Para más información, visite la página web de Nanoyou^w2.

Preparación

Para este experimento se necesitan cuatro mezclas distintas preparadas a partir de tres cristales líquidos:

• Carbonato de oleil colesterilo (CAS: 17110-51-9; Sigma-Aldrich 151157. Coste de 25 g: unos 60 €).
• Pelargonato de colesterilo (CAS: 1182-66-7; Sigma-Aldrich C78801. Coste de 100 g: unos 115 €).
• Benzoato de colesterilo (CAS: 604-32-0; Sigma-Aldrich C75802. Coste de 25 g: unos 40 €).

En la página web de Nanoyou^w2 están disponibles en inglés las instrucciones para preparar las mezclas de cristales líquidos (en el documento Student synthesis procedure) junto con otros materiales pedagógicos adicionales.

Materiales

• 4 mezclas de cristales líquidos ya preparadas
• 4 frascos de 10 ml
• Una hoja de papel plástico adhesivo (el que se emplea, por ejemplo, para forrar libros)
• Una espátula
• Tijeras
• Un rotulador permanente
• Un termómetro ambiental
• Una hoja DIN-A4 de papel blanco
• Una hoja DIN-A4 de papel negro
• Un baño de agua (o una placa calefactora, un recipiente de vidrio borosilicatado lleno hasta la mitad de agua y un termómetro).
• Una pinza de tender la ropa
• Una lámina DIN-A4 de espuma
• Una hoja DIN-A4 de cartulina negra
• Guantes
• Gafas de protección
• Pañuelos de papel
• Cinta adhesiva (opcional)
• Un secador (opcional)

Procedimiento

Preparación de las láminas de cristal líquido

1. Consultar la Tabla 1 y preparar cuatro mezclas diferentes de los cristales líquidos. Cada una de ellas resultará sensible a un rango distinto de temperaturas.

2. Cortar dos cuadrados (de unos 10×10 cm) de papel plástico adhesivo y, tras retirar el papel protector, colocarlos (con la parte adhesiva hacia arriba) en la mesa de trabajo.
3. Con la espátula, colocar 2-3 medidas de la mezcla 1 en el centro de una de las láminas. Si el cristal se hubiese solidificado, calentar el frasco con un secador hasta que la mezcla adquiera la consistencia de la miel.
4. Colocar encima el segundo cuadrado de papel plástico adhesivo, con la parte adhesiva hacia abajo. Mientras se coloca, presione suavemente el centro para distribuir la mezcla de manera uniforme y crear así una fina capa de cristal líquido de unos 4×4 cm. No ejercer excesiva presión, ya que la mezcla podría salirse por los bordes. Si esto llega a ocurrir, limpiar inmediatamente con un pañuelo de papel.
5. Recortar el plástico sobrante y etiquetar la esquina de la lámina con el número de la mezcla (1).
6. Repetir el mismo procedimiento para las mezclas 2, 3 y 4.

Utilizar el termómetro ambiental para determinar la temperatura de la habitación.

¿Podría emplearse alguna de las mezclas de cristales para determinar la temperatura de la habitación? En tal caso, ¿cuál de ellas?

Investigación de los cambios de temperatura

1. Colocar las cuatro láminas de cristal líquido en una hoja de papel. Esperar unos segundos. ¿Qué puedes ver?
2. Con los guantes puestos, presionar con los dedos cada una de las láminas. Para que la comparación sea ecuánime, presionar durante el mismo tiempo las cuatro láminas. ¿Qué puedes ver ahora?
3. Repetir el procedimiento sobre una hoja de papel negro.
4. Registrar las observaciones en la Tabla 2. (Las Tablas de 2 a 6 pueden descargarse en la página web de Science in School)

¿Por qué se obtienen resultados diferentes según coloques las láminas sobre papel o sobre papel negro?

¿Las cuatro láminas muestran algún color? Si no es así, ¿por qué no? ¿Qué podrías hacer para que esas láminas mostrasen color?

5. Frotarse las manos y repetir el experimento ejerciendo presión con los dedos. ¿Se aprecia alguna diferencia?

Testing the liquid crystal sheets

1. Llenar con agua fría el baño de agua y calentarla hasta los 15 ºC.
2. Mantener un termómetro dentro del agua para comprobar la temperatura.
3. Colocar una lámina de papel negro detrás del baño de agua para hacer visible cualquier color que aparezca.
   Nota: el papel no debe estar en contacto con la placa calefactora.
4. Sujeta con una pinza, sumergir la lámina de cristal líquido numerada 1 en el baño de agua (ver imagen). ¿Puedes apreciar algún color?
5. Calentar el agua hasta que alcance los 23 ºC. Anotar en la Tabla 3 los colores que se puedan apreciar conforme la temperatura aumente.

¿A qué temperatura comienzas a apreciar color en la lámina 1? ¿Se corresponde con la temperatura reflejada en la Tabla 1?

¿Siguen los colores que has anotado algún orden o patrón concreto? En ese caso, ¿qué patrón sería y a qué crees que puede ser debido?

6. Sacar la lámina de cristal líquido del baño de agua. ¿Pierde su color de inmediato? Si no es así, ¿por qué no?

Imagina que colocas la lámina 1 en un baño de agua con una temperatura desconocida. Si la lámina mostrase un color naranja, ¿a qué temperatura estaría?

7. Colocar la lámina de cristal líquido número 2 en el baño de agua (ahora a 23 ºC) y aumentar la temperatura hasta los 30 ºC. Anotar observaciones en la Tabla 4.

8. Cuando la temperatura del agua alcance los 30 ºC, volver a experimentar con la lámina 1. ¿Puede la lámina detectar temperaturas de unos 30 ºC? ¿Por qué o por qué no?
9. Colocar la lámina de cristal líquido numerada 3 en el baño de agua (ahora a 30 ºC) y aumentar la temperatura hasta los 35 ºC. Anotar observaciones en la Tabla 5.

10. Colocar la lámina de cristal líquido numerada 4 en el baño de agua (ahora a 35 ºC) y aumentar la temperatura hasta los 40 ºC. Anotar observaciones en la Tabla 6.

¿Seguían los colores que has observado en las láminas 2, 3 y 4 el mismo patrón que en la lámina 1? ¿Por qué o por qué no?

Cuando se sacan las láminas 2, 3 y 4 del agua, ¿se comportan como la lámina 1? Si no es así, ¿cuál es la diferencia? ¿Y por qué?

¿Qué lámina utilizarías para comprobar si una determinada temperatura es elevada? ¿Por qué?

Construcción de un termómetro de habitación con cristales líquidos

1. En la lámina de espuma, escribir la palabra “NANO” con un rotulador permanente. Ya que se le asignará una lámina de cristal líquido a cada letra, comprobar que estas sean suficientemente grandes (ver imagen).
2. Recortar la parte interior de las letras.

3. Darle la vuelta a la lámina y cubrir cada letra con una lámina de cristal líquido de la siguiente manera:
   N – lámina 1
   A – lámina 2
   N – lámina 3
   O – lámina 4
4. Con el papel plástico adhesivo o la cinta adhesiva, fijar las láminas de cristal líquido a la lámina de espuma. Comprobar que cada letra solo deja al descubierto una lámina de cristal.
5. Recubrir las láminas con una hoja de cartulina negra, que quedará fijada al forro adhesivo. El termómetro ya está terminado.

¿Muestra tu termómetro algún color? Si no es así, ¿por qué?

Si no muestra ningún color, colócalo, por ejemplo, encima de un ordenador portátil. Comprobarás lo que todos sabemos: que se calientan.

Este termómetro te durará entre 3 y 6 meses. Después puedes tirarlo a la basura doméstica corriente.

¿Qué tiene todo esto de “nano”?

El ordenamiento de un material a nanoescala afecta a sus propiedades a macroescala. No podremos percibir con nuestros ojos los cambios en la estructura molecular de los materiales pero a menudo sí podemos percibir cambios en las propiedades organolépticas del material. Los cristales líquidos (en especial los empleados en estos experimentos) constituyen un ejemplo excelente, ya que pueden apreciarse fácilmente los cambios en sus propiedades ópticas (color) cuando su temperatura se modifica. En la nanotecnología, los científicos aprovechan las propiedades particulares de los materiales a nanoescala para diseñar nuevos materiales y dispositivos.

Agradecimientos

Time for Nano es un proyecto financiado por el 7º Programa Marco de la Comunidad Europea.

El experimento de los cristales líquidos publicado en la página web de Nanoyou es una adaptación de “Preparation of cholesteryl ester liquid crystals” (“Preparación de cristales líquidos de colesterol esterificado”, uno de los numerosos experimentos que figuran en la página web de la universidad de Wisconsin-Madison, en EE. UU.^w4) y de la actividad “Exploring materials: liquid crystals” (“Explorando materiales: los cristales líquidos”), desarrollada por la red Nanoscale Informal Science Education^w5.

El proyecto Nanoyou está financiado por el 7º Programa Marco de la Comunidad Europea (FP7/2007-2013) en virtud del acuerdo de subvención n. º 233433.

Download

Download this article as a PDF