Iskolai kísérletek a nano mérettartományban Teach article

Fordította: Kapitány János Sándor. Eleanor Hayes a nano mérettartománnyal és a nanotechnológiával kapcsolatos oktatási forrásokat ajánl figyelmünkbe.

Sok oktatási projekt áll rendelkezésünkre, hogy minden eddiginél könnyebben mutathassuk be a nano mérettartományt – bármilyen iskolai korosztály számára. Alább található két kísérlet (8 év feletti és 14 és 16 év közötti gyerekek számára); illetve a cikk végén rengeteg egyéb forrást is listázunk.

A hígítás és a szaglás érzékenysége

A következő kíséletben – amit 8 éves kortól javaslunk- az ételszínezék sorozatos higítását végezzük el, melynek következtében az ételszínezék színe és szaga egyre kevésbé lesz érzékelhető. A szín sokkal gyorsabban fog halványulni, míg a szag ugyan gyengébben, de még érezhető marad, ezzel szemlétetve, hogy a szemünk érzékenysége kevésbé jó, mint a szaglásunké; mikor az anyag jellemző színét már nem látjuk, a szaglásunk kémiai érzékenysége alapján még mindig tudni fogjuk azonosítani.

Ahogy mi a nagyobb dolgokat a szemünkkel nézzük, míg a kisebbeket az orrunkkal szagoljuk meg, a nanokutatók is speciális eszközöket használnak a nanoméretű dolgok analízálásához (és manipulálásához) ebben a nagyon kis tartományban: a nano mérettartományban. Az atomerő-mikroszkóppal érzékelhetők és mozgathatók az atomok, amíg egy olyan speciális felületen vannak a nanoszerkezetek, ami rendkívül hatékonyan taszítja a vizet.

Ez a kísérlet a ‘Eljött a nano ideje’ nevű projektből van kiemelve, amely informális oktatási anyagokat tartalmaz a nano mérettartomány kutatásának előnyeivel és kockázataival, mérnöki tervezésével és a nano technológiával kapcsolatban. A weboldal és az anyagok kilenc különböző nyelven érhetők el (dán, angol, finn, francia, német, olasz, lengyel, portugál és török). A project résztvevői – természettudományos központok Európában – várják az általuk megrendezett ‘nanonapokra’ az érdeklődőket, ahol demonstrációk, kísérletek, játékok, találkozók és a nanotechnológiával kapcsolatos megbeszélések kerülnek megrendezésre. További információkért látogasd meg az ‘Eljött a Nano Ideje’ weboldalt^w1 .

Bevezetés:

Amikor bevezetjük ezt a tevékenységet, akkor a következő példák lehetnek a segítségünkre abban, hogyan illusztráljuk azt, hogy mennyire kicsi a nano mérettartomány.

• A körmeink minden másodpercben 1 nanométernyit nőnek.
• Az a vírus, ami általában a náthát okozza, 30 nanométer átmérőjű.
• A sejtmembrán keresztben mintegy 9 nanométer.
• A DNS dupla helix 2 nanométer hosszú keresztbe.
• Egy hidrogén atom átmérője körülbelül 0.2 nanométer

Ösztönözzük diákjainkat, hogy gondoljanak olyan dolgokra, amelyeket nem láthatnak közvetlenül, például az ózonréteg, színezékek az ólomüveg ablakokban, vagy a tej kolloid természete.

Magyarázzuk el azt, hogy a szaglógumó felelős azért hogy értelmezze azt, amit az orrunk érzékel. A szaglógumó erősen kapcsolódik az agy egy olyan részéhez, amely a dolgok megjegyzését végzi, ezért van az, hogy bizonyos szagok különböző dolgokra tisztán emlékeztetnek bennünket.

A diákok kiszámolhatják, hogy minden kémcsőben az ételszínezék tízszer hígabb lesz, mint az előző kémcsőben. Amikor elérik a 9-es kémcsövet, az eredeti ételszínezék olyan szinten hígul, hogy egy rész ételszínezékre egy billió rész víz jut.

Szükséges anyagok

• Néhány illatos (ez fontos) ételszínezék
• Egy Pasteur pipetta
• Kilenc darab kémcső, 1-9-ig számozva.

Eljárás

1. Óvatosan töltsd fel mindegyik kémcsövet 9 ml vízzel.
2. A Pasteur pipetta használatával adjunk hozzá 1ml ételszínezéket az 1. kémcső tartalmához.
3. Szagold meg a kémcsövet. Milyen szaga van? Ugyanolyan a szaga, mint az ételszínezék eredeti szaga?
4. Most vegyünk ki 1 ml folyadékot az 1. kémcsőből és adjuk a 2. kémcsőhöz és rázzuk össze.
5. Folytassuk a folyamatot a 3. és 4. lépések megismétlésével: higítsuk a 2. kémcső tartalmát a 3. kémcsőbe, majd a 3. kémcső tartalmát a 4. kémcsőbe, és így tovább.

Honnantól mondhatjuk, hogy nem láttuk többé színesnek a kémcsövekben lévő oldatoknak?

Honnantól mondhatjuk, hogy nem éreztük a kémcsőben lévő anyag szagát?

Hogyan tudnád megmagyarázni az eltérést?

Ezt az eljárást úgy hívjuk, hogy sorozatos higítás. Ha egy lépésben szeretnénk megkapni az 1 ml ételszínezéknek azt a higítását, ami a 9. kémcsőben van, mennyi vízre lenne szükségünk?

Építsünk folyadékkristályos hőmérőt!

A folyadékkristályoknak a tulajdonságai a hagyományos folyadékok és a szilárd kristályoké között vannak; például, a folyadékkristály folyhat úgy mint egy folyadék, de a molekulái egy adott irányba orientálódnak, mint a kristályokban. A folyadékkristályok érzékenyek a külső faktorokra, mint mondjuk a hőmérsékletre és ha ezek a faktorok változnak megváltoztatják a molekuláris elrendeződésüket. A hőmérséklet változtatására egyes folyadékkristályok (a termotropikusak) olyan válaszreakciót adnak, hogy megváltoztatják a színüket a szerkezetváltozásuk eredményeként.

Ebben a kísérletben a diákok megfigyelhetik a termotropikus folyadékkristályok színváltozásait és aztán megépíthetik a saját folyadékkristályos hőmérőjüket. Az eljárás, amely 14-18 év közötti tanulók számára ideális, a ‘Nanoyou’ projekt keretein belül lett kifejlesztve. Bővebb támogatást nyújtó segédanyagok elérhetők (dán, angol, német, portugál és szlovák nyelven) a projekt weboldalán ^w2.

A ‘The Nanoyou’ weboldal 12 nyelven érhető el és ingyenes anyagok széles választékát kínálja: többek között posztereket, kártyajátékokat, társasjátékokat és tanári tréning csomagokat. Ez a csomag magában foglalja a nanotudomány és a nanotechnológia alapfogalmait, a nanotechnológiák alkalmazását, négy laboratóriumi kísérletet és virtuális kísérletet. Külön csomagok érhetők el a 11-13 és 14-18 éves korosztályig.

Azok az iskolák, amelyek részt vesznek a projektben, közvetlenül az Európai nanotudományos kutatóközpontok irányításável dolgoznak, kapnak különböző nanotechnológiával kapcsolatos anyagokat és részt vesznek workshopokon. Különös hangsúlyt kapnak az etikai, biztonsági és társadalmi következmények, valamint a tudományos fejlődés jelen és a jövőbeli korlátai. Tudj meg többet ezektől, látogasd meg a Nanoyou weboldalát^w2.

Előkészítés:

Ehhez a kísérlethez szükséged lesz négy különböző keverékre, amit három folyadékkristályból készítesz el.

• Koleszteril-oleil-karbonát (CAS szám 17110-51-9, Sigma-Aldrich 151157; 25 g ára körülbelül 60€)
• Koleszteril-pelargonát (CAS szám 1182-66-7, Sigma-Aldrich C78801; 100 g ára körülbelül 115€)
• Koleszteril-benzoát (CAS szám 604-32-0, Sigma-Aldrich C75802; 25g ára körülbelül 40€)

Ezeknek a folyadékkristály keverékeknek az elkészítéséhez az elkészítési instrukciók  (‘Student synthesis procedure’) és más tanári segédanyagok elérhetők és letölthetők a Nanoyou weboldalról^w2.

Szükséges anyagok:

• 4 db előre előkészített folyadékkristály keverék
• 4 db 10 ml-es kémcső
• Egy ragadós hátú műanyaglap (könyvek borítására használható)
• Egy spatula
• Olló
• Egy filctoll (permanent marker)
• Egy szoba hőmérő
• Egy A4-es fehér papír
• Egy A4-es fekete papír
• Egy vízfürdő (vagy egy főzőlap, egy félig vízzel feltöltött Pyrex üveg víztároló, amiben hőmérő is van)
• Egy ruhaakasztó/fogas
• Egy A4-es papírnyi hab
• Egy fekete, A4-es papírkártya
• Kesztyűk
• Biztonsági szemüveg
• Papírzsebkendő
• Ragasztószalag (opcionális)
• Egy hajszárító (opcionális)

Eljárás:

Folyadékkristály lapok előkészítése

1. Az 1. táblázat használatával készítsük elő a négy különböző folyadékkristályos keveréket, valamennyi különböző hőmérséklet tartományokban legyen érzékenyCut two pieces of sticky-back plastic (about 10 x 10 cm), peel off the backing paper and lay the plastic (sticky side up) on the bench.
2. Vágj két darab ragadós hátú műanyagot (körülbelül 10 x 10 cm), húzd le a hátlappapírt róla és fektesd le a műanyaglapot (ragadós oldallal felfelé) a padra.
3. Helyezzünk 2-3 spatulányit a folyadékkristály 1. keverékből a lap közepére. Ha a folyadékkristály megszilárdult, melegítsük fel fiolát először egy hajszárítóval, amíg a keverék konzisztenciája el nem éri a mézhez hasonló állagot.
4. Helyezzük a második darab ragadós-hátú műanyagot az első darab tetejére ragadós oldallal lefelé. Amikor ezt csinálod középen nyomd le, hogy egyenletesen szétterjeszd a folyadékkristályt, létrehozva a vékony réteget a folyadékkristályból (körülbelül 4 x 4 cm). Ne nyomd túl erősen, különben a keverék kiszivárog; ha megteszi akkor azonnal tisztítsuk le egy papírzsebkendővel.
5. Vágjuk le a felesleges műanyagot és címkézzük rá a lap sarkára a folyadékkristály keverék számát (1).
6. Ismételjük meg a fenti eljárást a folyadékkristály 2-4. keverékekkel is.

Használjuk a szobahőmérőt, hogy meghatározzuk a szoba hőmérsékletét, amelyben vagyunk.

Használható lenne valamelyik folyadékkristály keverék a szoba hőmérsékletének meghatározására? Ha igen, melyik?

A hőmérsékletváltozás megfigyelése

1. Helyezzük a négy folyadékkristályos lapot egy fehérlapra. Várjunk pár másodpercet. Mit látsz?
2. Kesztyűt viselve, nyomd az ujjadat minden folyadékkristály lapra. (Hogy jól össze tudd hasonlítani, ahhoz az szükséges, hogy minden folyadékkristályos lapon ugyanannyi ideig tartsd az ujjadat.) Mit látsz most?
3. Ismételd meg az eljárást a fekete papírlapon.
4. Rögzítsd a megfigyeléseidet a 2. táblázatban. (2-6. táblázat letölthető a Science in School weboldaláról^w3.)
   Miért kapsz eltérő eredményt, ha a folyadékkristály lapokat fehér vagy fekete papíron teszteled?
   Mind a négy folyadékkristály lap mutat színt? Ha nem, akkor miért nem? Mit tudnál tenni annak érdekében, hogy minden lapnak legyen színe?
5. Dörzsöld össze a kezeidet és teszteld le a lapokat újra. Látsz bármi különbséget?

A folyadékkristályos lapok tesztelése

1. Töltsük fel a vízfürdőt hidegvízzel és emeljük a hőmérsékletet 15°C-ra.
2. Tartsuk a hőmérőt a vízben, hogy ellenőrzihessük a hőmérsékeletet.
3. Helyezzük a fekete papírlapot a vízfürdő mögé, hogy bármilyen színváltozást meg tudjunk figyelni. Megjegyzés: a papír nem érintheti a forrólapot.
4. Egy ruhacsipesszel tartva, merítsük a folyadékkristály 1. lapot a vízfürdőbe (mint az alábbi ábrán). Látsz bármilyen színt?
5. Emeljük a hőmérsékletet 23°C-ra. A 3. táblázatban, rögzítsd azokat a színeket, amelyeket látsz, miközben a hőmérséklet emelkedik.

Melyik hőmérsékletnél kezdesz új színeket látni az 1. lapnál? Ez összefügg azzal a hőmérséklettel, amit az 1. táblázatban jósoltunk?

A táblázatban rögzített színek követnek valamilyen szabályszerű mintázatot? Ha igen, milyen sorrendet és miért gondolod, hogy ez lehetséges?

6. Vedd ki a folyadékkristályos lapot a vízfürdőből. Azonnal elveszíti a színét? Ha nem, miért nem?

Képzeljük el, hogy az 1. lapot ismeretlen hőmérsékletű vízfürdőbe helyezzük. Ha a lap narancs színűre változik, milyen hőmérsékletű lenne a vízfürdőnk?

7. Helyezzük a folyadékkristály 2. lapot vízfürdőbe (most 23°C) és növeljük a hőmérsékletet 30°C-ig. Rögzítsd a megfigyeléseidet a 4. táblázatban.

8. Amikor a víz hőmérséklet elérte a 30°C-ot, teszteld le az 1. lapot. Az 1. lap kimutathat 30°C körüli hőmérsékletet? Miért/miért nem?
9. Helyezzük a folyadékkristály 3. lapot vízfürdőbe (most 30°C) és emeljük a 35°C-ra a hőmérsékletet. Rögzítsd a megfigyeléseidet az 5. táblázatban.

10. Helyezzük a folyadékkristály 4. lapot vízfürdőbe (most 35°C) és emeljük a 40°C-ra a hőmérsékletet. Rögzítsd a megfigyeléseidet az 6. táblázatban.

A színek sorrendje ugyanolyan volt a 2-4. lapoknál ugyanaz volt, mint az 1. lapnál? Miért/Miért nem?

Ha kiveszed a 2.,3. és 4. lapokat a vízfürdőből, ugyanúgy viselkednek mint az 1.? Ha nem, akkor mi a különbség? Miért?

A négy folyadékkristály keverék közül melyiket használnád, hogy láthassuk a megemelt hőmérsékletet. Miért?

Folyadékkristályos szobahőmérő készítése

1. 

   Egy olyan lapra, ami fehér szappanból készült írjuk egy filctollal (permanent marker) a ‘NANO’ szót. Minden betű egy folyadékkristály lapot fog körbe venni, ezért győződjünk meg róla, hogy az egyes betűk elég nagyok legyenek, de ne túl nagyok (lásd az alábbi képet).

2. Vágjuk ki a négy betűt a szappanból és hagyjuk meg a szappanlapot a ‘nano’ szó betűit adó lyukakkal.
3. Fordítsuk meg a szappanlapot és minden betű mögé tegyünk egy-egy folyadékkristály lapot az alábbiak szerint:
   N – lap 1
   A – lap 2
   N – lap 3
   O – lap 4
4. A ragadós hátú műanyagot vagy ragasztószalagot használva rögzítsük a folyadékkristály lapokat a szappanhoz, vigyázva, hogy egy betű mögött csak egyféle lap legyen.
5. A folyadékkristály lapok mögé tegyünk egy fekete papírkártyát, rögzítsük ezt is a szappanhoz.
6. A szobahőmérőnk ezennel elkészült!

Mutat a szobahőmérő bármilyen színt? Ha nem, miért?

Ha a hőmérőd nem működik, akkor tedd rá egy működő laptopra. Így megmutathatjuk, amit mindannyian tudunk, hogy a laptopok melegítenek.

A hőmérő 3-6 hónapig tartható el, miután normál hulladékként kidobható.

Milyen ez a nano?

A makróméretű anyagok tulajdonságait az anyag nanoméretű szerkezete befolyásolja. Az anyag molekuláris szerkezetének változása többnyire túl kicsi ahhoz, hogy szabad szemmel láthassuk, de néha az anyag tulajdonságaiban láthatunk változást. A folyadékkristályok nagyszerű példái ennek, különösen az a típus, amelyet kísérlet során használtunk, mert a folyadékkristályok optikai tulajdonságának (színük) változása észlelhető, amikor a folyadékkristály hőmérséklete megváltozik. A nanotechnológiában, a kutatók az anyagok nanomérettartománybeli különös sajátságait használják ki új anyagok és eszközök tervezésekor.

Köszönetnyilvánítás

A Time for Nano az Európai Bizottság 7. Keret Programja finanszírozásával valósult meg.

A folyadékkristály kísérlet, amit a Nanoyou weboldalon jelentettek meg, a‘Preparation of cholesteryl ester liquid crystals’ – ami egyike annak a sok kísérletnek, amit a Wisconsin Egyetem – Madison’s Anyagkutató Tudományos és Mérnöki Központ honlapján^w4 publikáltak – és az ‘Exploring materials: liquid crystals’ tevékenységnek az adaptációja, amelyet a Nanoscale Informal Science Education network^w5 fejlesztett ki.

A ‘Nanoyou’ (Nano for Youth) az Európai Bizottság 7. Keret Programja finanszírozásával valósult meg az (FP7/2007-2013) támogatási megállapodás alapján 233433.

Download

Download this article as a PDF