È un solido? È un liquido? È slime! Create uno slime per esplorare il concetto di viscoelasticità e poi partecipate a una sfida di progettazione di materiali.
Introduzione
La materia è convenzionalmente classificata in tre stati fondamentali: solido, liquido e gassoso. Tuttavia, è noto che ci sono materiali che non rientrano perfettamente in una sola di queste categorie. L’Attività 1 incoraggia gli studenti a esplorare questo aspetto.
Un materiale che non rientra perfettamente in nessuna di queste categorie è uno probabilmente familiare agli studenti: lo slime! Nell’Attività 2, gli studenti produrranno lo slime con ingredienti sicuri e ne esploreranno le proprietà viscoelastiche. Questo introdurrà l’idea di classificare i materiali secondo la loro risposta all’applicazione di uno stress.
Immagine gentilmente concessa da Tamaryin Godinho
Infine, l’Attività 3 propone una sfida a squadre, nella quale agli studenti verrà richiesto di personalizzare la loro formulazione in funzione di una particolare applicazione.
Attività 1: Classificare i materiali
È comunemente accettato che i solidi hanno una forma definita, mentre i liquidi scorrono. Osservando gli oggetti di tutti i giorni, come ad esempio il dentifricio, si può però osservare un duplice comportamento: se viene applicato uno stress, come una pressione, si deforma, mostrando caratteristiche simili a quelle di un liquido; tuttavia, se lo stress applicato non è sufficiente, il dentifricio conserva la sua forma, come un solido. Misurare con precisione le proprietà solide e liquide di un materiale è essenziale per determinarne la sua idoneità in diverse applicazioni.
Tempo stimato: 30 minuti
Età: da 9 a 16 anni.
Materiali
Oggetti con diversa risposta all’applicazione di uno stress (per esempio legno, metallo, colla, ketchup, polistirene, plastilina, pasta modellabile, palline di gomma, caramelle gommose, gelatina, gomma da masticare, schiuma, spugna, dentifricio…)
Riepilogare le conoscenze degli studenti in merito a solidi, liquidi e gas.
Mostrare uno dei materiali che non rientra esattamente in queste categorie, come la plastilina, e chiedere agli studenti che tipo di materiale pensano che sia e perché. È possibile che non tutti i materiali possano essere facilmente classificati come solidi o liquidi.
Distribuire la tabella di valutazione dei materiali (una per gruppo) e gli oggetti, o lasciare che gli studenti ne scelgano alcuni dalla cattedra. Gli studenti possono lavorare individualmente o in gruppi.
Gli studenti dovranno usare la tabella di valutazione per cercare di determinare se gli oggetti sono solidi o liquidi toccandoli, stirandoli, e cercando di deformarli, e compilare la tabella.
Alla fine, ciascuno studente o gruppo dovrà compilare la tabella riassuntiva dei materiali.
Aprire una discussione di classe durante la quale gli studenti confronteranno i loro risultati. Sono arrivati alle stesse conclusioni? Dovrebbe essere chiaro che, sulla base delle proprietà osservabili, alcuni materiali possono essere facilmente classificati come solidi o liquidi, mentre altri sembrano avere le proprietà di entrambi.
Nel caso di studenti con più di 12 anni, si può approfondire la discussione esaminando l’influenza della temperatura sulla viscoelasticità e lo sforzo necessario per deformare ogni materiale (forte o debole, lento o veloce, area di applicazione dello sforzo grande o piccola).
Attività 2: Realizzare lo slime
Lo slime è un gioco molto diffuso e realizzarlo è un esperimento divertente. Lo si ottiene tramite la reazione chimica tra le catene polimeriche dell’alcol polivinilico (PVOH), derivate dalle molecole di polivinilacetato (PVA) presenti nella colla, bicarbonato e anioni borato contenuti nel liquido per lenti a contatto.[1]
Sintesi dello slime Immagine gentilmente concessa dalle autrici
In questa attività, gli studenti potranno realizzare uno slime partendo da zero, con ingredienti sicuri e facili da reperire. Variando leggermente le proporzioni dei reagenti, è possibile ottenere materiali con comportamenti diversi, da liquidi viscosi a solidi elastici. Questo fornisce l’opportunità di esplorare reazioni chimiche, polimeri e caratterizzazioni meccaniche.
Tempo stimato: 60 minuti
Età: questa attività può essere svolta a diversi livelli di approfondimento con studenti dai 9 ai 16 anni.
Note per la sicurezza
Gli studenti dovranno lavarsi le mani alla fine dell’esperienza. In caso di pelle sensibile o di tagli sulle mani è opportuno usare guanti usa e getta.
Colla (composta da una dispersione acquosa di polivinilacetato)
Bicarbonato di sodio
Liquido per lenti a contatto (che contiene acido borico, l’ingrediente essenziale)
Becher da 100 ml o bicchiere
Due differenti siringhe, tubi conici da laboratorio (tubi Falcon), o cilindri graduati (per la colla e per il liquido per lenti a contatto)
Bacchetta per agitare o spatola
Colori alimentari o coloranti idrosolubili, come la fluoresceina (opzionale)
Contenitori con coperchio per conservare lo slime per diversi giorni
Procedura
Immagine gentilmente concessa dalle autrici
Prima di cominciare, dividere gli studenti in quattro gruppi, preferibilmente costituiti da due o tre studenti ciascuno. Seguendo le istruzioni, otterranno materiali con diverse risposte meccaniche usando diverse proporzioni tra i reagenti.
Gruppo
Colla
Acqua
Liquido per lenti a contatto
1
10 ml
0 ml
3 ml
2
10 ml
0 ml
5 ml
3
10 ml
5 ml
3 ml
4
10 ml
5 ml
5 ml
Tabella 1: Quantità di reagenti per la sintesi dello slime.
Dopodiché, distribuire il foglio di lavoro Attività 2. Chiedere a ciascun gruppo di evidenziare o sottolineare la riga della tabella relativa al loro gruppo.
Usando la siringa, gli studenti misureranno 10 ml di colla e li trasferiranno nel becher.
Aggiungeranno poi la quantità di acqua indicata nella Tabella 1 per il loro gruppo allo stesso becher.
Aggiungeranno un pizzico di bicarbonato di sodio e mescoleranno la soluzione per scioglierlo.
Opzionale: a questo punto, se si desidera, si potrà aggiungere una piccola goccia di colorante alimentare o idrosolubile. Tuttavia, tenere presente che questo potrebbe cambiare le proprietà del materiale, quindi aggiungerne solo una piccola quantità e usare lo stesso colorante per tutti i campioni. Lotti di slime di colori diversi non devono essere confrontati direttamente.
Dopodiché, gli studenti aggiungeranno la quantità di liquido per lenti a contatto indicata in Tabella 1 per il loro gruppo.
La miscela andrà mescolata vigorosamente per diversi minuti per assicurarsi che le componenti siano completamente miscelate.
Dopo aver aspettato (senza agitare) per 5 minuti, gli studenti potranno togliere lo slime dal contenitore e giocarci per alcuni minuti per sentirne le proprietà, prima di arrotolarlo in una pallina.
Slime Immagine gentilmente concessa da Tamaryn Godinho
Dovranno analizzarne le proprietà usando la tabella di valutazione dei materiali e poi aggiungere il loro slime alla tabella riassuntiva.
Se gli studenti vogliono aggiungere una goccia di colorante alimentare o idrosolubile, dovranno registrarne le proprietà prima e dopo la sua aggiunta.
Dopo 30 minuti, i materiali verranno raccolti per eseguire la prova di espansione. Formare una pallina con ogni materiale, e metterle simultaneamente sul tavolo. Dopo alcuni minuti, i materiali si espanderanno sulla superficie per effetto della gravità a diverse velocità, mostrando diverse aree di espansione.
Come classe, confrontare i risultati per i diversi materiali (1-4). Qual è l’effetto di aggiungere una quantità più elevata di liquido per lenti a contatto alla formulazione? O una quantità più elevata di acqua?
Discussione
Lo slime è deformabile e molto flessibile. La risposta meccanica dipende dal tipo di stress applicato e dalla scala temporale considerata. Quando lasciato indisturbato fluisce, comportandosi come un liquido viscoso, ma quando è sottoposto a uno stress costante, ad esempio come quando lo si arrotola in una pallina con le mani, può mantenere la sua forma. Se lo si colpisce con sufficiente forza, ad esempio lanciandolo a terra, non si espande sul pavimento, comportandosi più come un solido elastico. Studenti con più di 12 anni potranno anche considerare come altre proprietà, ad esempio la flessibilità, la collosità, la durezza, e la tendenza a rimbalzare, siano influenzate dalle diverse formulazioni.
Attività 3: Sfida applicativa!
Immagine gentilmente concessa da Tamaryn Godinho
Dopo aver acquisito esperienza nel sintetizzare e testare diverse formulazioni di slime, gli studenti vengono sfidati a progettare uno slime con un particolare equilibrio tra viscosità ed elasticità, che lo possa rendere adatto a una di due applicazioni proposte.
Colla (composta da una dispersione acquosa di polivinilacetato)
Bicarbonato di sodio
Liquido per lenti a contatto (che contiene acido borico, l’ingrediente essenziale)
Becher da 100 ml o bicchiere
Due differenti siringhe, tubi conici da laboratorio (tubi Falcon), o cilindri graduati (per la colla e per il liquido per lenti a contatto)
Bacchetta per agitare o spatola
Colori alimentari o coloranti idrosolubili, come la fluoresceina (opzionale)
Contenitori con coperchio per conservare lo slime per diversi giorni
Bilancia
Righello per misurare l’altezza di rimbalzo
Barattolo da 50 ml, con un’apertura o un buco nel tappo di 1.5 cm (uno per gruppo che affronta la sfida della salsa)
Procedura
Dividere gli studenti in gruppi da tre.
Distribuire i fogli di lavoro Attività 3 e descrivere l’attività che prevede la progettazione di uno slime con proprietà che lo rendano adatto per una delle seguenti applicazioni:
Salsa gelatinosa: per un’applicazione alimentare, una salsa gelatinosa dovrebbe poter essere versata da un contenitore con una piccola apertura.
Pallina rimbalzante: per un’applicazione divertente, una pallina dovrebbe rimbalzare il più in alto possibile.
Gli studenti dovrebbero usare la stessa procedura base per la sintesi dello slime vista nell’Attività 2, insieme alle informazioni apprese in merito all’influenza della ricetta sulle proprietà.
Opzionale: tutti gli studenti discutono, propongono e definiscono le procedure sperimentali (ad esempio il numero di esperimenti da considerare nella decisione finale). Altrimenti, introdurre le procedure sperimentali descritte ai punti 4 e 5.
Per testare la salsa gelatinosa, riempire un barattolo da 50 ml o una bottiglia con il materiale, e capovolgerlo su un contenitore più grande con un supporto di cartone per tenerlo in posizione. Usare un cronometro per misurare il tempo necessario affinché il barattolo si svuoti. In alternativa, i contenitori possono essere pesati prima dell’esperimento e di nuovo dopo un certo lasso di tempo, ad esempio 2 minuti. Se si vuole organizzare questa attività come una competizione, il gruppo che realizza il minor tempo per svuotare la bottiglia o con la maggior quantità di salsa nel secondo contenitore dopo un certo tempo, vince.
Test di fluidità. a) Un pezzo di cartone può essere usato come supporto per la bottiglia. b) Il contenitore viene riempito con il materiale da testare. c) La bottiglia viene capovolta per versare il materiale. d) La bottiglia viene posta in verticale mentre viene registrato il tempo che impiega il materiale a uscire. Immagine gentilmente concessa dalle autrici
Per testare la pallina rimbalzante, usare 20 g del materiale per formare una pallina, e lasciarla cadere da un’altezza di 1 m. Registrando un video con il telefono da una posizione frontale, e usando un metro contro il muro come riferimento, potrà essere determinato quanto in alto rimbalza la pallina. Per una competizione, vince il gruppo che ha realizzato la pallina che rimbalza più in alto.
Lasciare agli studenti 60 minuti per produrre, testare e perfezionare la formulazione dei loro materiali seguendo le istruzioni nella guida. Dopodiché, gli studenti si riuniranno e i materiali verranno testati davanti alla classe. Nota: gli slime tendono a indurire col tempo, quindi i materiali finali dovrebbero idealmente essere testati dopo lo stesso tempo rispetto a quando sono stati prodotti.
Discussione
Incoraggiare gli studenti a riflettere sulle proprietà viscoelastiche dei materiali con cui abbiamo a che fare tutti i giorni, soprattutto degli alimenti. Possono elencare sostanze che siano elastiche, viscose, rimbalzanti e così via? E per quanto riguarda gli alimenti tradizionali? In quali casi queste proprietà sono state modificate intenzionalmente per ottenere una funzione o una caratteristica particolare (come la masticabilità)?
Il ketchup è un esempio particolarmente interessante da considerare, essendo un fluido non-Newtoniano che mostra proprietà “shear-thinning” (ovvero diventa meno viscoso se sottoposto a uno stress), che è il motivo per cui non può essere facilmente versato fuori dalla bottiglia, a meno che non venga prima agitata (vedere le fonti per maggiori informazioni). Nel complesso, queste attività dovrebbero fornire l’opportunità di esplorare le proprietà dei materiali, far conoscere il campo di ricerca della progettazione dei materiali e il metodo scientifico; ad esempio progettare esperimenti, cambiare una variabile alla volta e definire le prove per testare le proprietà rilevanti.
Ringraziamenti
ACO e VO hanno ricevuto finanziamenti dall’Università degli Studi di Milano-Bicocca e dall’Università del Piemonte Orientale, che hanno permesso loro di viaggiare con questa idea alla fiera “Science is Wonderful” nel marzo 2023, e successivamente all’evento EU open-day nel maggio 2023.
ACO ha ricevuto, tramite il progetto SURFICE, finanziamenti dal programma Horizon 2020 ricerca e innovazione dell’Unione Europea sotto l’accordo Marie Skłodowska-Curie grant agreement no. 956703.
Scoprite come la pelle degli squali ha ispirato progettisti e ingegneri: Wegner C, Dumcke R, Tönnesmann N (2017) Design inspiration: the secrets of shark skin. Science in School41: 19–23.
Catalina Ospina ha studiato chimica in Colombia, e fin da allora si è interessata alla progettazione e sintesi di polimeri. Al momento, è dottoranda in Scienza dei Materiali presso l’Università degli Studi di Milano-Bicocca, dove si sta occupando dello studio di rivestimenti a base di polimeri soffici per superfici antighiaccio.
Viviana Ospina è un chimico dalla Colombia, che sta conseguendo il dottorato in chimica presso l’Università del Piemonte Orientale. La sua ricerca si focalizza principalmente sui polimeri per applicazioni in microelettronica. Inoltre, ha esperienza come insegnante di scuola superiore in Colombia
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