Eksperymenty szkolne w nanoskali Teach article

Tłumaczenie Małgorzata Maria Ossowska. 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 Nano^w1.

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.
• Błona komórkowa ma grubość około 9 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.

Sposób postępowania

1. Napełnij ostrożnie wszystkie probówki 9 ml wody.
2. Za pomocą pipety Pasteura odmierz dokładnie 1 ml barwnika spożywczego i dodaj do probówki 1. Całość starannie wymieszaj.
3. Powąchaj zawartość probówki. Jaki zapach czujesz? Czy jest  taki sam, jak w przypadku oryginalnego barwnika spożywczego?
4. Następnie dodaj 1 ml roztworu z probówki numer 1 do probówki numer 2 i dokładnie wymieszaj.
5. Kontynuj powtarzając krok 3 i 4: czyli rozcieńcz 1 ml zawartości probówki 2 w probówce 3, probówki 3 w probówce 4 itd.

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?

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 projektu.^w2

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 Nanoyou ^w2.

Preparatyka

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”.

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)

Sposób postępowania

Przygotowanie arkuszy ciekłokrystalicznych

1. Korzystając z Tabeli 1, przygotuj cztery różne mieszaniny ciekłych kryształów, charakteryzujące się wrażliwością w innych zakresach temperatur.
2. Wytnij dwa kawałki folii samoprzylepnej (około 10 x 10 cm), odklej papier podkładowy i połóż folie (warstwą klejącą do góry) na ławce.
3. 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.
4. Umieść drugi kawałek folii samoprzylepnej na powierzchni pierwszego kawałka, warstwą klejącą do dołu. Następnie delikatnie naciśnij środek otrzymanej płytki, w celu równomiernego rozmieszczenia ciekłego kryształu, tak by powstała cienka warstwa o wymiarach około 4 x 4 cm. Nie naciskaj za mocno, inaczej miesznina wypłynie; jeżeli już to nastąpi, wytrzyj ją natychmiast za pomoca chusteczki higienicznej.
5. Nożyczkami odetnij zbędne fragmenty folii i oznakuj róg otrzymanego arkusza cyfrą 1.
6. Powtórz powyższe postępowanie w przypadku mieszanin ciekłokrystalicznych 2, 3 i 4.

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

1. Umieść wszystkie przygotowane arkusze ciekłokrystaliczne na kartce białego papieru. Odczekaj kilka sekund. Co obserwujesz?
2. Nałóż rękawice ochronne, a nastepnie naciśnij palcem na każdy z arkuszy. Aby wynik był wiarygodny, trzymaj palec na każdym arkuszu przez taką samą ilość czasu. Co teraz zaobserwowałeś?
3. Powtórz czynność, ale z użyciem kartki czarnego papieru.
4. Zanotuj obserwacje w Tabeli 2. (Tabele 2-6 możesz pobrać ze strony internetowej “Science in School”).
   • 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?
5. Potrzyj dłonie o siebie i ponownie powtórz badanie. Czy zaobserwowałeś jakąś różnicę?

Badanie arkuszy ciekłokrystalicznych

1. Napełnij łaźnię wodną zimną wodą i ogrzej do temperatury 15 °C.
2. Kontroluj temperaturę wody za pomoca termometru.
3. Umieść kartkę czarnego papierz z tyłu łaźni wodnej. Ostrzeżenie: papier nie może dotykać płyty grzewczej.
4. Trzymając arkusz ciekłokrystaliczny za pomocą spinacza, zanurz w łaźni wodnej (patrz rysunek poniżej). Czy zaobserwowałeś pojawienie się zabarwienia?
5. Podgrzej wodę w łaźni do temperatury 23 °C. Zmiany barwy zachodzące podczas wzrostu temperatury zapisz w Tabeli 3.

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?

6. 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?

7. Włóż arkusz ciekłokrystaliczny numer 2 do łażni wodnej ( 23 °C) i podgrzej wodę do 30 °C. Zapisz swoje obserwacje w Tabeli 4.

8. Kiedy temperatura wody w łaźni osiągnie 30 °C ponownie zbadaj arkusz 1. Czy arkusz 1 zarejestruje temperaturę około 30 °C? Dlaczego tak/dlaczego nie?
9. Włóż arkusz ciekłokrystaliczny 3 do łaźni wodnej ( 30 °C) i podgrzej wodę do temperatury 35 °C. Zapisz swoje obserwacje w Tabeli 5.

10. Włóż arkusz ciekłokrystaliczny 4 do łaźni wodnej ( 35 °C) i podgrzej wodę do temperatury 40 °C. Obserwacje zapisz w Tabeli 6.

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

1. 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).
2. Wytnij wszystkie litery, pozostawiając arkusz pianki z dziurami po wycięciu słowa “nano”.
3. Podnieś arkusz pianki i podłóż arkusze ciekłokrystaliczne pod każdą z liter według wzoru:
   • N – arkusz 1
   • A – arkusz 2
   • N – arkusz 3
   • O – arkusz 4
4. Za pomocą foli samoprzylepnej lub taśmy klejącej, przyklej arkusze ciekłych kryształów do pianki upewniając się, że każda litera odsłania tylko jednen arkusz.
5. Przykryj arkusze ciekłokrystaliczne czarnym kartonem i przymocuj do białej pianki. Teraz twój termometr pokojowy jest już gotowy.

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, USA^w4 – 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.

Download

Download this article as a PDF