NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRETMEN KLAVUZU NANOBOYUT VE NANOTEKNOLOJİ

Transkript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRETMEN KLAVUZU NANOBOYUT VE NANOTEKNOLOJİ İçindekiler 1. Öğretmenler için Önsöz 2. Giriş 3. Öğrenme Süreci 4. Sonuç 5. Değerlendirme Ders planı web sitesinde ( ) yer alan bilgilerin kullanılması ve sınıf ortamında nanoteknoloji farkındalığının yaratılması ve öğrencilere nanoteknoloji genel bilgilendirmelerinin yapılmasını sağlamak amacıyla orta öğretim fen bilimleri öğretmenlerine yönelik hazırlanmıştır. Hedef Grup Süre Ders alanları yaş arasındaki öğrenciler 90 dakika Fizik-Kimya Fen Bilgisi Dersin Amacı Nanoboyut ve Nanoteknoloji dersi metrik sistemi, nano boyutu, nano boyutlu parçacıkların özelliklerini ve nanoteknolojinin değindiği alanları araştırma ve anlamak için bir fırsat sağlar. Öğrenciler olağan ölçü boyutlarını nano birimine çevirme ve nano boyutu gözlerinde canlandırma yeteneğini geliştirecekler. Dersin Hedefleri Nanoteknoloji hakkında farkındalığı artırmak Nano boyutu anlamak Ölçü birimlerini nanometreye çevirme yeteneğini geliştirmek Gerekli Ön Bilgi Okuma metninde bulunan aşağıdaki terimleri bilmeli: SI Birimleri Birim çevirme Geometrik şekillerin alan ve hacim hesaplarını yapabilme Kazanımlar Nanoteknoloji ve uygulama alanları hakkında daha fazla bilgi edinmek Nano parçacıkların ne kadar küçük olduklarının farkına varmak Gerekli Malzeme ve Kaynaklar: Öğrenciler için okuma metni Deney videoları Etkinlik araç gereçleri 1

2 Öğrencilerin Değerlendirilmesi Öğrenci çalışma kağıtları Öğrenci kısa sınav ÖĞRETMENLER İÇİN ÖNSÖZ: Kısa Kurumsal Bilgi Nanoteknoloji, yeni uygulamalara fırsat veren boyutları yaklaşık 1 ile 100 nanometre arasında değişen nanoboyutta maddelerin araştırılması ve kontrol edilmesidir. Nanoboyuttaki bilimi, mühendisliği ve teknolojiyi kapsayan nanoteknoloji, nanoboyutta maddenin görüntülenmesi, ölçümlenmesi, biçimlendirilmesi ve yeniden düzenlenmesidir. Şekil 1: Değişik cisimlerin boyutları; mikroskopların onları görmesi, bilimin onları anlaması gerekiyordu. (1) Çıplak gözle 0,1 milimetre boyutlu cisimler görülebilir. Göz, standart mikroskoplarla yaklaşık 1 mikrometre (10-3 mm)boyutundaki cisimleri görebilir. Nanoboyuttaki maddeler çıplak gözle ya da standart mikroskoplarla görülemezler. Bilim insanları, Atomik Kuvvet Mikroskobu ve Geçirimli Elektron Mikroskopları yardımıyla nanoboyutlu maddeleri görür ve çalışırlar. Geçirimli Elektron Mikroskopları (TEM) atomik boyutta fotoğraflar çeken mikroskoplardır (şekil 2). Aşırı ince (1 mikrondan ince) bir maddenin üzerine elektron demetleri gönderilir ve elektronlar maddenin içinden geçerler. Sistem Şekil 2: Fulerenler suda kümelendiğinde oluşan Nano- C60 parçacıkları. (2) madde üzerinde odaklanır. manyetik alan oluşturmak için bobinlerden yapılmış bir lens sisteminden oluşur. Akım yönünü değiştirerek manyetik alan yönü değiştirilebilir ve eleckron demeti bir nokta üzerine odaklanabilir veya dağıtılabilir. Yüksek enerjili elektronlar (yaklaşık kilovolt) lens sistemlerinden geçer ve Aynı Rutherford un atomun yapısını anlamak için düzenlediği deneydeki alfa ışınları gibi elektronlar maddeden geçtikçe maddenin atomları ile etkileşime girerler. Elektronlar maddenin içinden geçtikten sonra başka bir lens sisteminden geçerler ve floresans bir ekran üzerine yansıtılırlar. Atomik Kuvvet Mikroskobu maddenin yüzeyini atom inceliğinde 2

3 bir manivela ile tarar. Manivela yüzey üzerinde hareket ettikçe, maniveladaki sapmalar laser demetleri ve fotodiyotlar yardımıyla belirlenir (şekil::3). Şekil 3: Yaklaşık 100 mikrometre genişliğindeki Atomik Kuvvet Mikroskobu manivelasının electron mikroskobu ile çekilmiş resmi. (4) Şekil 4: Bir bitki yaprağının alt yüzeyinin Atomik Kuvvet Mikroskobundan görüntüsü: stomalar gaz geçişini sağlar. (5) GİRİŞ Bana bir şey anlatırsan unuturum. Öğretirsen hatırlarım. Ama beni işe dâhil edersen ve benim de katkıda bulunmamı sağlarsan öğrenirim. Benjamin Franklin Bu sözün son cümlesi sorgulamaya dayalı öğrenmenin esasıdır. Sorgulama, anlamayı sağlayacak olan işe dahil olmayı ifade eder. Bu nedenle, Öğrenciyi dahil etmek ve onların yaratıcılığını kullanmalarına izin vermek öğretmenin anahtar noktasıdır. Tüm dersler öğrencilerin konuya dikkatini çekecek sorularla başlamalıdır. Aşağıda derse nasıl başlanabileceği ile ilgili bir örnek bulunmaktadır: NANOBOYUT VE NANOTEKNOLOJİ. Sizce modada nanoteknoloji ne anlama gelmektedir? Bu ifadeyi şu şekilde yorumlayabilir miyiz? Nanoteknoloji giyimde kullanılmaktadır ya da nanoteknoloji sözcüğü popüler kültüre girmiştir. Bazı öğrenciler ilk açıklamayı seçerken diğerleri de ikinci açıklamayı seçeceklerdir. Bazıları cevap vermeyecek ancak üzerinde düşünecektir. Son grup ise ne söylediğinize dikkat bile etmeyecektir. Son grubun oranını ilgi çekici farklı sorular sorarak düşürmeye çalışmalıyız, çünkü farklı konulardaki sorular farklı öğrencilerin dikkatini çekecektir. Yukarıdaki sorunun cevabı hakkında ne düşünüyorsunuz? Cevap: Aslında iki yorum da doğru olacaktır, nanoteknoloji sözcüğü artık modaya uygun olarak popüler kültürde de kullanılmaktadır. Ayrıca, nanoteknoloji yalnızca giyimde değil, diğer kumaşlarda da kullanılmaktadır. Birçok şirket nanoteknolojiyi (örneğin, kaplama formüllerinde titanyum dioksit ya da çinko oksit nano parçacık katkıları) ürünlerin yüzeylerine lekeye dayanıklılık, renk kalıcılığı, kendi kendini temizleme, kırışıklara karşı dayanıklılık, güneş koruması, alev almazlık, su tutmazlık, statik direnç ve gelişmiş termal performans gibi özel özellikler eklemek ya da bazı özelliklerini 3

4 çıkarmak amacıyla kullanmaktadır. Uygulamalar, otomotiv parçalarından giyim ve kumaşlara, ev araçlarından endüstriyel tekstile (örneğin, yer kaplamaları) ve sağlık sektörüne (tıbbi giyim) kadar değişmektedir. Başlama sorusu olarak başka bir örnek de şudur: Aşağıdaki resimde ne görüyorsunuz? Cevap: Buckyball, birbiriyle kovalent bağlanmış karbon atomlarından oluşan küre şeklinde bir kafestir. Futbol topuna benzeyen şekli vardır ve çok güçlü bir yapıya sahiptir. ÖĞRENME SÜRECİ Ders Öncesi Ödev: Öğrencilere Nanoboyut ve Nanoteknoloji parçasını verin ve bunu çalışmalarını isteyin. Ders öncesi hazırlıklar: Sınıfın deney videosunun seyredilmesi için hazırlanması. Aşağıda açıklanan etkinlikler için gerekli olan malzemelerin hazırlanması.. Ders Sırasında Aşama-1: Öğretmen okuma parçası ile ilgili aşağıdaki soruları sorar. Soru 1: Nanoteknoloji nedir? Nanoteknoloji, boyutları yaklaşık 1 ile 100 nanometre arasında değişen nano boyutlu maddelerin araştırılması ve kontrol edilmesidir. Soru 2: Nano nedir? Nano Yunanca cüce anlamına gelen kelimeden türemiştir. Herhangi bir şeyin milyarda biridir. Aşama-2: Etkinlik-1 deki Powers of Ten videosu izlenir. (Öğrenci kılavuzu Etkinlik 1). (Videoyu seyretmeden önce, öğrencilerinize nano, metre, en büyük boyut ve en küçük boyut gibi sözcükleri fark etmelerini söyleyin.) (*) Soru 3: Ölçek/boyut nedir? Powers of Ten videosundan değişik boyut örnekleri verilir. 4

5 Ölçek kavramının farklı cisimlerin boyutları arasındaki farklılığı anlatmak için kullanıldığı belirtilir. Soru 4: Videoda gösterilen en büyük boyut nedir? 100 milyon ışık yılı = m Soru 5: Videoda gösterilen en küçük boyut nedir? m Soru 6: Videoda gösterilen uzay boşluğundaki uzak mesafelere yolculuk etmek size nasıl hissettirir? Soru 7: Videodaki gibi cildinizin derinliklerine inmek size nasıl hissettirir? Aşama -4: Öğrenci klavuzundaki Etkinlik-2 ye başlanır. İkili gruplar halinde etkinlikte verilen cisimlerin boyutları ölçülür ve ölçümler nanometreye çevrilir. Öğrenci kılavuzunda Şekil-1 de görülen cisimlerin boyutları sınıfta öğrencilerle birlikte incelenir. Öğrencilerin üslü sayıları ondalıklı sayılara çevirmesi sağlanır. Aşama -5: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 8: Kırmızı kan hücreleri ile saç telinden hangisi daha küçüktür? Soru 9: Bakteri ile virüsten hangisi daha büyüktür? Soru 10: Bir su molekülünün genişliği ile tek bir altın atomunun boyutlarından hangisi daha büyüktür? Aşama -6: Öğrenci klavuzundaki Etkinlik-3 ye başlanır. Evrenin ölçeği (The scale of the Universe) ( or ). Her bir linkte cismin üzerine tıklayarak cisinlerin boyutlarını ve özelliklerini inceleyebilirsiniz. Aşama -7: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 11: Bir elektron mikroskobuyla görülebilen en küçük boyut nedir? Bir elektron mikroskobunun görüntüleyebildiği en küçük boyut yaklaşık m dir. Soru 12: Su molekülü ile Buckyball un boyutlarını karşılaştırın. Aradaki farkı tahtaya aynı oranda farklı boyutlu şekiller çizerek gösterin. Soru 13: Hücre, hücre çekirdeği ve karbon nanotübün boyutlarını karşılaştırın. Aşama -8: Öğrenci klavuzundaki Etkinlik-4 ye başlanır. Aşama -9: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 14: Küp şekerlerle yapılan şeklin boyutlarını ölçülür, hesaplanır ve karşılaştırılır. Lisedeki öğrenciler için (15 18 yaş): İlk yapı: V= 4a. 4a. 4a= 64 a 3 Toplam Yüzey Alanı = 6. 16a 2 = 96 a 2 İkinci Yapı: V = 8a. 4a. 2a = 64a 3 Toplam Yüzey Alanı = 2(8a. 2a) + 2(4a. 2a) + 2(4a. 8a) = 112 a 2 5

6 Üçüncü Yapı: V = 64a. a. a = 64a 3 Toplam Yüzey Alanı = 4(64a.a) + 2(a. a) = 258 a 2 Ortaokul öğrencileri için (13 15 yaş): Her yapının boyutlarını cetvel yardımıyla ölçün ve hacimleriyle toplam yüzey alanlarını hesaplayın. Soru 15: Öğrencilerden yapılan cisimleri akrilik boya ile boyamaları istenir. Her cismi boyamak için harcadıkları boya miktarını karşılaştırmaları istenir. Öğrencilerin parçacık boyutu küçüldükçe yüzey alanının büyüdüğünü ve fiziksel ve kimyasal özelliklerinin değiştiğini fark etmeleri sağlanır. SONUÇ Aşağıdakileri tartışın: Öğrencilerden kafalarındaki bir nanoteknoloji ürününü tasarlamalarını ve bnu nerede kullanacaklarını ve bu ürünün insanların yaşamına nasıl yardımcı olacağını belirtmelerini isteyin. Sizce nanoteknoloji gelecekte insanların sağlığı için faydalı mı yoksa zararlı mı olacaktır? DEĞERLENDİRME: Kısa sınav Ölçek Değerlendirme A. Aşağıdaki ifadelerin doğru(d) ya da yanlış(y) olduğunu belirtin. (5 dakika) 1- santimetre is 10-7 nanometredir. 2- ( ) Yüzey alanı fiziksel ve kimyasal özellikleri etkiler. ( ) 3- Nanoteknoloji, büyüklükleri nm arasında değişen parçacıklarla uğraşan teknolojidir.( ) B. Aşağıdaki boşlukları uygun ifadelerle doldurunuz. (10 dakika) 1- Bir göz kırpması 1 yılın yaklaşık..dir 2- Bir virüsün genişliği yaklaşık.. nanometredir. 3- Parçacık boyutu nano boyuta doğru, maddelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri değişir. 4- İnsan DNA zincirinin genişliği dir. 5- Yan yana dizilen hidrojen atomunun uzunluğu 1 nanometredir. 6- Nanoteknolojiden bahseden ilk bilim adamı.. dır. 7- Aşağıdaki birimleri nano cinsinden yazınız: a) 1 kg =..ng b) 15 cm =..nm c) 250 ml = nlt d)250 m =.nm e) 40 mg = ng 6

7 KEY A. Doğru (D) veya Yanlış (F) Yazın 1- Y 2- D 3- Y B. Boşlukları doldurun 1-Milyarda biri 2-70 nanometre 3- azalır 4-2,5 nanometres 5-10 tane 6- Richard Feynman 7- a) ng b), nm c), nlt d), nm e) ng KAYNAKLAR (1) Dean Aslam and Aixia Shao, Nanotechnology Learning Modules Using Technology Assisted Science, Engineering and Mathematics, Micro and Nano Technology Laboratory, Electrical and Computer Engineering Michigan State University (2) Courtesy Professor Joseph Hughes, Georgia Institute of Technology/John Fortner, Rice University ( (3) ( (4) (5) (Photo: nanoanalytics GmbH) 7