NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRETMEN KILAVUZU KARBON NANOTÜPLERİ yaş öğrenci grupları

Transkript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRETMEN KILAVUZU KARBON NANOTÜPLERİ İçindekiler 1. Öğretmenler için Önsöz 2. Giriş 3. Öğrenme Süreci 4. Sonuç 5. Değerlendirme Ders planı lise fen öğretmenlerine karbon nanotüpleri hakkında sınıfı ortamında genel bilgi sağlamak ve web sitesindeki bilgilerin kullanımı için yardımcı olmak amacıyla hazırlanmıştır ( ). Hedef Grup Süre İlgili Okul Dersleri yaş öğrenci grupları 90 dakika Fizik, Kimya Dersin Amacı "Karbon Nanotüpleri" dersi bir karbon allotropu olan karbon nanotüpününü araştırmak ve anlamak için fırsat sunar. Öğrenciler karbon nanotüpünün yapıları, özellikleri ve uygulama alanlarını öğreneceklerdir. Öğrencilere çıplak gözle göremeyecekleri CNT leri gözlerinde canlandırmak ve CNT ile nanoteknoloji konusundaki ilgilerini artırmak amacını taşımaktadır. Dersin Hedefleri CNT leri öğrenmek CNT lerin yapısını öğrenmek CNT lerin özelliklerini öğrenmek Günümüz teknolojisinin nasıl çalıştığını öğrenmek Gerekli Ön Bilgi Okuma parçasında geçen aşağıdaki terimler bilinmelidir: Karbon Allotrop Kovalent bağ Öğrencilerden Beklenenler Nanotüp terimini anlamak Karbon nanotüpleri ile nanoteknoloji arasında bağlantı kurmak CNT lerin uygulama alanlarını ve neden kullanıldıklarını anlamak. 1

2 Materyal ve Kaynaklar Öğrenciler için okuma parçası Deney Videosu (Karbon Nanotüplerinin soğurma becerisi) Öğrenci Değerlendirmesi Öğrenci çalışma kağıdı Öğrenci kısa sınavı Daha kapsamlı ders için öneri Öğrencilerden Materyal Bilimi ve Mühendisliği hakkında bilgi edinmeleri istenir. ÖĞRETMENLER İÇİN ÖNSÖZ Etkinliğin Kısa Tanımı ve Kısa Kuramsal Bilgi Karbon atomu periyodik tablodaki elementlerin en harikasıdır. Yaşamın temeli olmanın yanında nanoteknolojinin en önemli yapıtaşlarından biridir. Karbonun üç allotropu vardır: grafit, elmas ve fulleren. Fullerenler farklı sayılarda karbonla oluşan Buckyball ve Karbon Nanotüpleri gibi birçok moleküle sahip bir aile oluşturur. Karbon nanotüpleri ark deşarjı, lazer aşındırma, yüksek basınçlı karbon monoksit oransızlaşım (disproportination) ve kimyasal buhar depozisyon (kırağılaşma) yöntemleri ile üretilebilir. Ancak, en ilgi çekici şey CNT lerin aynı zamanda şimşek çaktığı zaman da üretilebiliyor olmasıdır! Birbirine kilitli karbon atomlarından oluşan karbon nanotüpleri insan saçından 1000 kat daha ince ve çelikten 100 kat daha güçlüdür. Karbon nanotüplerinin inanılmaz özellikleri birçok uygulama alanı sağlar. CNT lerin en önemli özelliklerinden biri hidrofobik özelliğidir. Bu özellik sayesinde, karbon nanotüplerinin çözeltilerde dağılmalarını engellemek için bir araya toplanma eğiliminde olurlar. Şekil.1 CNT lerle LotusEtkisinin Biyomimikrisi. (*) Karbon nanotüplerinin pamuk substratlarının yüzeyine kontrollü eklenmesi ile pamuk substratlarında yapay lotus yaprak yapıları oluşturulmuştur. Hem bozulmamış karbon nanotüpleri (CNT) hem de yüzeyi değiştirilmiş karbon nanotüpleri nanoboyutta lotus yapraklarının yüzey mikro yapılarını biyotaklit (biomimic) eden yapı taşı olarak kullanılmıştır (Bkz. Sanal Laboratuar daki Lotus Etkisi deneyi). Bu şekilde işlenmemesi durumunda mükemmel su emiciliğine sahip olan pamuk ipliklere süper hidrofobik özellik kazandırılmıştır. Yöntem, 2

3 hidrofobik tekstil ürünleri oluşturmak için biyonik bir yol sunar. Ayrıca, karbon nanotüplerinin yeni mekanik ve elektrik özellikleri göz önünde bulundurulduğunda, bu karbon nanotüplerle kaplı pamuk iplikleri algılama, iletme ve özel tekstil ürünlerinde uygulanabileceklerdir. (*) GİRİŞ Kömür ve elmaslar, kum ve bilgisayar çipleri, kanser ve sağlıklı doku: tarih boyunca, atomların düzenindeki farklılıklar ucuzu pahalıdan, hastalıklıyı sağlıklıdan ayırmıştır. Belirli bir şekilde düzenlendiklerinde atomlar toprak, hava ve su oluşturur, başka bir şekilde düzenlendiklerinde olgun çilek olurlar. Belirli bir şekilde düzenlendiklerinde evi ve temiz havayı, başka bir şekilde düzenlendiklerinde kül ve dumanı oluştururlar." Eric Drexler Öğretmen şu soruyu sorarak beyin fırtınasını başlatır: Her gün birçok materyal ile haşır neşir oluyoruz. Etrafınızdaki karbon esaslı materyalleri belirtebilir misiniz? Öğretmen öğrencilerin yaşamlarındaki karbon esaslı materyalleri göstermelerini/belirtmelerini ister ve onları organik ve inorganik olarak ayırmalarına yardımcı olur. Öğretmen şu soruyu sorarak devam eder: Peki saf karbon? Öğretmen öğrencilere allotrop ve karbon allotropları hakkındaki bilgilerini hatırlamalarına yardımcı olur. Öğretmen öğrencilerin karbon allotroplarının günlük yaşamda nerede kullanıldıklarını bulmalarını sağlar. Bilim ve teknolojinin geleceği için fullerenler sizce neden önemlidir? Öğretmen öğrencilerin bilim ve teknolojideki gelişmeler hakkındaki görüşlerini ifade etmelerini sağlar ve onlara bilim ve teknolojideki yeniliklerde karbon ve fullerenlerin önemini anlamalarında yardımcı olur. Fulleren ailesinin molekülleri teknolojinin istenen alanlarında başka tür atomları emerek ya da ekleyerek taşıyıcı moleküller olarak yeni molekül oluşumuna çok uygundurlar. ÖĞRENME SÜRECİ Ders Öncesi Ödev: Öğrencilere Karbon Nanoüpleri ile ilgili metin verilir ve okumaları istenir. Ders Öncesi Hazırlıklar: Sınıfı deney videosunu izleyecek şekilde düzenlemek. Aşağıda açıklanan etkinlikler için gerekli olan materyalleri hazırlamak. Ders sırasında Adım -1: Öğrencilere metin ile ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 1: Örümceklerin en önemli yeteneği nedir? Örümcekler ipeği ve örümcek ağı üretme becerisine sahiptir. (Öğretmen ayrıca öğrencilere örümceklerin diğer yeteneklerini/özelliklerini ve belirli özelliklerini bilip bilmediklerini sorabilir ve örümcekler hakkında küçük bir tartışma yapılabilir.) 3

4 Soru 2: Örümcek ağının / örümcek ipeğinin özel olmasını sağlayan nedir? Örümcek ağının en önemli özelliği güçlü olmasıdır. Örümcek ipeğinin gücü çelikten daha fazladır. Aynı zamanda, elastik ve soğuğa karşı dayanıklıdır. Adım -2: Öğrenci kılavuzunda açıklanan Etkinlik 1 başlatılır. Adım -3: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Öğrencilere örümcek ipeğinin özelliklerini ve bu özellikleri oluşturan faktörleri bilip bilmedikleri sorulur (legolar, yaylar, fermuarlar örnek verilerek). Soru 3: Videodaki sarı ipin özelliği nedir? Sarı ip, kontrol edilen bir ortamda yaklaşık örümcek tarafından üretilen örümcek ağından yapılmıştır. İpin lifleri çok güçlü olup ip çok yumuşaktır. Soru 4: İnsanlar tarafından örümcek ipeği yapılabilir mi? Bilim insanları örümcek ipeği üreten örümceğin genlerini kopyalamış ve örümcek ipeği proteini içeren süt elde etmek için bunu keçilere aktarmışlardır! Bu bilimsel sürece transgenik (gen aktarımlı) denmektedir. Bilim insanları bu keçilerin ürettiği sütten ipek proteinini ayırırlar. Öğrencilerden örümcek ipeğinin teknolojik kopyalarının kullanım alanlarını düşünmeleri istenir. Adım -4: Öğrenci kılavuzunda açıklanan Etkinlik 2 başlatılır. Öğrencilere bildikleri ve bilmedikleri allotroplar sorulur. Adım -5: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 5: Karbon allotropları nedir? Grafit, elmas ve fullerenler karbon allotroplarıdır. Fullerenler birçok molekül ile geniş bir aile oluşturur. En küçük fullerene molekülü C molekülüdür. En çok bilinen moleküller Buckyball ve Karbon Nanotüpleridir. Soru 6: Karbon nanotüpleri nedir? Karbon nanotüpleri silindirik şekli olan karbon allotroplarıdır. Adım -6: Öğrenci kılavuzunda açıklanan Etkinlik 3 başlatılır. Öğrencilere CNT lerin üretim yöntemlerini bilip bilmedikleri sorulur. Adım -7: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 7: CNT lerin ana üretim yöntemleri nedir? Ark boşaltımı, kimyasal buhar bırakma, lazer aşındırma ve ark boşaltımına benzer bir teknik olan elektroliz. Soru 8: CNT ler doğal olarak üretilebilir mi? CNT ler şimşek ile doğal olarak üretilebilir. 4

5 Soru 9: CNT lerin türleri nelerdir? İki tür CNT vardır: Tek duvarlı CNT ler (SWCNT) ve çok duvarlı CNT ler (MWCNT). Adım -8: Öğrenci kılavuzunda açıklanan Etkinlik-4 başlatılır. Adım -9: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 10: SWCNT ile MWCNT arasındaki fark nedir? SWCNT tek grafit tabakasından oluşurken MWCNT birden fazla grafit tabakasından oluşur. Soru 11: CNT lerin genel özellikleri nelerdir? CNT lerin sertliği çeliğin beş katıdır. Tüm koltuk tipi SWCNT ler metalik özellik gösterir. Ancak CNT ler iletken ya da yarıiletken olabilirler. CNT lerin elektrik iletkenliği bakır kadar yüksek olabilir. Isı iletkenliği elmas kadar yüksek olabilir. Çelikten 100 kat daha güçlüdürler. Adım -10: Öğrenci kılavuzunda açıklanan Etkinlik-5 başlatılır. CNT lerden yapılmış materyallerin su ve yağ emişini bilip bilmedikleri sorulur. Adım -11: Etkinlikle ilgili aşağıdaki sorular sorulur. Soru 12: Sizce iki sünger neden önemli ölçüde farklı miktarda su emdi? Siyah sünger hidrofobik polimerden yapılmıştır. Bu nedenle, bu sünger çok fazla su emmez. Soru 13: CNT lerin yağ emme özelliği inanılmazdır. CNT lerin yağ emme özelliğinden nasıl faydalanabiliriz? Yakın gelecekte, derin deniz petrol boruları ve daha sonra da uzay elevatörlerinin CNT lerden yapılan materyaller ile kaplanacağı düşünülmektedir. Soru 14: Sizce CNT kullanarak Nilüfer Çiçeği yapraklarının hidrofobik özelliğini kopyalamak ya da taklit etmek mümkün müdür? (Öğrencilerden ne yapılabileceğini bulmaları sağlanarak beyin fırtınası yapmaları istenir.) Yapay lotus yaprak yapıları karbon nanotüplerinin pamuk yüzeylerine kontrollü şekilde eklenmesiyle pamuk örneklerinde üretilebilmektedir. Karbon nanotüplerinin yeni mekanik ve elektrik özellikleri göz önünde bulundurulduğunda, bu karbon nanotüplerle kaplı pamuk ipliklerin yoklama, iletme ve özel tekstil ürünlerinde uygulanabileceklerdir. Soru 15: Sizce mikrofiber bezler sarı bezlerden neden daha fazla su emer? Mikrofiber bezde fiberlerin boyutu nedeniyle daha fazla gözenek bulunmaktadır. Fiberlerin boyutu azaldıkça gözenek sayısı artar. Adım -12: Öğrenci kılavuzunda açıklanan Etkinlik-6 başlatılır. Adım -13: Öğrenci kılavuzunda açıklanan Etkinlik-7 başlatılır. Etkinlik -6 ve Etkinlik -7 den sonra öğrencilerden tekrar beyin fırtınası yapmaları istenir. 5

6 SONUÇ Öğretmen aşağıdaki konuları tartışarak dersi özetler: Teknolojinin geleceğinde karbon ve alloptroplarının önemi hakkında ne düşünüyorsunuz? DEĞERLENDİRME A. Aşağıdaki cümlelerin Doğru (D) ya da Yanlış (Y) olduğunu belirtiniz. (5 dakika) 1. Karbon nanotüpleri karbon allotroplarıdır. ( ) 2. Karbon Nanotüpleri yalıtkandır ( ) 3. Karbon nanotüpleri aynı çaptaki çelikten çok daha sağlamdır. ( ) B. Boşluğa uygun ifadeyi yazınız. (5 dakika) 1. Örümcek ağı çelikten kat daha güçlüdür silindirik nanoyapıya sahip karbon allotroplarıdır. 3. Karbon nanotüplerinin elektrik iletkenliği bakırın.. katı olabilir. 4. Bir grafen tabakası yuvarlandığında,.. oluşur. 5. Tek duvarlı CNT türleri;..., ve. dir. CEVAPLAR A. Doğru (D) ya da Yanlış (Y) Yazın 1- D 2-Y 3- D B. Boşlukları doldurun 1- Beş 2- Karbon Nanotüpleri 3- Yüksek 4- Tek duvarlı CNT ler 5- koltuk, zikzak ve kiral REF* Artificial lotus leaf structures from assembling carbon nanotubes and their applications in hydrophobic textiles. Yuyang Liu, Jing Tang, Ronghua Wang, Haifeng Lu, Li Li, Yeeyee Kong, Kaihong Qi and J. H. Xin, J. Mater. Chem., 2007,17,