NTSE - Nano Technology Science Education Proje No: 511787-LLP-1-2010-1-TR-KA3-KA3MP ÖĞRETMEN KILAVUZU İNCE FİLM DALGA KILAVUZLARI VE SOL JEL SÜRECİ İçindekiler 1. Öğretmenler için Önsöz 2. Giriş 3. Öğrenme Süreci 4. Sonuç 5. Değerlendirme Bu ders planı lise öğretmenlerinin sol jel i ve modern teknolojide kullanılan, sol jel den elde edilmiş ürünleri; dalga kılavuzlarını farklı bi bakış açısıyla tanıtmaları için hazırlanmıştır. Plan hem sınıf ortamı için hazırlanan faaliyetlerle hem de websitesinde berilen bilgilerle zenginleştirilmiştir (www.ntse-nanotech.eu ). Hedef Grup Süre Ders Alanları 15-18 yaş arası öğrenci grupları 90 dakika Fizik-Kimya Dersin Amacı İnce film dalga kılavuzları ve sol jel süreci dersi yansıma ve dalgaların fiziksel olgusunu inceler. Öğrencilerin dikkati ilgili etkinlikler ile derse çekilir. Sol jel ile internet iletişiminde kullanılan fiber optikler dahil olmak üzere sol jel ürünlerinin anlaşılması amaçlanmaktadır. Dersin Hedefleri Sol jel ve sol jel ürünlerinin özelliklerini öğrenmek İnternet ve fiber optikler arasındaki ilişkiyi açıklamak ince film yapmak için sol jel in nasıl kullanıldığını açıklamak Öğrenciler için gerekli ön bilgi Okuma parçasında bulunan aşağıdaki terimleri bilmek: Nanoteknolojinin esasları Malzemeler ve Kaynaklar Öğrenciler için okuma parçası Deney Videoları Etkinlik malzemeleri 1
Öğrenci Değerlendirmesi Öğrenci çalışma belgeleri Öğrenci kısa sınav Ek Araştırma 1- Dünyada en hızlı internete sahip olan ülkeyi bulun *. 2- Öğrencilerden bayt/saniye tanımını araştırarak internet hızını ne belirler konulu bir paragraf yazmalarını isteyin. * Cisco ya göre, saniyede 33.5 megabit indirme hızı (Hong Kong un iki katı) ve %100 genşi bant penetrasyonu ile dünyadaki en iyi geniş bant hizmeti Güney Kore dedir.(1) ÖĞRETMENLER İÇİN ÖNSÖZ Etkinliğin Kısa Özeti ve Teorik Altyapısı Optik fiber yüksek kalitedeki ekstrüzyon cam (silika) ya da plastikten yapılmış esnek şeffaf, insan saçından çok az daha kalın bir tür fiberdir. Dalga kılavuzu ya da fibrin iki ucu arasında ışık iletmek için ışık tüpü olarak kullanılabilir. Optik fiberler, diğer iletim şekillerine göre daha uzun mesafelerde ve yüksek bant genişliğinde (veri oranları) iletimi sağlayabildiğinden fiber optik iletişimde kullanılır. Sinyaller daha az kayıpla ulaşabildiğinden ve elektromanyetik parazitlere karşı dayanıklı olduğundan metal teller yerine fiberler kullanılır. Optik fiberler düşük kırılım indisi ile şeffaf bir kılıf ile kaplanmış şeffaf bir çekirdek içerir. Tam yansıma ışığı çekirdekte tutar, bu da fiberin dalga kılavuzu olarak hareket etmesini sağlar. Şekil 1: Bir demet optik fiber. (2) 2
Kırılım indisi bir malzemede ışığın hızını ölçme yoludur. Işık en hızlı vakumda yaklaşık 300,000 km/saniye hızla hareket eder. Kırılım indisi ışığın vakumdaki hızını başka bir ortamdaki hızına bölerek hesaplanır. Optik olarak yoğun bir ortamda hareket ederken ışık bir sınıra, sınır için kritik açıdan büyük açıyla çarptığında tamamiyle yansır. Bu tam yansımadır. Bu etki optik fiberlerde ışığı çekirdekte tutmak için kullanılır. Işık fiber çekirdeğin içinden geçer, çekirdek ve kılıf arasında ileri geri hareket eder. Işığın sınıra kritik açıdan daha büyük bir açıyla çarpması gerektiğinden, yalnızca fibere belirli bir açıyla giren ışık sızmadan fiber içinde hareket edebilir. Bu açı aralığı fiberin kabul konisi olarak adlandırılır.(3) Şekil 2: Çok modlu optik fiber içinde ışığın tam yansımasını gösteren, akrilik çubuktan aşağıya hareket eden lazer. Sık kullanılan "sol jel süreci" terimi, süreç aşamalarının birinde jel oluşumu olan, çözeltlierden malzeme elde etmek için kullanılan büyük bir yöntem grubunu bir araya getirir. Sol jel sürecinin en çok bilinen versiyonu bileşiklerin kontrollü hidrolizi, genellikle alkoksitler M(OR)x (M = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W, vs.) veya su ya da genellikle alkol organik ortamında eşdeğer kloridler süreçlerine dayanmaktadır. Sol jel sürecinin ilk aşamasında hidroliz ve çok yoğuşumlu reaksiyonlar hidroksit parçacıklarının koloidal çözeltisinin, sol un oluşumuna neden olur. Dağılma aşamasının yığın yoğunlaşmasını artırmak ya da diğer dış koşullardaki (ph, çözelti ikamesi) değişiklik parçacıklar arasında yoğun temasa ve çözelti moleküllerinin hidroksit parçacıklarının oluşturduğu esnek ancak sabit 3 boyutlu şebekede bulunan çözelti moleküllerinin bulunduğu monolitik jelin oluşumuna neden olur. Sonrasında jelasyonun gerçekleştiği sol ların yoğunlaşması diyaliz, ultrafiltrasyon, elektrodiyaliz, düşük sıcaklıkta buharlaşma ya da çekme kullanılarak gerçekleştirilir. Sol jel sürecindeki önemli bir görev jelden çözeltinin alınması süreçleri (kuruma) tarafından gerçekleştirilir. Yönteme bağlı olarak, sentez çeşitli ürünlerle (kuru jel, ambijel, kriyojel, aerojel) sonuçlanabilir. Bu ürünlerin ortak özelliklerinin arasında nanobüyüklükteki yapısal öğelerin korunması ve yüzey alanının yeterince yüksek değerleri (yüzlerce m2/g) bulunmaktadır, ancak yığın yoğunluğu yüzlerce kat değişebilir. Çoğu sol jel sentez ürünü oksit nanotozları, nice film ya sa seramik elde etmek için öncü olarak kullanılır.(5) 3
Sol jel yöntemi aynı zamanda ilk çözeltiye suda çözünen polimerin eklenmesi ve sonrasında buharlaşma ile elde edilen polimer jel sürecini içerir. Polimer jellerin donarak kurutulması ya da süperkritik kurutması ile sonrasında atıl ortamda ısı uygulanması karbon kriyojellerin ve aerojellerin üretiminde kullanılır. (6) Şekil 3: Sol jel teknolojileri ve ürünlerinin şeması. (7) GİRİŞ Güzelliği sevmek ışığı görmektir. (8) Victor Hugo Iışğı iki türlü yayabilirsiniz: Ya mum ya da ışığını yansıtan ayna olarak. (8) Edith Wharton Eğitim, okulda öğrendiklerini unuttuktan sonra aklında kalanlardır. (8) Albert Einstein Öğretmen aşağıdaki soruları sorarak bir beyin fırtınası oturumu ile derse başlar (Öğrencilere görüşlerini/fikirlerini ifade etme izni vererek, eski bilgilerini hatırlamalarına yardımcı olarak ve ilkeleri, kavramları ve ilişkileri fark etmelerini/görmelerini teşvik ederek): İnternet üzerinden nasıl iletişim kuruyoruz? Günümüzde tüm elektronik sektörü ince filmlere dayanmaktadır dersem ne anlarsınız? 4
ÖĞRENME SÜRECİ Ders Öncesi Görev: Öğrencilere ince film dalga kılavuzları ve sol jel süreci metni verilir ve okumaları istenir. Ders Öncesi Hazırlıklar: Sınıf deney videoları seyredilecek şekilde düzenlenir. Aşağıda açıklanan etkinlikler için gerekli olan malzemeler hazırlanır. Ders sırasında Adım -1: Metin ile ilgli aşağıdaki sorular sorulur. Soru 1: Intranet nedir? Intranet bir organizasyon içerisindeki özel bilgisayar ağlarının bütünü için kullanılan jenerik terimdir. Veri paylaşma kapasitesini ve organizasyondaki çalışanların genel bilgisini geliştirmek için insanlar ya da iş grupları arasındaki iletişimi kolaylaştırmak için ağ teknolojilerini kullanır. Soru 2: Fiber optik adını nerede duydunuz? Telekomünikasyon uygulamalarında. Soru 3: Fiber optik nedir? Fiber-optik hatlar uzun mesafelerde dijital bilgi taşıyan insan saçı kadar ince optik olarak saf cam demetleridir. Soru 4: Tam yansıma nedir? Tam yansıma yayılan bir dalganın yüzeye normale göre belirli bir kritik açıdan daha geniş bir açıyla orta sınıra çarptığında ortaya çıkan olgudur. Kırılım indisi sınırın diğer tarafında daha düşükse ve olay açısı kritik açıdan büyükse dalga içinden geçemez ve tamamen yansıtılır. Soru 5: Sol nedir? Sol sürekli sıvı ortamdaki çok küçük katı parçacıkların koloidal süspansiyonudur. Adım-2: Öğrenci Kılavuzu nda açıklanan Etkinlik -1 başlatılır. Adım -3: Etkinlik ile ilgili aşağıdaki soru sorulur. Soru 6: Etkinlik 1 de ne gözlemlediniz? Hepimiz ışığın bir doğru şeklinde hareket ettiğini biliyoruz bu nasıl oldu? 5
Tam yansıma olgusuyla. Işık optik fiberin sınırlarına çarparak yayılır. Adım-4: Öğrenci Kılavuzu nda açıklanan Etkinlik -2 başlatılır. Adım-5: Etkinlik ile ilgili aşağıdaki soru sorulur. Soru 7: Sizce şeffaf ojeden neden farklı renkler gördük? Ojeden ince filme yayılma ile. Film kalınlığına göre ışığı farklı şekillerde yansıtır.. Adım -6: Öğrenci Kılavuzu nda açıklanan Etkinlik -3 başlatılır. Adım -7: Öğrenci Kılavuzu nda açıklanan Etkinlik -4 başlatılır. SONUÇ Aşağıdakiler tartışılır: Fiber optik yapmak için başka hangi malzemeleri kullanabiliriz? İyi işlenebilirlik ve esnekliğe sahip önemli kırılım farkı olan herhangi iki şeffaf malzeme. DEĞERLENDİRME A. Boşlukları uygun ifade ile doldurunuz. (5 dakika) 1-.. çözeltide kolodial parçacıkların ya da polimerlerin sabit yayılımıdır. 2-.. seramik ve cam malzemeleri ince film, fiber ya da toz şeklinde yapmak için kullanılan kimyasal çözeltidir. 3-.. sıvı aşaması içeren üç boyutlu sürekli bir ağdan oluşur. 4- esasında ışık için bir dalga kılavuzudur. B. Aşağıdaki ifadelerin Doğru (D) ya da Yanlış (Y) olduğunu belirtiniz. (5 dakika) ( ) 1- İnternet ve fiber optikler arasında bir bağlantı vardır. ( ) 2- Optik fiberlerin çekirdeği ve çekirdeği çevreleyen bir kılıfı vardır. ( )3- Fiber Optikler ışığı cam fiberler aracılığıyla ileten, gelişmiş dünyayı bağlayan ve bilgiyi bakır tel teknolojisinden 100.000 kat daha hızlı ileten bir veri dağıtım sistemidir. ( ) 4. Kılıfın kırılım indisi çekirdekten daha yüksektir. 6
CEVAP ANAHTARI A. Boşluk doldurma 1- sol 2- sol jel 3- jel 4- optik fiber B. Doğru (D) Yanlış (Y) 1- D 2- D 3- Y 4- Y REFERANSLAR (1) http://www.guinnessworldrecords.com/world-records/10000/fastest-internet-connection- (country) http://www.dgtprojects.com/site/images/guinness%20world%20records.jpg (Guinness World Record) (2) http://en.wikipedia.org/wiki/file:fibreoptic.jpg (3) http://en.wikipedia.org/wiki/optical_fiber (4) http://en.wikipedia.org/wiki/file:laser_in_fibre.jpg (5) http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article847 (6) http://www.aerogel.org/?p=992 (7) http://smtp2.thewwwstore.com/chemat/images/flowchat72.jpg (8) http://www.brainyquote.com/quotes/keywords/light.html 7