NTSE - Nano Technology Science Education Project No: 511787-LLP-1-2010-1-TR-KA3-KA3MP ÖĞRETMEN KILAVUZU LOTUS ETKİSİ İçindekiler 1. Öğretmenler için Önsöz 2. Giriş 3. Öğrenme Süreci 4. Sonuç 5. Değerlendirme Ders planı lise fen bilgisi öğretmenlerinin sınıf ortamında nanoteknolojiden lotus etkisi hakkında giriş bilgileri ve (www.ntse-nanotech.eu<http://www.ntse-nanotech.eu>) websitesinde verilen bilgileri kullanmalarını sağlamak amacıyla oluşturulmuştur. Hedef Grup Süre Ders Alanları 15-18 yaş arası öğrenci grupları 90 dakika Fizik-Kimya-Biyoloji Dersin Amacı "Lotus etkisi" dersi lotus (nilüfer) bitkisinin nanoyapısını, bu bitkinin doğada bulunan hidrofobik yüzeyleri nasıl oluşturduğu ve kullandığını ve mühendislerin doğadaki bu yüzeylerin özelliklerini taklit eden ürünleri nasıl oluşturduğunu araştırır. Öğrencilere bire bir katıldıkları faaliyetler ile hidrofobik yüzeyler tanıtılır. Dersin Amaçları Lotus yapraklarının özelliklerini öğrenmek. Fen bilgisi derslerini kendi kendini temizleme süreci ile bağlantılandırmak. Lotus etkisi bağlamında nanoteknoloji uygulamalarını öğrenmek. Yapıştırıcı ve yapışkan güçleri ve sudaki etkilerini açıklamak. Öğrencilerin bilmesi gereken ön bilgiler Okuma parçasında bulunan aşağıdaki terimleri bilmeleri gerekir: Atomlar ve bağlar Hidrofil (Hydrophilic) Hidrofobik (Hydrophobic) Öğrencilerden beklenenler Lotus etkisinin doğal mekanizmasını anlamak. Biyomimikri terimini ve nanoteknololij uygulamalarla ilişkisini anlamak.
Damlacıkların oluşmasının nedeninin suyun yüzey gerilimi olduğunu ve temas yüzeyinin özelliklerinin damlaların küre şeklinde deformasyona neden olduğunu anlamak. Suyun yalnızca bazı katıları ıslattığını anlamak. Kendi kendini temizlemenin doğal mekanizmasını anlamak. Yüzey özellikleri ve kendi kendini temizleme arasındaki ilişkiyi anlamak. Malzeme ve Kaynaklar Öğrenciler için okuma parçası Deney Videoları Etkinlik malzemeleri Öğrenci Değerlendirmesi Öğrenci çalışma belgeleri Öğrenci kısa sınavı Görüş Öğrencilerden biyomimikri yaklaşımlarını öğrenmelerini isteyin. ÖĞRETMEN İÇİN ÖNSÖZ Faaliyet Hakkında Kısa Bilgi ve Kısa Kuramsal Bilgiler Lotus yapraklarının hidrofobik kabiliyeti yaprakların yapısına dayanmaktadır. Yaprağın yapısında mikro/nano çift katmanlı yapı bulunur. Lotus yaprağının birinci katmanı, birbirinden 5-10 mikrometre yarıçap ile ayrı duran 10-15 mikrometre (1.10-5 m) boyutundaki küçük çıkıntılar (papilla) ile kaplıdır. Her çıkıntı, yüksekliği yaklaşık 100 nm (1.10-7 m) olan hidrofobik, mumlu yumrularla kaplıdır. Lotus yaprağına su damlatıldığında, damlalar hidrofobik çıkıntıların uçlarında kalır. Mum su damlalarının papillalar arasındaki alanlara girmesini engeller ve sonuç olarak, damlaların yüzeylerinin ancak %2 3 ü yaprakla temas eder. Bir sıvının katı bir yüzeyle temas ettiği temas açısı da su geçirmezlik özelliğinde etkilidir. Temas açısı küçüldükçe (<90 o ), damlacıklar daha düz, yüzey de daha ıslak olur. Temas açısı büyüdükçe (>90 o ), damlacık ve yüzey arasındaki alan küçülür ve bu da yüzeyin kuru kalmasına neden olur. Papillaların üzerindeki mumlu yumrular (mikro/nano çift katmanlı yapı) 157 lik bir temas açısı oluşturur. Bu da yapışkanlık kuvvetini azaltır ve lotusun hidrofobik yüzeye sahip olmasına neden olur. Bu nedenle, su yüzeyi ıslatamaz ve kolayca akıp gider (figure 1). Şekil 1: θ bir temas açısıdır. Temas açısı küçüldükçe (<90 o ), damlacıklar daha düz, yüzey de daha ıslak olur. Temas açısı büyüdükçe (>90 o ), damlacık ve yüzey arasındaki alan küçülür ve bu da yüzeyin kuru kalmasına neden olur.(*)
GİRİŞ Nanoteknoloji çoğu insanın inanmadığı bir fikirdir. Ralph Merkle Nanoteknoloji atomlarla üretmektir. William Powell Öğretmen aşağıdaki soruları öğrencilere sorarak bir beyin fırtınası oturumu başlatır (Öğrencilere fikirlerini/görüşlerini ifade etme fırsatı verir, geçmiş bilgilerini hatırlamalarına yardımcı olur, ve ilkeleri, kavramları ve ilişkileri fark etmeleri/görmeleri için teşvik eder): Belirli bir süre sonra her şey kirlenir. Kıyafetlerimiz, binalar, arabalar, mobilyalar, vs... Bunlar kirlenmese ya da daha uzun süre temiz kalsa daha iyi olmaz mı? Uzun süreli temizliğin görsel ve hijyenik açıdan avantajlarını düşünün. Materyaller için böyle teknolojik bir özellik düşünebilir misiniz? Uzun süreli temizlik ile materyallerin itici etkisi arasındaki ilişki nedir? Nanoteknoloji hakkında bildiklerinizi düşündüğünüzde, nano kaplama ne anlama gelmektedir? ÖĞRENME SÜRECİ Ders Öncesi Ödev: Öğrencilere Lotus Etkisi 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 sormalıdır. Soru 1: Okuma okuma parçasına göre lotus yüzeyleri nasıl temsil edilmiştir Lotus yüzeyi yağmur ormanı ie temsil edilmiştir. Aşama -2: Öğrencilere Lotus Etkisi video-1 ve video-2 yi seyrettirin. Aşama-3: Öğrenci Kılavuzu nda açıklanan etkinlik 2 ye başlayın. Faaliyette neler olduğunu tartışın ve deney videosu ile ilişkilendirin. Aşama-4: Etkinlik ile ilgili olara aşağıdaki soruları sorunuz. Soru 2: Lotus yaprağına sıkılan suya ne oldu? Sudan bir molekülün uzaklaşmasının fiziksel özelliği hidrofobik (suyu sevmez) olarak adlandırılır. Hidrofobik yapılar suyun aksine polar olmayan yapılardır. Bu nedenle, bu yapılar su ile olan arayüzey alanlarını küçültme eğilimindedir. Hidrofobik bir yüzeye su damlatıldığında, su yüzeyden itilir ve su molekülleri yüzey alanlarını küçültürler ve hidrofobik yüzeyde damlacıklar oluştururlar. Sonuç olarak, su püskürtüldüğünde yaprağın üzerinde damlacıkların oluştuğunu görebiliriz.
Soru 3: Lotus yaprağındaki toza suyun etkisi nasıl oldu? Tozun polar molekülleri su ile dipol dipol etkileşim veya hidrojen bağları oluşturur. Bu da tozun yuvarlanan su damlacıklarının yüzeyine yapışmasını sağlar. Soru 4: Lotus yaprağında yağ neden su gibi boncuk boncuk olmadı? Lotus yaprağının yüzeyi polar değildir. Yağ da polar değildir. Bu ortak özellikleri yağın su gibi boncuklaşmasını engeller ve, su ve yağın zayıf kuvvetler arasında etkileşime girmelerine yardımcı olur, böylece yaprak yüzeyi yağ ile ıslanır. Soru 5: Tüm bitkiler lotus etkisini gösterir mi? Hayır, düz yüzey tabakaları nedeniyle bitkiler bu özelliği göstermezler. Su bitkinin yüzeyi ile etkileşime geçer ve boncuk boncuk olmaz. Soru 6: Suda yürüyen böcekler, suyun yüzeyinde duran iğne ve lotus yaprağındaki su damlacıklarının ortak noktası ne olabilir? Yüzey gerilimine neden olan yüksek yüzey enerjisi. Aşama -5: Aşağıda açıklandığı gibi, bir bardak su, bal, kağıt havlu, lotus yaprakları, diğer yapraklar ve hidrofobik bezi hazırlayın. Lotus yaprağı ve diğer yaprakları sıraya dizin ve bir öğrenciden yaprakların kenarlarına dokunmasını isteyin. Nasıl hissettiğini sorun? (Öğrencilerden yaprakların yüzey özelliklerini belirtmelerini bekleyin.) Bir bardak su alın. Lotus yapraklarına suyu dökün ve yaprakta ne olduğunu gözlemleyin. Soru 7: Su, lotus yaprağının üzerinde neden boncuk boncuk oluyor? Lotus yaprağının yüzeyindeki sertlik nedeniyle, su ve yaprak arasındaki etkileşim alanı azaldığından, hava ve su arasındaki etkileşim alanı artar. Bu şekilde, damlalar daha yüksek enerjiye sahip olur. Lotus yaprağının yüzeyi mum ile kaplıdır ve bu da tutma kuvvetlerinin yapışma kuvvetlerinden daha büyük olmasına neden olur. Bu şekilde, su damlacıklar oluşturur ve yaprağa yapışmadan yüzey üzerinden akar. Aşama -6: Yaprağa biraz toz ya da un serpin. Sonra yaprağın üzerine biraz su damlatın, damlalar üzerinde hareket etsin diye yaprağı biraz eğin. Soru 8: Yaprağa su damlatınca ne oluyor? Toz parçaları, lotus yaprağındaki papillalar arasındaki boşluklardan daha büyük boyutlara sahip olduğu için aradaki boşluklara giremezler. Toz parçaları polar olan suya tutunur. Bu şekilde, su damlaları yüzeyde aktıkça toz parçaları da onlarla birlikte akar. Yaprak yüzeyindeki nanoboyuttaki yumrular damlaların düşmesini engeller, böylece neredeyse tamamen havayla çevrilidir. Bu her tarafta yüzey gerilimi oluşturur, suyun daha fazla boncuk boncuk olmasını ve yaprağa daha az yapışmasını sağlar. Aslında, su yaprağa o kadar gevşek tutunur ki en ufak bir hareket su boncuklarının tozları da kendileriyle birlikte götürerek düşmesine neden olur. Bu da yaprakların kendi kendini temizlemesini sağlar.
Soru 9-) Mühendislerin lotus etkisinden esinlendiği uygulamalar ne olabilir? Doğaya dikkatle bakarsak, yaşam bize her şeyi öğretir. Doğadan ilham alan yenilik yapmaya biyomimikri (doğayı taklit etme) denir. Pencereler, tıbbi cihazlar, mutfak eşyaları ve tekstil ürünleri gibi lotus yaprağını taklit eden, misroskopik yumru yüzeyleri olan, kendi kendini temizleyebilen ve yapışkan olmayan materyaller geliştirilebilir. Bu materyallerin yüzeyleri lotus etkisi sayesinde her zaman kuru kalabilir. SONUÇ Öğretmen dersi aşağıdakileri tartışarak bitirir: Bilimle ilgili olmayan insanlar için bir etkinlik düzenleseniz, Lotus Etkisi hakkında ne yapardınız/söylerdiniz/öğretirdiniz? Gelecekteki teknolojideki lotus etkisinin önemi ile ilgili ne düşünüyorsunuz? DEĞERLENDİRME Kısa sınav Ölçek değerlendirme Uygun ifade ile boşlukları doldurunuz. (10 dakika) 1- molekülleri polar olmayan özelliğe sahiptir bu nedenle diğer nötr ve polar olmayan solventleri tercih ederler. 2-.. Doğa nın taklit edilmesidir. 3- Kendi kendini temizleyebilen olağanüstü organizmalardan biri... dir. 4- Suya göre birkaç kat daha.. olmasına rağmen, su yüzeyine dikkatle konulursa küçük bir iğne suyun yüzeyinde... 5- Kapiler su gibi ıslatıcı sıvılara batırıldığında, su kapiler içinde.... KEY Boşlukları doldurunuz 1- hidrofobik 2- biomimkri 3- lotus bitkisi 4- yoğun, yüzer 5- yükselir *REF http://futureprospects.wordpress.com/2010/05/17/the-lotus-effect/