Νανοτεχνολογία

Science

Το πρόγραμμα Νανοτεχνολογία είναι ένα εργαστήριο σύντομης διάρκειας όπου οι μαθητές θα ανακαλύψουν έναν καινούριο κόσμο τον νάνο-κόσμο. Πρόκειται για έναν κόσμο όπου η αναζήτηση μας επικεντρώνεται στα άτομα, τις κινήσεις τους και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Η αναζήτηση αυτή οδηγεί στην κατανόηση μιας εξαιρετικής νέας τεχνολογίας της νανοτεχνολογίας, η οποία στοχεύει στη δημιουργία υλικών με μοναδικές και προσαρμοσμένες ιδιότητες. Πολλές από αυτές τις ιδιότητες τις συναντάμε ήδη στη φύση και ο στόχος μας είναι να τις προσαρμόσουμε στις σύγχρονες τεχνολογικές ανάγκες.

Και το αποτέλεσμα είναι εκπληκτικό:
αυτοκαθαριζόμενα τζάμια, αόρατα υλικά, άθραυστα γυαλιά ακόμα και υλικά που επιδιορθώνονται μόνα τους.

Οι εξερευνητές του νάνο-κόσμου πρέπει να μπορούν να βλέπουν και
να διαχειρίζονται τα άτομα και τα μόρια. Ωστόσο, είναι τόσο μικρές οι
διαστάσεις για τις οποίες αναφερόμαστε, που καθίσταται αδύνατο να
μελετηθούν χωρίς τον απαραίτητο εξοπλισμό. Θα προμηθευτούν λοιπόν με τα κατάλληλα εργαλεία και θα εισχωρήσουν σε έναν κόσμο έτοιμο να τον
ανακαλύψουν.

Πληροφορίες Προγράμματος

  • Ηλικία: Μαθητές Γυμνασίου
  • Αριθμός μαθημάτων: 20 μαθήματα
  • Διάρκεια: 60′
  • Αριθμός μαθητών: 16 μαθητές

Θεματικές ενότητες

1. Από το φαινόμενο του λωτού έως την τεχνική εφαρμογή στρωμάτων σε νανοκλίμακα. Ο άνθρωπος πάντα επινοούσε νέες τεχνολογίες που βασίζονταν σε δομές που αναπτύχθηκαν από τη φύση κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Λόγω του φαινομένου αυτοκαθαρισμού στην επιφάνεια των φύλλων που συμβάλλει στην ομορφιά του, ο λωτός έχει γίνει ιδιαίτερα γνωστός στον τομέα της βιονικής/νανοβιοτεχνολογίας. Αυτό το φαινόμενο, το λεγόμενο φαινόμενο του λωτού, δεν είναι σε καμία περίπτωση συνακόλουθο φαινόμενο – έχει δημιουργηθεί κατά τη διάρκεια της εξέλιξης ως μέσο επιβίωσης του φυτού.

2. Νανοεπικάλυψη για αντοχή στις γρατζουνιές. Πολλά υλικά που
χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή γρατζουνιούνται ή γίνονται αντιαισθητικά, δηλαδή υποβάλλονται σε τριβή που προκαλείται από μηχανικές δυνάμεις. Ανεξάρτητα από το αν είναι το αυτοκίνητο στο πλυντήριο αυτοκινήτων, ένας αλευρόμυλος, ένα μαχαίρι ή το παρκέ στο δάπεδο του σαλονιού, όλα όσα χρησιμοποιούμε υπόκεινται σε φθορά λόγω της τριβής. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα βιομηχανικά μηχανήματα – τροχοφόρους μύλους, μηχανισμούς οδήγησης, ιμάντες μεταφοράς ή άξονες. Οι νανοστοιβάδες ή τα νανοσωματίδια αντίστοιχα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να λειτουργούν τα προϊόντα περισσότερο και να διατηρούν την αρχική τους εμφάνιση. Κατά κανόνα, η νανο-ανθεκτική επίστρωση αποτελείται από ένα οργανικό-ανόργανο νανοσύνθετο υλικό.

3. Πυροπροστασία. Σε περίπτωση πυρκαγιάς, κάθε δευτερόλεπτο μετράει. Λίγα λεπτά μετά την πυρκαγιά που έχει ξεσπάσει ο καπνός, η θερμότητα και οι φλόγες μπορούν να πάρουν απειλητικές διαστάσεις για τη ζωή. Προκειμένου να αποφευχθεί η πυρκαγιά, ή τουλάχιστον να καθυστερήσει η εξέλιξή της, πολλά προϊόντα ξύλου, πλαστικά ή υφάσματα παρέχονται με προστατευτικό επιβραδυνσης της φλόγας. Σβήνει τη φωτιά, ενθαρρύνει την ενανθράκωση και σχηματίζει υγρές και μονωτικές στρώσεις. Πολλοί συμβατικοί πυρίμαχοι παράγοντες μεταβάλλουν, ανάλογα με τη συγκέντρωση, τις μηχανικές, ηλεκτρικές και χημικές ιδιότητες του υλικού που προστίθεται σε αυτές. Τα επιβραδυντικά φλόγας που διατίθενται επί
του παρόντος μπορούν, τουλάχιστον εν μέρει, να αντικατασταθούν από νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια διασφαλίζουν ότι σχηματίζεται μια κρούστα γύρω από το καύσιμο υλικό και εμποδίζει τις πυρίμαχες ουσίες να εξατμιστούν πολύ γρήγορα.

4. Αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Το κοινό γυαλί δεν είναι αγώγιμο, δηλαδή δεν μπορεί να μεταδώσει ηλεκτρικά ρεύματα. Ωστόσο, το ειδικό γυαλί σε αυτό το κουτί μπορεί να το κάνει επειδή το γυαλί καλύπτεται με ένα εξαιρετικά λεπτό, αόρατο νανοστρώμα, το λεγόμενο στρώμα ITO. Ο όρος ITO σημαίνει οξείδιο ινδίου-κασσιτέρου, μια ένωση μικτού οξειδίου του ινδίου και του οξειδίουτου κασσιτέρου. Είναι ημι-αγώγιμο και διαφανές, οι ιδιότητες αυτές αποτελούν τη βάση για την παραγωγή ηλεκτρικά αγώγιμου γυαλιού.

5. Σιδηρορευστά.Τα σιδηρορευστά είναι τα μόνα μαγνητικά υλικά σε υγρή μορφή. Αποτελούνται από μαγνητικά σωματίδια τα οποία διασκορπίζονται κολλοειδώς σε ένα υγρό. Τα σωματίδια περιέχουν ή αποτελούνται από σιδηρομαγνητικά συστατικά όπως κοβάλτιο, νικέλιο ή σίδηρο. Τα σωματίδια σταθεροποιούνται στην επιφάνεια με επικάλυψη επιφανείας πολυμερούς ή μέσω ιοντογόνων ομάδων και, κατά κανόνα, έχουν διάμετρο 10 nm. Μένουν χωριστά μεταξύ τους με τασιενεργά μακράς αλυσίδας (επιφανειοδραστικές ουσίες) ή απωθούνται μεταξύ τους λόγω πανομοιότυπων φορτίων. Τα σιδηρορευστά δεν διασπείρονται με το χρόνο και, ακόμη και σε εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία, δεν απορροφούν το ένα το άλλο ή δεν διαχωρίζονται από το υγρό ως άλλη φάση. Η πιο συχνή χρήση των σιδηρορευστών είναι επί του παρόντος σε εφαρμογή ως σφράγιση, για παράδειγμα σε σκληρούς δίσκους για την προστασία από τη σκόνη. Ένα σιδηρορευστό που χρησιμοποιείται για σφράγιση μπορεί να διατηρηθεί στη θέση του μέσω ενός μόνιμου μαγνητη. Μπορεί επίσης να αντισταθεί σε ισχυρή πίεση.

6. Κολλοειδή χρυσού νανοκλίμακας. Το φαινόμενο Tyndall ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1868 από τον Ιρλανδό φυσικό John Tyndall (1820-1893). Προκαλείται από τη σκέδαση του ορατού φωτός (μήκη κύματος 400-800 nm) σε αιωρούμενα μικροσκοπικά σωματίδια, η διάμετρος των οποίων είναι του μεγέθους του ορατού φωτός. Τέτοια σωματίδια έχουν διάμετρο 1 έως 1.000 nm. Ορισμένα φαινόμενα παρατηρούνται κατά τη διάρκεια αυτής της
σκέδασης του φωτός (πόλωση, χρωματισμός κ.λπ). Τα συστήματα που παρουσιάζουν το φαινόμενο Tyndall είναι γνωστά ως κολλοειδή (από την ελληνική λέξη κόλλα) και τα σωματίδια σε ένα τέτοιο σύστημα είναι κολλοειδή σωματίδια. Τα διαλύματα κολλοειδών περιέχουν σωματίδια με διάμετρο 10 -5 έως 10 -7 εκατοστά, τα οποία απλώνονται (διασκορπίζονται) σε ένα υγρό. Τα σωματίδια κολλοειδούς νανοκλίμακας είναι τόσο μικρά που
μπορούν να περάσουν από ένα φίλτρο χαρτιού και δεν μπορούν να ανιχνευθούν ακόμη και κάτω από ένα οπτικό μικροσκόπιο.

7. Το φαινόμενο της μνήμης. Πρέπει εξαρχής να καταστεί σαφές ότι το φαινόμενο μνήμης δεν είναι καθόλου επίτευγμα της νανοτεχνολογίας. Δεν χρησιμοποιεί νανοσωματίδια ή νανοστιβάδες για να λειτουργήσει. Ωστόσο, η κίνηση ενός μετάλλου μνήμης βασίζεται, σε τελική ανάλυση, σε μια κίνηση σε επίπεδο νανομέτρου και αυτός είναι λόγος για να συμπεριλάβει ένα εκπληκτικό πείραμα, το οποίο δεν χρειάζεται πολύ χρόνο για να εκτελεστεί. Τα κράματα μνήμης σχήματος (SMA) είναι μεταλλικά υλικά, τα οποία, αφού
έχουν παραμορφωθεί από αλλαγή θερμοκρασίας ή δυνάμεων, φαίνεται να θυμούνται το αρχικό τους σχήμα και μπορούν να επιστρέψουν σε αυτό.

8. Από άμμο σε τσιπ. Η ηλεκτρονική παίζει συνεχώς αυξανόμενο ρόλο στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Γίνονταιάρχουν πολλές συζητήσεις για ενσωματωμένα νανοκυκλώματα ή ηλεκτρονικές νανοδομές στα τσιπ. Ο στόχος είναι να καταστούν τα εξαρτήματα υπολογιστών και τα ηλεκτρονικά τσιπ όσο το δυνατόν μικρότερα για την επίτευξη μικροσκοπικών εξαρτημάτων. Σε ορισμένους τύπους μικροεπεξεργαστών, εξαρτήματα μνήμης, διόδους λέιζερ, LED, οθόνες LCD, τσιπ CCD (ψηφιακή κάμερα) τέτοια ηλεκτρονικά νανοσυστατικά έχουν ήδη γίνει πραγματικότητα. Από τι είναι κατασκευασμένα τα νανοτσίπ; Πώς παράγονται; Αυτό το κεφάλαιο
στοχεύει να δείξει πώς μπορεί να κατασκευαστεί ένα εξαιρετικά περίπλοκο τσιπ υπολογιστή από μια σχετικά φθηνή πρώτη ύλη – δηλαδή την πυριτική άμμο.

9. Λεπτές δομές, λεπτά σωματίδια. Οι δυτικοί σιδηρουργοί δεν μπόρεσαν ποτέ να καταλάβουν πώς οι λεπίδες της Δαμασκού πήραν τη δύναμη και την αιχμηρή κοπή τους. Τα μεταλλικά σπαθιά με το τυπικό καμπυλωτό σχήμα τους δεν ήταν μόνο πιο εύκαμπτα και πιο αδιάβροχα από τα ξίφη των Χριστιανών. έμεναν και αιχμηρά για πολύ περισσότερο. Σήμερα, γνωρίζουμε ότι η αντοχή του χάλυβα οφειλόταν στους μικροσκοπικούς σωληνίσκους άνθρακα. Οι νανοσωληνίσκοι και οι ιδιότητές τους ανακαλύφθηκαν από τη
σύγχρονη επιστήμη το 1991, όταν δημιουργήθηκαν τεχνητά σε ένα τόξο. Έξι χρόνια νωρίτερα, οι ερευνητές βρήκαν το φουλερένιο, έναν μέχρι τώρα άγνωστο τύπο άνθρακα.

10. Υπερ-υδροφοβία. Στην ενότητα 1, συζητήθηκε η ικανότητα του νερού να διαβρέχει επιφάνειες, με παραδείγματα όπως το φυτό λωτού που χρησιμοποιήθηκε για την απεικόνιση του θέματος. Μια επιφάνεια θεωρείται υδρόφοβη όταν η γωνία επαφής μεταξύ των σταγονιδίων νερού και της επιφάνειας υπερβαίνει τις 90 μοίρες. Λέγεται ότι το νερό δεν προσκολλάται στις υδρόφοβες επιφάνειες. Μια υπερ-υδρόφοβη επιφάνεια είναι εκείνη στην οποία η γωνία επαφής υπερβαίνει τις 150 μοίρες. Μια επιφάνεια γίνεται πιο υδρόφοβη καθώς γίνεται πιο τραχιά.Τέτοιες επιφάνειες είναι επίσης γνωστές ως επιφάνειες φακίρηδες, καθώς η σταγόνα είναι σαν
φακίρης σε ένα κρεβάτι καρφιών, που έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια μόνο σε ορισμένα σημεία. Μεταξύ των σημείων επαφής σε αυτές τις επιφάνειες σχηματίζονται θύλακες αέρα, γεγονός που μειώνει περαιτέρω την πρόσφυση.

Lesson tags: 8. Γυμνάσιο
Back to: Engineering