Titul: NANOTECHNOLOGIE: Tvorba modelu fullerenu

Transkript

1 Plán Titul: NANOTECHNOLOGIE: Tvorba modelu fullerenu Témata: NANOTECHNOLOGIE: Tvorba modelu fullerenu Čas: 90 minut (2 vyučovací hodiny) Věk: 10. třída žáci ve věku let Diferenciace: Instrukce, IT podpora atd.: Schopnější studenti dostanou za úkol vypočítat nezbytné parametry. Se schopnějšími studenty je možno diskutovat o parametrech geometrické struktury molekuly fullerenu Studenti, kteří dokončí práci rychleji, mohou pracovat na přiložených rozšiřujících úkolech. Studentům je zadána souvislá práce. Je jim vysvětleno, jak vytvořit model fullerenu. Studenti vyplní pracovní listy s různými aktivitami individuálně, nebo ve skupinách 2-3 studentů. Každá skupina má za úkol najít a uspořádat informace o fullerenech z určitého aspektu a prezentovat získané informace. Vybavení potřebné pro tuto aktivitu: Dvě vytištěné kopie přílohy 1 Jedna vytištěná kopie přílohy 2. Nůžky na papír. Lepicí páska (nejlépe průhledná) Pracovní list s aktivitami. Požadované znalosti: Koncept atomu, atom uhlíku. Typy mnohoúhelníku; součet úhlů v mnohoúhelníku Zdraví a bezpečnost: Výstupy této aktivity: Všichni Budou znát příklady nejnovějších technologií kolem nás. Se seznámí s počátkem nanotechnologií fullereny. Budou umět vytvořit model molekuly fullerenu. Budou schopni rozpoznat geometrickou strukturu fullerenu. Většina Bude schopna vyhledat, systemizovat a prezentovat informace o fullerenech. Bude umět popsat geometrickou strukturu fullerenu. Někteří Budou schopni vypočítat parametry geometrické struktury molekuly fullerenu. Budou znát a budou schopni popsat aplikace fullerenů v současnosti i v budoucnosti. Bezpečné zacházení s nůžkami. 1

2 Plán Hlavní aktivita Studenti začnou pracovat na pracovním listu NANOTECHNOLOGIE: Tvorba modelu fullerenu. Fulleren molekula skládající se kompletně z atomů uhlíku, schopných vytvořit dutou kouli, elipsoid, nebo trubici (nanotrubici), Strukturou je podobná grafitu, ale může také být vystavěna z pěti- nebo osmiúhelníků. Jejich jméno je odvozeno od jména stavitele Buckminstera Fullera, který navrhoval podobně vypadající geodetické stavby. Fullereny jsou třetí objevenou modifikací uhlíku, kromě grafitu a diamantu. Tyto molekuly jsou tvořeny výhradně uhlíkem (počet atomů nesmí být menší než dvacet a v každém případě sudý), tvarem je dutá koule, elipsoid, trubice, nebo je plochý. Kulovité fullereny jsou také známy jako buckyballs, a válcové jako nanotrubice nebo buckytubes. Více viz Vysvětlení praktika je uvedeno. Jak vytvořit model fullerenu Molekula fullerenu C 60 má stejný tvar jako fotbalový míč. Má 32 povrchů, z nichž 20 jsou jednoduché šestiúhelníky a 12 pětiúhelníky. Tyto povrchy jsou spojeny 60 body (vrcholy). U fullerenů je na každém z těchto vrcholů atom uhlíku. Papírový model fullerenu C 60 může být snadno vytvořen ve třídě nebo doma. Bude se skládat z 20 šestiúhelníků spojených tak, že 12 pětiúhelníkových mezer zůstane prázdných. Pracovní postup 1. Okopírujte stránky (dvě kopie Přílohy 1, jednu Přílohy 2). 2. Vystřihněte jeden tvar z první stránky. 3. Slepte dohromady okraje označené písmenem C lepicí páskou. 4. Dávejte pozor, abyste dostali pět šestiúhelníků okolo pětiúhelníkové mezery. 5. Opakujte stejný postup s druhou kopií stránky. 6. Vystřihněte tvar z druhé stránky. Měli byste dostat dva souvislé pruhy, každý tvořený pěti šestiúhelníky. 2

3 Plán 7. Pomocí lepicí pásky spojte okraj jednoho pruhu označený písmenem A se stejným okrajem druhého pruhu. 8. Slepte okraj označený písmenem B s druhým okrajem označeným stejným písmenem. 9. Připojte části z první stránky k části, kterou jste právě vytvořili. Slepte volné okraje pětiúhelníků páskou, jak je vidět na obrázku. 10. Otočte sestavený tvar a přilepte další část ze stránky jedna stejným způsobem. 11. To je vše. Model C60 držíte v rukou. Aktivita s pracovním listem Žáci vyplní pracovní list individuálně, mají odpovědět na otázky. Schopnější žáky je možno požádat, aby vypočítali nezbytné parametry. Rozšiřující aktivita Žáci, kteří dokončili práci rychleji, dostanou k řešení přiložené rozšiřující úkoly. (NANOTECHNOLOGIE: Tvorba modelu fullerenu). Společná aktivita Zeptáme se žáků na provedený postup. Pak žáci diskutují o odpovědích na zadané otázky. Se schopnějšími žáky je možno diskutovat o parametrech geometrické struktury molekuly fullerenu. 3

4 Pracovní list NANOTECHNOLOGIE: FULLERENY Cíl hodiny: Seznámit se s počátky nanotechnologií fullereny. Seznámit se se strukturou fullerenu při tvorbě modelu molekuly fullerenu. Nanotechnologie je interdisciplinární vědní obor, jeden z nejrychleji rostoucích. Tato pokročilá technologie otevírá nové možnosti vývoje nových materiálů a zařízení, jaké jsme si dříve neuměli ani představit. Bohužel jen velmi málo lidí ví, že objev fullerenů v roce 1985 zahájil éru nanotechnologií. Nejen že dal vzniknout tomuto novému vědnímu oboru, ale také slině ovlivnil fyziku, chemii a další disciplíny (ACS vyznamená objev fullerenů. Azo Nanotechnology, Objev fullerenů byl tak důležitý, že za něj byla udělena Nobelova cena v r Tento objev měl obrovský význam pro fyziku, chemii, informatiku a další vědní obory. Fullereny jsou třetí objevenou alotropickou modifikací uhlíku, kromě grafitu a diamantu. Tyto molekuly jsou tvořeny výhradně uhlíkem (počet atomů nesmí být menší než dvacet a v každém případě sudý) tvarem je dutá koule, elipsoid, trubice, nebo je plochý. Kulovité fullereny jsou také známy jako buckyballs, a válcové jako uhlíkové nanotrubice nebo buckytubes. Fullereny se podobají svou strukturou grafitu, jiné alotropické modifikaci uhlíku, která je tvořena vrstvami, v nichž jsou spojeny šestiúhelníkové prstence, ale také mají uvnitř pětiúhelníkové (někdy šestiúhelníkové) prstence, které způsobují, že vrstvy nejsou ploché. Na fullereny se mohou vázat atomy vodíku a železa a tvoří tak velké složité molekuly. Fullereny jsou jedněmi z hlavních nanomateriálů, spolu s nanokompozity, nanočásticemi, keramickými materiály, uhlíkovými nanotrubicemi a tenkými vrstvami. Stavba molekuly fullerenu je zajímavá. Uvnitř každé uhlíkové koule vzniká prázdný kulový prostor, do něhož lze díky jeho kapilárním vlastnostem vložit atomy a molekuly jiných látek. Jsou syntetizovány a zkoumány molekuly fullerenů skládající se z různého počtu atomů uhlíku od 36 do 540. Více viz na: 4

5 Pracovní list C60 První objevený, nejznámější a nejčastěji zkoumaný fulleren. Je to nejkulatější a nejsymetričtější molekula, která byla dosud objevena. Skládá se z 60 atomů uhlíku, z nichž každý je umístěn v molekule na spojovacím bodu dvou šestiúhelníků a jednoho pětiúhelníku. V molekule C60 je počet šestiúhelníků 20 a pětiúhelníků 12. Každý pětiúhelník sousedí jen se šestiúhelníky, a každý šestiúhelník má tři společné stěny s šestiúhelníky a tři s pětiúhelníky. Má stejnou stavbu jako Evropský fotbalový míč. Tato molekula má v průměru 7-15 Å a tloušťka je jeden atom uhlíku. Z chemického a fyzikálního hlediska jsou velmi stabilní (začínají se štěpit až při 1000 C). Mají větší elasticitu než jakákoliv známá dvourozměrná struktura nebo prvek. Nejvyšší hustota uspořádání ze všech známých struktur. Za normálních okolností je neproniknutelný pro všechny prvky, dokonce i pro atom helia s energií 5eV. Mohou se na ně vázat atomy vodíku a železa a tvořti tak velké složité molekuly. Poměrně malá kritická teplota (33 K), proto mají supravodivé vlastnosti. C60 tvoří žluté krystaly, ale při tavení mění barvu na fialovou. - Více viz na: 5

6 Pracovní list Úkol na příští hodinu Vyhledejte na internetu a uspořádejte informace o fullerenech týkající se těchto aspektů: Jak byly fullereny objeveny historie objevu fullerenů; Objevitelé vědci, kteří objevili fullereny (Harold W. Kroto, Robert F. Curl, Richard E. Smalley); Nobelova cena kdy, kdo a za co obdržel cenu; Druhá Nobelova cena další významná cena spojená s fullereny - grafen, jeho objev a možnosti využití; Význam objevu jaké jsou přínosy objevu fullerenů pro vědu a lidstvo, jaké nové možnosti přinesl; Co jsou fullereny teorie, definice, příklady a ilustrace; Původ názvu odkud pochází název nově objevené látky; Aplikace jaké jsou aplikace fullerenů v současnosti a jaké jsou jejich možnosti do budoucna; Typy fullerenů popis existujících typů fullerenů. 6

7 Otázky NANOTECHNOLOGIE: Tvorba modelu fullerenu Answer sheet Z jakých atomů se skládá fulleren? Z uhlíku (C) Z kolika atomů se skládá molekula fullerenu C60 molecule? 60 atomů uhlíku Jaké další látky jsou složeny z atomů uhlíku? Grafit, diamant, grafen. Kolik a jaké geometrické tvary tvoří fulleren C60? 20 šestiúhelníků a 12 pětiúhelníků. 7

8 Otázky Součet úhlů v mnohoúhelníku s = (n - 2) 180, n počet stran mnohoúhelníku. Pomocí vzorce pro součet úhlů v mnohoúhelníku vypočítejte součet vnitřních úhlů pětiúhelníku Jaká je velikost jednoho vnitřního úhlu pětiúhelníku? Pomocí vzorce pro součet úhlů v mnohoúhelníku vypočítejte součet vnitřních úhlů šestiúhelníku Jaká je velikost jednoho vnitřního úhlu šestiúhelníku? 8

9 Rozšíření Na těchto obrázcích jsou uvedeny příklady pravidelných pětiúhelníků, nacházejících se v přírodě. Uveďte další příklady pravidelných pětiúhelníků, nacházejících se v přírodě. Květy svlačce Nakrájená okra Mořská hvězdice Pentagon ministerstvo obrany USA Když znáte velikost jednoho vnitřního úhlu pětiúhelníku, vypočítejte velikost vnitřního úhlu trojúhelníku. 9

10 Rozšíření Na těchto obrázcích jsou uvedeny příklady pravidelných šestiúhelníků, nacházejících se v přírodě. Uveďte další příklady pravidelných šestiúhelníků, nacházejících se v přírodě. Včelí plást Ideální krystalová struktura grafenu Čínský pavilon (atomy uhlíku) Když znáte velikost jednoho vnitřního úhlu šestiúhelníku, vypočítejte velikost vnitřních úhlů trojúhelníku ABC. 10

11 Příloha 1 Udělejte si dvě kopie této stránky Pattern 1 Print two copies of this page.

12 Příloha 2 Udělejte si jednu kopii této stránky Pattern 1 Print two copies of this page. 12