NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP. LINEE GUIDA PER GLI INSEGNANTI Nanotubi di carbonio

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1 Sommario: 1. Prefazione per gli insegnanti 2. Introduzione 3. Processo di apprendimento 4. Conclusioni 5. Valutazione LINEE GUIDA PER GLI INSEGNANTI Nanotubi di carbonio Il piano di lezione è disposto per fornire agli insegnanti di scienze delle scuole superiori un introduzione sui Nanotubi di carbonio da proporre in classe, facendo uso delle informazioni riportate dal sito Gruppo Target: Studenti di anni Durata: 90 minuti Area tematica scolastica: Fisica- Chimica Lo scopo della lezione La lezione Nanotubi di carbonio fornisce l opportunità di esplorare e comprendere i nanotubi di carbonio come forma allotropica del carbonio. Gli studenti impareranno le strutture dei nanotubi di carbonio, le loro proprietà e aree di applicazione. Lo scopo è dare una visualizzazione dei CNT, impossibili da vedere a occhio nudo, e stimolare l interesse nei CNT e nelle nanotecnologie. Obiettivi della lezione Conoscere i CNT. Conoscere le diverse strutture di CNT. Conoscere le proprietà dei CNT. Conoscere come lavora la tecnologia oggi. Prerequisiti per gli studenti La conoscenza dei termini: Carbonio. Allotropia Legame covalente Risultati attesi nella comprensione Comprensione del termine nanotubo. Sapere collegare i nanotubi con la nanotecnologia. Comprendere le applicazioni dei CNT e del loro utilizzo. Materiali e risorse Testi di lettura per gli studenti Video esperimento (Capacità di assorbimento dei nanotubi di carbonio) Valutazione degli studenti Fogli di lavoro degli studenti Quiz per gli studenti Altre idee 1

2 Assegnare agli studenti il compito di studiare la Scienza e l ingegneria dei materiali. PREFAZIONE PER GLI INSEGNANTI Background teorico e breve descrizione delle attività L atomo di carbonio sembra essere il più affasciante tra tutti gli elementi della tavola periodica. Oltre a essere la base della vita, è uno degli elementi più importanti delle nanotecnologie. Il carbonio ha tre forme allotropiche: la grafite, il diamante e il fullerene. I fullereni formano una famiglia che ha molecole combinate da vari numeri di atomi di carbonio, a questa famiglia appartengono i Buckyball e i nanotubi di carbonio. I nanotubi di carbonio possono essere prodotte mediante una scarica ad arco, ablazione laser, disproporzionamento ad alta pressione di monossido di carbonio, e metodi di deposizione chimica da vapore. Ma la cosa più sorprendente è che i CNT possono essere prodotti anche con un fulmine! I nanotubi di carbonio, composti d incastri di atomi di carbonio, sono 1000 volte più sottili di un capello umano e possono essere 100 volte più resistenti dell acciaio. Le sorprendenti proprietà dei nanotubi di carbonio offrono molte aree di applicazione. Una delle proprietà più importanti del CNT è la proprietà idrofoba. A causa di questa caratteristica, i nanotubi di carbonio tendono ad agglomerarsi evitandone la dispersione in solventi. Figura1. Bio-mimetismo dell effetto loto dei CNT (1) Mediante l'assemblaggio controllato di nanotubi di carbonio sulla superficie di substrati di cotone, sono state fabbricate delle strutture artificiali di foglia di loto. I nanotubi incontaminati di carbonio (CNT) e quelli modificati in superficie sono stati utilizzati come mattoni di costruzione di microstrutture bio-mimetiche di foglie di loto su scala nanometrica (Vedere Effetto Loto nell esperimento del Laboratorio Virtuale). I tessuti di cotone, che altrimenti sarebbero stati perfettamente assorbenti, sono stati dotati così di proprietà super-idrofobiche. Il metodo fornisce un percorso bionico per creare tessuti idrofobici. Inoltre, considerando le nuove proprietà meccaniche ed elettriche dei nanotubi di carbonio, i tessuti di cotone rivestiti da nanotubi di carbonio mostrano applicazioni potenziali nel rilevamento, nella conduzione e nella produzione di tessuti speciali. (*) INTRODUZIONE Il carbone e diamanti, la sabbia e i chip computerizzati, il cancro e i tessuti sani: nel corso della storia, le variazioni nella disposizione degli atomi hanno distinto il buon mercato da quello caro, il malato dal sano. Disposti in un modo, gli atomi formano suolo, aria e acqua, disposti in un altro, costituiscono fragole mature. Disposti in un modo, costituiscono case e aria fresca, organizzato in un altro cenere e fumo. 2

3 Eric Drexler L insegnante avvia una sessione di brainstorming ponendo le seguenti domande: Ogni giorno abbiamo a che fare con molti materiali. Sai indicare i materiali a base di carbonio intorno a te?. L insegnante invita gli studenti a mostrare/elencare i materiali a base di carbonio nella loro vita e li aiuta a classificarli in organici e inorganici. L insegnante prosegue ponendo la domanda: Dove troviamo del carbonio puro? L insegnante aiuta gli studenti a ricordare la loro conoscenza dell allotropia e delle forme allotropiche del carbonio. L insegnante invita gli studenti a scoprire dove sono utilizzate le forme allotropiche di carbonio nella vita quotidiana. Perché, secondo te, i fullereni saranno importanti nel futuro della scienza e della tecnologia? L insegnante invita gli studenti a esprimere le proprie opinioni in merito allo sviluppo della scienza e della tecnologia e li aiuta a comprendere l importanza del carbonio e dei fullereni nell innovazione della scienza e della tecnologia. Le molecole della famiglia dei fullereni sono particolarmente adatte per il miglioramento di nuove molecole come molecole vettore, assorbendo o allegando altri tipi di atomi nei campi desiderati della tecnologia. PROCESSO DI APPRENDIMENTO Prima della lezione Compito: Fornire agli studenti il foglio di lavoro Nanotubi di carbonio e chiedere loro di leggerlo. Preparazione della classe: Predisporre la classe alla visione dei video degli esperimenti. Preparare i materiali necessari alle attività illustrate di seguito. Durante la lezione: Step 1 Chiedere le seguenti domande sul testo: Domanda 1. Quale talento hanno i ragni? I ragni hanno il sorprendente talento di produrre seta e ragnatele. (L insegnante può anche chiedere allo studente altri talenti/caratteristiche dei ragni; chiedere se conoscono tipi specifici di ragni e avere una piccola discussione su questi insetti.) Domanda 2. Che cosa ha di tanto speciale la seta delle ragnatele? La caratteristica più importante delle ragnatele è la loro resistenza. La seta prodotta dai ragni è, infatti, molto più resistente dell acciaio. Possiede anche una grande elasticità ed è resistente al freddo. Step 2- Iniziare l Attività 1 descritta nelle linee guida dello studente. Step 3 Porre le seguenti domande sull attività. 3

4 (Chiedere agli studenti di riconoscere le proprietà della seta prodotta dai ragni, e i fattori che determinano queste proprietà). Domanda 3. Qual è la caratteristica del tessuto giallo mostrato nel video? Il tessuto giallo è fatto da seta prodotta da circa ragni in un ambiente controllato. La fibra del tessuto è molto resistente, e il tessuto molto morbido. Domanda 4. È possibile produrre artificialmente la seta delle ragnatele? Gli scienziati hanno riprodotto i geni di un ragno che produce seta e li hanno inseriti in alcune capre per ottenere del latte che contiene le proteine della seta di ragno! Questo processo scientifico è chiamato transgenico. Gli scienziati separano la proteina di seta dal latte che queste capre producono. Chiedere agli studenti di immaginare possibili usi delle repliche tecnologiche della seta delle ragnatele. Step 4- Iniziare l Attività 2 descritta nelle linee guida dello studente. Chiedere agli studenti di riconoscere le forme allotropiche che conoscono. Step 5 Porre le seguenti domande sull attività. Domanda 5. Quali sono le forme allotropiche del carbonio? La grafite, il diamante e il fullerene sono forme allotropiche del carbonio. I fullereni formano un ampia famiglia composta da molte molecole. La più piccola molecola di fullerene è il C 20, mentre le più conosciute sono il Buckyball e il nanotubo di carbonio. Domanda 6. Che cosa sono i nanotubi di carbonio? I nanotubi di carbonio sono delle forme allotropiche del carbonio di forma cilindrica. Step 6- Iniziare l Attività 3 descritta nelle linee guida dello studente. Chiedere agli studenti di riconoscere i metodi di produzione dei CNT. Step 7 Porre le seguenti domande sull attività. Domanda 7. Quali sono i principali metodi di produzione di CNT? Scarica ad arco, deposizione di vapore chimico, ablazione laser, e l'elettrolisi che è una tecnica simile a quella di scarica ad arco. Domanda 8. I CNT possono essere prodotti naturalmente? I CNT possono essere prodotti dai fulmini. Domanda 9. Quali sono i tipi di CNT? Esistono due tipi di CNT: a parete singola, a parete multipla. Step 8- Iniziare l Attività 4 descritta nelle linee guida dello studente. Step 9 Porre le seguenti domande sull attività. 4

5 Domanda 10. Qual è la differenza tra SWCNT e MWCNT? SWCNT è formato da un singolo foglio di grafite, mentre MWCNT è formato da più fogli di grafite. Domanda 11. Quali sono le proprietà generali dei CNT? La rigidità dei CNT è 5 volte superiore di quella dell acciaio. Tutti i SWCNT armchair presentano proprietà metalliche. I CNT possono essere sia conduttori sia semi-conduttori. La conducibilità elettrica dei CNT può essere elevata come quella del rame. La conducibilità termica può essere elevata come quella del diamante. 100 volte più resistente dell acciaio Step 10- Iniziare l Attività 5 descritta nelle linee guida dello studente. Chiedere agli studenti di illustrare l assorbimento dell acqua e dell olio nei materiali costituiti da nanotubi di carbonio. Step 11 Porre le seguenti domande sull attività. Domanda 10. Perché secondo te le due spugne assorbono quantità d acqua significativamente diverse? La spugna nera è costituita da un polimero idrofobo. Per questo motivo, non assorbe molta acqua. Domanda 11. Le proprietà di assorbimento dell olio dei CNT sono sorprendenti. Come potremmo sfruttare questa proprietà? Nel prossimo futuro, i materiali costituiti da nanotubi di carbonio potranno essere utilizzati per rivestire le tubature che trasportano il gasolio nelle profondità marine, e più in avanti nel tempo potranno essere usati per costruire ascensori spaziali. Domanda 14. Pensi che sia possibile replicare o imitare la proprietà idrofoba delle foglie di loto utilizzando dei nanotubi di carbonio? (Guidare gli studenti in una sessione di brainstorming, aiutandoli a immaginare cosa è possibile fare utilizzando i nanotubi di carbonio.) Strutture di foglie di loto artificiali sono fabbricate su campioni di cotone tramite l assemblaggio di nanotubi di carbonio sulla superficie di campioni di cotone. Considerate le nuove proprietà meccaniche ed elettriche dei nanotubi di carbonio, i tessuti di cotone rivestiti da nanotubi di carbonio troveranno potenziali applicazioni nel settore del rilevamento, della conduzione, formando tessuti speciali. Domanda 15. Perché secondo te un panno in microfibra assorbe più acqua rispetto a un panno ordinario? Un panno in microfibra ha molti più pori a causa delle dimensioni delle sue fibre. Al diminuire della dimensione delle fibre, aumenta il numero di pori. Step 12- Iniziare l Attività 6 descritta nelle linee guida dello studente. Step 13- Iniziare l Attività 7 descritta nelle linee guida dello studente. (Guidare gli studenti in una nuova sessione di brainstorming, dopo le Attività 6 e 7.) 5

6 CONCLUSIONI L insegnante chiude la lezione discutendo l affermazione che segue: Che cosa pensi dell importanza del carbonio e delle sue forme allotropiche nella tecnologia del futuro? VALUTAZIONE A. Scrivi vero (V) o falso (F) per le affermazioni che seguono. (5 minuti) 1. I nanotubi di carbonio sono forme are allotropiche del carbonio. ( ) 2. I nanotubi di carbonio sono isolanti. ( ) 3. I nanotubi di carbonio sono 5 volte più resistenti dell acciaio. ( ) B. Completa gli spazi bianchi con le espressioni adatte (10 minuti) 1. La seta dei ragni è volte più resistente dell acciaio sono forme allotropiche del carbonio con nanostrutture cilindriche. 3. La conduttività elettrica dei nanotubi di carbonio è... di quella del rame. 4. Quando un foglio di grafene è avvolto su se stesso, si forma un I CNT a parete singola sono,..,. SOLUZIONI: A. Vero (V) o Falso(F): 1 V; 2 F; 3 F. B. Riempi gli spazi bianchi: 1 cinque; 2: I nanotubi di carbonio; 3: maggiore; 4: CNT a parete singola; 5: armchair, zigzag, chirali. REFERENZE: 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,