Titlul întreg al proiectului

1.6 Îndatoririle profesorilor

Ca şi colaborator al proiectului Nanoccanale, îndatoririle principale pot fi însumate în Tabelul 1:

Tabelul 1: Planul ş i timpul de lucru pentru membrii echipei de profesori ai Nanocanale

Dată	Sarcină	Timp maxim necesar
29 Septembrie 2011	Participați la prima pregătire virtuală a profesorilor	2 ore
20 Octombrie 2011	Participaţi la a doua pregătire virtuală a profesorilor	2 ore
Între Ianuarie 2012 şi Mai 2012	Ajutaţi la organizarea evenimentului cu elevii dumneavoastră	10 ore
Între Ianuarie 2012 şi Mai 2012	Coordonaţi o dezbatere şcolară cu cel puţin 20 de elevi	4 ore
Între Aprilie 2012 şi Mai 2012	Raportare	2 ore
Între Octombrie 2011 şi Mai 2012	Participaţi la campania media socială	4 ore
Total		3 zile

Pentru cei care au fost profesori pilot în cadrul proiectului NANOYOU, se recomandă să implice elevii care au fost "absolvenţi ai proiectului NANOYOU” în activităţile NANOCANALE (dezbateri în direct, crearea de material editorial), deoarece aceştia vor servi ca şi model pentru ceilalţi elevi care nu au auzit despre nanotehnologie.

1.7 Termene limită şi indicatori

Tabelul 2 vă prezintă fiecare sarcină cu indicatorul (indicatorii) corespondent şi termenul limită.

Tabelul 2: Termene limită şi indicatori pentru fiecare sarcină a profesorilor Nanocanale

Dată	Sarcini şi indicatori	Termen limită
Septembrie 2011	Fiecare profesor va alege 3 dileme	Prima pregătire virtuală
Septembrie 2011- Februarie 2012	Fiecare profesor cu clasa lui vor publica: 10 Tweets 10 articole ale elevilor (~300 de cuvinte) 10 postări pe Facebook sau media socială naţională 5 prezentări sau filme	Până la sfârşitul lui Februarie 2012
Januarie 2012- Mai 2012	Fiecare profesor va organiza o dezbatere în direct la școală, cu implicarea a cel puţin 20 de elevi, minim a unui om de ştiinţă, un reprezentant al industriei, un reprezentant al unei organizaţii non-guvernamentale și cel puţin 20 de persoane din comunitatea locală pentru participare.	Până la sfârşitul lui Mai 2012
Aprilie 2012- Mai 2012	Fiecare profesor va raporta activităţile în conformitate cu şablonul de raport furnizat de EUN	Până la sfârşitul lui Mai 2012

2. Predarea nanoştiinţei şi nanotehnologiei: informaţii de bază

Această secţiune conţine informaţii de bază despre predarea nanoştiinţei şi nanotehnologiei⁷. Profesorii trebuie să aleagă una sau două sub zone pentru a preda, este recomandat să citiţi toate informaţiile de bază precum şi materialele următoare ale sub zonelor alese.

CAPITOLUL 1- Introducere în nanoştiinţă şi nanotehnologii

U
Figura 2: Lungimea variind de la macro la lumea nano. Adaptat de la “Un instantaneu al nanotehnologiei”, Institutul Naţional Oncologic
n nanometru (nm) este 10^-9 dintr-un metru. Pentru a pune acest lucru în evidenţă, un păr uman are aproximativ 80,000 nm în diametru şi barba unui bărbat creşte cu un nanometru pe secundă. Prezintă exemple de obiecte cu lungimea variind de la macro până la lumea nano.

Nanoştiinţa este studiul fenomenelor la nivel nanometric (definit mai jos). Nanotehnologia manipulează materia la un nivel atomic, molecular sau macromolecular pentru a crea şi controla obiecte la nivel nanometric, în vederea fabricării de materiale noi, dispozitive şi sisteme care au noi proprietăţi şi funcţii datorită dimensiunii lor mici. Definiţia nanotehnologiei este destul de largă şi include atât nanotehnologia – se referă la materiale (precum ar fi carbonul din nanotuburi) şi nanotehnologia – se referă la unelte şi procese.

Scara nanometrică este de obicei între 1 - 100 nm. Intervalul de dimensiuni are ca minim 1nm pentru a evita ca atomii singulari sau grupurile mici de atomi să fie desemnaţi ca şi nano obiecte. Prin urmare nanoştiinţa şi nanotehnologiile se ocupă de grupuri de atomi care au cel puţin o dimensiune de 1nm. Nanoştiinţa nu este doar ştiinţa celor “mici”, ci ştiinţa care studiază materiale care prezintă proprietăţi, funcţii şi fenomene remarcabile datorită influenţei dimensiunii lor mici.

INSPIRAT DE NATURĂ

Chiar dacă nanoştiinţa este adesea percepută ca o ştiinţă a viitorului, ea este de fapt baza tuturor sistemelor din lumea noastră. Avem sute de exemple de nanoştiinţă sub ochii noştri în fiecare zi, de la geckos care umblă pe tavanul camerei, aparent sfidând gravitaţia, la fluturi de culori irizate, la licurici care luminează noaptea. În natură întâInim soluţii uimitoare la probleme complexe sub forma de nanostructuri fine cărora le sunt asociate funcţii precise. În ultimii ani cercetătorii au avut acces la unelte analitice noi pentru a vedea şi studia, în profunzime, aceste structuri şi funcţiile asociate lor. Acest lucru a stimulat şi mai mult cercetarea în aria nanoştiinţei şi a catalizat nanotehnologia. Deci, într-un anumit sens, nanoştiinţa este baza nanotehnologiei.

Un exemplu este proprietatea adezivă a piciorului de gecko, care nu are legătură cu lipiciul de la nivelul piciorului, ci cu vann der Waals şi forţele capilare exercitate de milioane de nanostructuri (numite setae) din care este format piciorul. Acestea permit animalului să umble contra gravitaţiei pe suprafeţe diferite, chiar şi pe cele ude. Mai mult decât atât, un gecko poate umbla pe o suprafaţa murdară fără a-şi pierde aderenţa, deoarece picioarele sale se autocurăţă. Un material cu adevărat uimitor! Oamenii de ştiinţă s-au inspirat de la acest animal pentru a fabrica adezivi pentru chirurgie, textile sau plastic, care să adere la suprafeţe (pentru a fi folosit de ex. la căţărări libere).

CE ESTE NANOMATERIALUL

Nanomaterialul este un obiect care are cel puţin o dimensiune la scala nanometrică şi care este creat intenţionat printr-un proces de fabricaţie. Definiţia nanotehnologiei nu include în general “nanomateriale create neintenţionat”, adică particule cu dimensiune nano sau materiale care aparţin în mod natural de mediu (de ex. proteine, viruşi) sau care sunt produse de către activitatea umană. Nanomaterialele sunt categorisite conform dimensiunii lor, aşa cum vă este prezentat în Figura 3:

Dimensiunea Nanomaterialelor	Tipul Nanomaterialului	Exemple
Toate trei dimensiunile < 100 nm	Nanoparticule, puncte quantice, nanoshells, nanorings, microcapsule
Două dimensiuni < 100 nm	Nanotuburi, fibre, nano fire
O dimensiune < 100 nm	Filme subţiri, straturi şi învelişuri

Figura 3: Nanomaterialele sunt categorizate conform dimensiunii lor

CE FACE “NANO” ATÂT DE SPECIAL?

“Nano” înseamnă mic, foarte mic; dar de ce este atât de special? Există numeroase motive pentru care nanoştiinţa şi nanotehnologia promit atât de mult în materiale, inginerie şi ştiinţele conexe. În primul rând, la scară nanometrică, proprietăţile materiei, cum ar fi energia, se modifică. Aceasta este o consecinţă directă a dimensiunii reduse a nanomaterialelor, fizic explicabile ca fiind efectele cuantice. Consecinţa este că un material (de exemplu, un metal), atunci când este într-o formă de dimensiune nano poate avea proprietăţi care sunt foarte diferite de cele în cazul în care acelaşi material este într-o formă brută. Un exemplu simplu este metalul dintr-un inel de aur, care este în mod normal de culoare galbenă, cu toate acestea în cazul în care este micşorat la nivelul nanoparticulelor acesta devine roşu dacă este sferic şi fără culoare dacă este modelat într-un inel. Proprietăţi cum ar fi: conductivitatea electrică, culoarea, tăria şi greutatea se schimbă atunci când se ajunge la nivel de scară nanometrică. Acelaşi metal poate deveni un semiconducător sau un izolator la nivel de scară nanometrică. Aceasta deschide posibilitatea de a dezvolta noi game de materiale şi de a le îmbunătăţi pe cele existente. A doua proprietate excepţională a nanomaterialelor este că acestea pot fi fabricate de la cel mai simplu nivel, atom-cu-atom, cum sunt jocurile Lego ®, cu ajutorul unui proces numit tehnologie "de jos în sus".
Informaţia despre acest proces de fabricare este încorporată în materialul blocurilor de construcţie pentru ca acestea să se autoasambleze în produsul final. Conceptul de autoasamblare care este utilizat în nanotehnologie derivă din observaţia proceselor biologice naturale, moleculele se autoasamblează pentru a crea structuri complexe cu o precizie nanoscalară, precum este AND-ul dublu helix. Oamenii de ştiinţă au dezvoltat numeroase metode de fabricare “de jos în sus” cum ar fi: depunere chimică prin vapori, epitaxia fascicolului molecular, origami ADN şi chiar utilizarea unui vârf nanoscalar la un microscop de scanare prin tunelare (STM) sau pentru a muta atomii unul cate unul, pentru a elimina selectiv caracteristicile nano de pe o suprafaţă (Litografie de scanare a probelor) sau de a depozita biomoleculele cu o precizie nanoscalară (Nanolitografie Dip-Pen).

Nanomaterialele şi nano-acoperirile sunt, de asemenea, produse folosind metode de fabricare “de jos în sus”, precum ar fi: litografie coloidală, litografie prin nano-imprimare şi metode de microfabricare "convenţionale" precum este litografia cu fascicul. În general, omenii de ştiinţă au numeroase metode pentru fabricarea şi caracterizarea nanomaterialelor, cu un control excepţional asupra procesului de fabricaţie a nanomaterialului, prin urmare, introducând în produsul final noile proprietăţi şi funcţii. În acest fel, materiale noi cu proprietăţi adaptate pot fi fabricate. Aplicaţiile acestor materiale noi şi îmbunătăţite sunt vaste, de la electronică la medicină, de la materiale textile la automobile, de la materiale energetice (panouri solare, celule de combustie cu hidrogen, etc.) la filtre şi multe altele.

Î
Figura 4: Dacă materialul este desfăcut în bucăţi mai mici suprafaţa creşte
n cele din urmă, nanomaterialele sunt compuse din blocuri mai mici decât materialele brute şi una dintre cele mai importante consecinţe ale acestei reduceri de dimensiune este faptul că acestea au un raport suprafaţă-volum crescut (a se vedea Figura 4). Astfel, la un volum total al materialului, suprafaţa exterioară este substanţial mai mare în cazul în care provine dintr-un ansamblu de nanomaterial subunitar decât dacă ar proveni dintr-un material brut. Acest lucru are consecinţe importante pentru toate procesele care au loc la suprafaţa materialului. Din acest motiv, nanomaterialele sunt catalizatori care favorizează în mod special accelerarea reacţiilor chimice, de exemplu pentru industria auto şi în dispozitive de detectare, cum ar fi senzorii, pentru aplicaţii medicale şi de mediu. În plus, suprafaţa mărită în raport cu volumul a nanomaterialelor permite folosirea de mai puţin material, care poate avea beneficii economice şi de mediu şi facilitează obţinerea de dispozitive miniaturizate care pot fi portabile şi care folosesc mai puţină energie pentru a funcţiona.

FUNCŢII NOI ALE MATERIALELOR

Numeroase materiale la nanoscală prezintă proprietăţi excepţionale, precum argintul, aurul, semiconductorii: PbSe; în capitolele următoare vom descrie aceste proprietăţi şi modul în care acestea pot fi exploatate în aplicarea practică şi produse comerciale. Pentru a da un exemplu legat de proprietăţile speciale ale materialelor la scara nanometrică vă vom descrie în detaliu câteva forme alotropice ale carbonului, toate având aceeaşi atomi, de carbon, dar cu proprietăţi uimitoare şi diferite.

Aceeaşi atomi, material diferit

G

Figura 5: Diferite forme de alotropi de carbon. Imagine de Michael Ströc, (GNU Licenţă pentru documentaţie liberă).
rafitul şi diamantul sunt două forme pure (alotropice) ale carbonului, care au proprietăţi fizice aproape opuse: grafitul este moale, uşor, flexibil şi conduce electricitatea, în timp ce diamantul este extrem de rezistent, tare şi nu conduce electricitatea. În 1985, o nouă formă alotropică a carbonului a fost descoperită fiind formată din 60 de atomi de carbon legaţi între ei prin legături covalente simple, aranjaţi extrem de simetric într-o peliculă închisă care seamănă cu o minge de fotbal. Acest material a fost numit Buckminsterfullerene şi este adesea menţionat ca buckyball, fullerene sau pur şi simplu C60. De la descoperirea sa, fullerene cu 70, 80 şi chiar mai mulţi atomi de carbon au fost descoperiţi. La începutul anilor 1990, o formă nouă şi incredibilă de carbon a fost descoperită, nanotuburile de carbon. Acestea apar ca nişte foi de graphene rulate şi având capace la capete de tip fullerene, dar au proprietăţi complet diferite în comparaţie cu grafitul. Ele pot fi cu un singur perete (SWNTs) sau cu mai multi pereţi (MWNTs) şi pot avea proprietăţi metalice (comparabile sau chiar mai bune decât cuprul), sau pot fi semiconductori (ca şi siliciul din tranzistori), în funcţie de structura lor. Nanotuburile de carbon sunt interesante deoarece conductanţa electrică din ele este balistică (toţi electronii care intră într-un capăt al conductorului ies din celălalt capăt fără a se împrăştia, indiferent de distanţa parcursă). Nanotuburile de carbon pot fi, de asemenea, modificate pentru a uni alte molecule, ceea ce face acest material foarte util în aplicaţii biologice. Remarcabilele proprietăţi materiale ale nanotuburilor de carbon, cum ar fi rigiditatea, durabilitatea, conductivitatea electrică şi termică, fac din aceste nanomateriale un candidat avantajos pentru aplicaţii electronice, cabluri, interconectori, elemente de senzori şi dispozitive electronice moleculare.

Nanotuburile de carbon au proprietăţi mecanice extraordinare: prezicerile teoretice spun că sunt de 100 de ori mai puternice decât oţelul, dar au o şesime din greutatea sa. Prin urmare, acestea sunt ideale în construcţii uşoare, de exemplu : pentru industria automobilelor şi aviaţie.

Nanotuburile de carbon sunt un exemplu excelent de nanomateriale funcţionale noi, care sunt materiale cu proprietăţi excepţionale datorită nanostructurii lor şi a caror sinteză poate fi adaptată pentru a produce nanotuburi cu proprietăţi şi funcţii specifice. Acestea sunt deja folosite în unele produse de consum pentru a adăuga rezistenţă (fără a se compromite greutatea), cum ar fi rachetele de tenis (a se vedea Capitolul 6). Alte aplicaţii includ: nanomedicina (medicamente), mediu (senzori chimici), energie (supercapacitori, materiale de stocare a hidrogenului, celule solare), TIC (circuite integrate, hârtie electronică), materiale avansate pentru construcţii, transport, echipamente sportive şi multe altele.

Un alt nanomaterial interesant pe bază de carbon este grafenul, care este constituentul de bază al grafitului (materialul folosit în mina creionului). Grafenul este un strat de atomi de carbon de grosimea unui atom; deşi cel mai subţire material făcut vreodată, grafenul este cel mai rezistent material măsurat vreodată, aproximativ de 200 de ori mai puternic decât oţelul şi, de asemenea, cel mai conductibil material. Acest material a fost descoperit în 2004 de către Andre Geim şi Konstantin Novoselov (Universitatea din Manchester), care au folosit bandă adezivă pentru a exfolia în mod repetat bucăţile de grafit până acestea au ajuns de doar un singur atom grosime. Oamenii de ştiinta au investigat intensiv proprietăţile uimitoare ale grafenului şi au primit Premiul Nobel în Fizica în 2010 pentru studiile lor. Oamenii de ştiintă cred că grafenul în viitor ar putea fi utilizat pentru a face tranzistori super-rapizi şi, încorporat în materiale plastice, pentru a realiza electronice transparente pentru ecranele plate şi telefoanele mobile. Error: Reference source not found rezumă diferitele forme alotropice ale carbonului: imaginile de la stânga mijloc şi de jos dreapta sunt structurile de C60 şi respectiv un nanotub.