Тема: Композиты и нанокомпозиты, их применение. Умные материалы и их применение. Аллотропные соединения углерода.

  План урока

Перейти к поиску

Цели Ученики смогут: Определить использование наноструктур в различных технологиях.  Написать свои наблюдения и выводы Подготовка Убедитесь, что у каждого ученика есть дневник. Подготовьте практический материал для каждой группы из 2-4 учеников. Покажите источники, на которые ученики могут ссылаться на протяжении всего урока. (Необязательно) Распечатайте один пакет практических заданий  на группу из 4 учеников.
Совет Головы вверх! Пожалуйста, сделайте копию любых документов, которыми вы готовы поделиться с учениками. Для экономии бумаги печатайте две страницы на одной с обеих сторон.
Словарь ...

Повестка дня

• 1. Разминка (10 мин)
  2. Мои технологичные друзья Обзор
  3. Активность (30 мин)
  4. __________________
  5. __________________
  6. Подведение итогов (5 мин)
  7. Деятельность по распространению знаний

Резюме
ДИАПАЗОН ОЦЕНОК
1-2 место

РАЗМЕР ГРУППЫ
2-4 ученика

АКТИВНОЕ ВРЕМЯ
45 минут

ОБЩЕЕ ВРЕМЯ
45 минут

ОБЛАСТЬ НАУКИ
Материаловедение

КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ
Материаловедение, свойства материалов

ОБЗОР

Этот урок исследует, как ..

Вы узнаете:

• 
  

Цели

Ученики будут:

• Иметь базовое представление о том что такое ...
• Знать о том, где применяются эти ...
• Узнайте, что ..., может ...
• Узнайте о важности дисциплины и командной работы.

Ожидаемые результаты учащихся

После этого урока учащиеся смогут:

• Определить ...
• Объяснить как происходит ...
• Описать, свойства этих материалов

Уроки

В конце этого урока проводится очень простая практическая демонстрация принципа работы ..., который можно собрать в классе. 

Проведите исследование, чтобы определить ...

Объясните с доказательствами, что ...

Этот урок фокусируется на следующих аспектах трехмерного обучения:

Научная и инженерная практика	Ключевые дисциплинарные идеи	Сквозные концепции
Планирование и проведение расследований. Планируйте и проводите совместное расследование, чтобы получить данные, которые послужат основой для доказательства, чтобы ответить на вопрос. Участие в аргументации, основанной на доказательствах. Постройте аргумент с доказательствами в поддержку утверждения.	Структура и свойства материи. Существуют различные виды материи, и многие из них могут быть как твердыми, так и жидкими, в зависимости от температуры. Материя может быть описана и классифицирована по ее наблюдаемым свойствам.	Узоры. Можно наблюдать закономерности в мире природы и преобразованном человеком.

Материалы и подготовка

Строительные материалы (для каждой команды) Требуемые материалы

 

 

Задача инженерного проектирования

Вызов дизайна Вы являетесь частью команды инженеров, перед которыми стоит задача провести мозговой штурм идей о том, как данные технологии могут помочь улучшить жизнь ... Ваша команда должна подготовить предложение потенциальной финансирующей организации, чтобы запросить финансирование исследований. Вам нужно будет объяснить, почему вы думаете, что ваше новое технологическое решение может работать, и как оно улучшит продукт или процесс. Это официальная презентация, и вы можете подготовить диаграммы или плакаты для презентации — все, что может произвести впечатление на ваших потенциальных спонсоров. Чтобы подстегнуть ваше воображение, ваша команда сначала прочитает пресс-релиз в рабочем листе для учащихся. Пресс-релиз посвящен новым исследованиям в области применения данных технологий. Инновация включает в себя ... Было обнаружено, что ... Критерии Прочитайте пресс-релиз. Подготовьте заявку на получение финансирования. Ограничения Используйте только предоставленные материалы.

 

 

Инструкции и процедуры деятельности

1.     Разбейте класс на команды по 2-3 человека. 2.     Раздайте рабочий лист «...», а также ... 3.     Обсудите темы в разделе «Основные понятия». 4.     Ознакомьтесь с процессом инженерного проектирования, задачами проектирования, критериями, ограничениями и материалами. 5.     Обеспечьте каждую команду своими материалами. 6.     Объясните, что учащиеся должны ... 7.     Объявите, сколько времени у них есть на выполнение урока (рекомендуется 45 мин). 8.     Используйте таймер или онлайн-секундомер (функция обратного отсчета), чтобы следить за временем. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Дайте учащимся регулярные «проверки времени», чтобы они не отвлекались от задания. Если они борются, задавайте вопросы, которые быстрее приведут их к решению. 9.     Учащиеся встречаются и разрабатывают план ..., а затем завершают урок. 10.        Учащиеся (занимаются исследованием). Далее они работают над новым заданием и разрабатывают презентацию. 11.        Всем классом обсудите вопросы для размышления учащихся. 12.        Дополнительную информацию по теме см. в разделе «Копаем глубже». Вариация Для младших школьников ... Рефлексия учащегося (тетрадь инженерная) 1.     Какое (исследование) вы выполнили? 2.     Какое применение технологий, представленное другой командой, показалось вам наиболее интересным? Почему? 3.     Какой самый интересный аспект технологии вы узнали на этом уроке? Модификация времени Урок можно провести всего за 1 урок для старших школьников. Однако, чтобы помочь учащимся не торопиться и обеспечить их успех (особенно для младших школьников), разделите урок на два периода, чтобы дать учащимся больше времени для мозгового штурма, проверки идей и окончательной доработки своего дизайна. Проведите тестирование и подведите итоги на следующем занятии.

 

Процесс инженерного проектирования

Смотрим видео

 

Основные понятия

Композиты Композиционный материа́л (КМ), сокращённо компози́т — многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов.  В составе композита принято выделять матрицу и наполнитель для армирования.  В качестве наполнителей используются углеродные или стеклянные волокна, а роль матрицы играет полимер.  Сочетание разных компонентов позволяет улучшить характеристики материала и делает его одновременно лёгким и прочным.  Применение Применяется для облегчения массы конструкции при сохранении или улучшении её механических характеристик.    Нанокомпозиты Промышленная керамика известна своей прочностью, но также она имеет большую плотность и хрупкость. Для того, чтобы получать материалы с желаемыми свойствами, ученые разрабатывают композиты, объединяющие сразу несколько материалов с разным набором качеств. Графен и кирамика Исследователи решили использовать такой же подход, и прообразовать свойства керамики на основе оксида алюминия с помощью графена. Их идея основывалась на данных о том, что включения графена улучшают механические свойства хрупких материалов, а уменьшение размера зерна значительно повышает прочность керамики. Сначала они создали графеновый аэрогель с напоминающей соты структурой. Стоит отметить, что в данном случае под графеном ученые подразумевают не одноатомный слой из атомов углерода, а множество слоев. Затем с помощью атомно-слоевого осаждения на графеновую структуру наносился небольшой слой керамики толщиной около десяти нанометров. Изображение и схематическое представление структуры композита. Qiangqiang Zhang et al. / Advanced Materials, 2017 В итоге исследователи получили композит с довольно необычным набором свойств. Он имеет крайне низкую плотность — порядка десятков миллиграмм на кубический сантиметр в зависимости от толщины керамического слоя и других параметров. Для сравнения ученые утверждают, что материал получился легче, чем перо. Также композит обладает высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что делает его привлекательным для теплоизоляции или защиты от огня. Исследователи продемонстрировали это, держа кусок материала над горелкой: Нанокомпозит – это многокомпонентный твердый материал, в котором хотя бы один компонент снабжен средним параметром кристаллитов (зерен) в нанодиапазоне (до 100 наномикрон, нм).  В качестве компонента для нанокомпозита чаще всего выступают полимеры, металлы, силикаты или керамика.  Существуют естественные (природные) и искусственно синтезированные нанокомпозиты. Примерами природных нанокомпозитов служат различные глины, кость. Нанокомпозиты также имеют свои термические, механические, оптические, электрические и каталитические свойства, которые различаются от составляющих материалов, входящих в нанокомпозит. Отличие нанокомпозитов от простых композитов состоит в высоком соотношении типичных размеров.  Умные материалы и их применение Умные материалы представляют собой новое поколение материалов, которые способны реагировать на атмосферное давление, температуру, изменений в химическом составе и другие параметры. Аэрогель Материалы с памятью формы Высокотемпературные сверхпроводники Стекло с редкоземельными металлами ДНК — коробочки Метаматериалы Гидрофобные покрытия Биоразлагаемые материалы Перовскит К группе умных материалов относят адаптивные материалы: Меняющиеся, в которые вводят детекторы (в виде волокон, пленок и других элементов), изменяющие свои характеристики при внешних воздействиях. Реактивные — сами реагируют на внешние воздействия. Интеллектуальные — не только реагируют на внешние воздействия, но и сами обеспечивают устранение их последствий, то есть самовосстанавливаются. Пьезоэлектрические материалы составляют самую большую долю на рынке. Механические деформации или напряжения могут вызывать электрические диполи в этих материалах, которые генерируют электричество. Пьезоэлектричество может генерироваться различными источниками, включая природные кристаллы и синтетические кристаллы. Аллотропные соединения углерода Понятия «Аллотропия» имеет древнегреческие корни: αλλος — другой, τροπος — свойство.  Аллотропия — существование двух и более простых веществ одного и того же вещества. Углерод — вещество с самым большим числом аллотропических модификаций (более 8 уже обнаружены).   Аллотропные модификации углерода по своим свойствам наиболее сильно отличаются друг от друга, от мягкого к твёрдому, непрозрачного к прозрачному, абразивного к смазочному, недорогого к дорогому. Эти аллотропы включают аморфные аллотропы углерода (уголь, сажа), нанопена, кристаллические аллотропы — нанотрубка, алмаз, фуллерены, графит, лонсдейлит и церафит. Алмаз является одним из наиболее известных аллотропов углерода, чья твёрдость и высокая степень рассеивания света делает его полезным в промышленном применении и в ювелирных изделиях. Алмаз — самый твёрдый известный природный минерал, что делает его отличным абразивом и позволяет использовать для шлифовки и полировки.  Графит (с греческого графен — «тянуть/писать», использовался в карандашах) — один из самых обычных аллотропов углерода. Его плотность — 2.3, она меньше чем у алмаза.  Другие возможные формы Чаоит — минерал, который, как считают, сформирован под воздействием ударов метеоритов. Он описывается как несколько более твёрдый, чем графит, с отблеском от серого до белого цвета. Тем не менее, существование такого состояния углерода считается спорным. Металлический углерод — теоретические исследования показали, что в фазовой диаграмме углерода в области очень высоких давлений есть области, где он металлический. Также показано, что в этих условиях углерод может стать сверхпроводящим при очень низкой температуре (4 кельвина). Диуглерод — метастабильные частицы С2

 

Копать глубже

Интернет-соединения Умные материалы https://extxe.com/28923/umnye-materialy-vidy-i-tehnologii-umnyh-materialov/ Нанокомпозит https://www.nanonewsnet.ru/news/2017/grafen-keramiku-obedinili-v-legkii-prochnyi-nanokompozit Рекомендуемое чтение  Письменная деятельность Напишите эссе или абзац о том, как нанотехнологии могут повлиять на освоение космоса

 

 

 

Согласование учебной программы

Учащиеся получат представление о характеристиках и области применения технологий. Учащиеся разовьют понимание отношений между технологиями и связей между технологиями и другими областями обучения. Учащиеся разовьют понимание культурных, социальных, экономических и политических последствий технологий. Учащиеся будут понимать роль общества в развитии и использовании технологий. Учащиеся разовьют понимание инженерного проектирования. Стандарты технологической грамотности – для всех возрастов (продолжение) Учащиеся разовьют способность оценивать влияние продуктов и систем. Учащиеся разовьют понимание и смогут выбирать и использовать медицинские технологии. Учащиеся получат понимание и смогут выбирать и использовать производственные технологии.

 

 

 

Рабочий лист

(Аналитическое задания)  ... Поверхностная активность Вы являетесь частью команды инженеров, перед которыми стоит задача оценить, как ... Вам дали несколько ... Вам нужно будет ... Используйте приведенную ниже таблицу, чтобы обозначить свои выводы:

 

Активность наноразмерных приложений Вы являетесь частью команды инженеров, перед которыми стоит задача провести мозговой штурм идей о том, как нанотехнологии могут помочь улучшить жизнь на Земле или в космосе. Чтобы подстегнуть ваше воображение, ваша команда сначала прочитает следующий пресс-релиз о данной технологии. ...   Этап мозгового штурма Соберитесь в команде и обсудите, что вы узнали за урок. Затем в группе подумайте о новинках в этой области и о том, как, по вашему мнению, данная технология может стать продуктом, процессом или чем-то еще лучшим. Вы можете выбрать любую отрасль. Презентационный этап Подготовьте предложение потенциальной финансирующей организации, у которой вы будете запрашивать финансирование исследований. Вам нужно будет объяснить, почему вы думаете, что ваше новое нанотехнологическое приложение может работать, и как оно улучшит продукт или процесс. Это официальная презентация, и вы можете подготовить диаграммы или плакаты для презентации — все, что может произвести впечатление на ваших потенциальных спонсоров. Будьте готовы ответить на вопросы аудитории! Финансирование Каждый учащийся в классе может проголосовать за одно предложение любой команды, кроме своей собственной, для финансирования. Презентации, набравшие наибольшее количество голосов, занимают первое место! Этап оценки Ответьте на следующие вопросы в группе: 1.