Tras la Huella de una Nanopartícula  

Audiencia: Curso de Química – Nivel Superior

Tiempo de duración: 50 minutos

Fase: Aplicación

Objetivo(s)

Una vez finalizada la actividad, el estudiante

  •  describirá el movimiento al azar “Movimiento Browniano” de una nanopartícula.
  •  explicará porque ocurre el movimiento aleatorio de una nanopartícula.
  •  comparará el movimiento de las nanopartículas con el fin de comprender su naturaleza aleatoria.

Estándares de Contenido:

La estructura y los niveles de organización de la material.

        EM.Q.1 Describe la materia a base de sus propiedades características.

        EM.Q.1.1 Compara y contrasta las propiedades de las soluciones, suspensiones y coloides y provee ejemplos de estos tipos de mezclas.

Normas Nacionales sobre Contenidos de Ciencia:

UCP.1 Sistemas, orden y organización 

UCP. 2 Evidencias, modelos y explicación

B.2 Estructura y propiedades de la materia

B.4 Movimientos y fuerzas

Materiales: (Materiales para 8 grupos de estudiantes de 3 miembros cada uno.

  • 5 cajas de cartón con tapa
  • 10 transparencias 8.5” x 11”
  • 5 hojas de papel milimetrado
  • 50 círculos plásticos (beads) [3 colores diferentes - 10 por cada color]
  • lápices de colores o marcadores
  • regla
  • cinta adhesive

Instrucciones de la actividad:

Antes de trabajar la actividad se debe haber discutido en clase el tema de mezclas heterogéneas. Se recomienda trabajar en grupos de 3 estudiantes donde se dividan las labores de anotar, experimentar y sujetar. Preferiblemente se debe trabajar en mesas. Todos los materiales deben ser colocados sobre la mesa para su fácil acceso.

Inicio - (15 minutos)

Observar video o simulación de Movimiento Browniano. Discutir información general sobre nanopartículas y Movimiento Browniano. ( De ser posible puede preparar una demostración sobre el Movimiento Browniano con partículas de polen en agua para ser proyectadas utilizando un microscopio digital.)

Video sugerido tomado de You Tube: http://www.youtube.com/watch?v=hy-clLi8gHg,

Simulación sugerida: http://www.educaplus.org/play-122-Movimiento-browniano.html

Desarrollo - (25 minutos) Instrucciones generales del procedimiento

1. Pegarán el papel cuadriculado al fondo de la caja.

2. Colocarán la transparencia sobre el papel cuadriculado.

3. Colocarán las cuentas de plástico numeradas en el centro de la caja, cada una representará una posición en el movimiento de una nanopartícula

4. Taparán la caja y la agitaran, luego la colocaran sobre la mesa.

5. Retirarán la tapa con cuidado de no mover la caja.

6. Con el marcador del mismo color de la partícula marca la posición de cada cuenta colocando el número de la misma junto a la marca.

7. Repetirán el procedimiento desde el paso 3 para dos colores más.

8. Unirán cada punto siguiendo la secuencia de los números.

9. Una vez terminado compartirán sus datos con sus compañeros y llegarán a sus propias conclusiones.

Conclusión (10 min)

Los estudiantes deben contestar las siguientes preguntas incluidas en la hoja del estudiante:

a) ¿Cómo describirías el desplazamiento de la primera partícula?

b) ¿El desplazamiento ocurrió en una sola dirección? ¿Por qué?

c) ¿Si colocáramos todas las partículas (los tres colores) a la vez en la caja, obtendríamos siempre el  mismo desplazamiento? ¿Por qué?

d) Escoge a dos de tus compañeros y comparte los datos y obtén los de ellos, ¿Qué puedes decir del desplazamiento de tus partículas con respecto a los de tus compañeros?

e) ¿Las graficas obtenidas describen el movimiento browniano? Explica tu respuesta.

  • Utilizar tapas transparentes con el fin de que los estudiantes puedan observar la interacción entre partículas.
  • El estudiante buscará información sobre la contribución de Albert Einstein con respecto al estudio del comportamiento de las partículas y la ecuación que describe el desplazamiento cuadrático medio de una partícula.
  • Los estudiantes presenten modelos con el fin de describir el Movimiento Browniano.

Información de trasfondo:

Movimiento browniano, movimiento errático constante de partículas diminutas suspendidas en un líquido o un gas. Este fenómeno fue descubierto en 1827 por el botánico escocés Robert Brown. Debido a su movimiento propio, las moléculas del fluido chocan aleatoriamente con las partículas suspendidas y hacen que éstas se muevan. En 1905, Albert Einstein dio una explicación matemática del fenómeno y lo integró en la teoría cinética. El científico francés Jean Baptiste Perrin realizó una de las primeras estimaciones del número de Avogadro mediante un estudio cuantitativo del movimiento browniano.

Nanotecnología: es el estudio y desarrollo de sistemas en escala nanométrica , “nano” es un prefijo griego que significa “mil millones” aplicandolo a las unidades de medida ,corresponde a una mil millonésima parte de un metro (10^-9), es decir la nanotecnología estudia el mundo desde un nivel de resolución nanométrico entre 1 y 100 nanómetros aprox . hay que saber que un atomo mide menos de 1 nanómetro pero una molécula puede ser mayor, ahora se establece como limite superior 100 nanómetros puesto que bajo esta medida se observan propiedades especiales que se rigen bajo las leyes de la Mecánica Cuántica.

Referencias:

  • Viau, Javier E., Moro, Lucrecia E., Zamorano, Raúl O. y Szigety, V. (2008).Un modelo analógico como marco experimental para el movimiento browniano en la enseñanza media. Revista Iberoamericana de Educación. Nº 48/1. ISSN: 1681-5653
  • J.F. Rojas y M.A. Morales. (2010). Experimentos numéricos en el aula sobre fenómenos difusivos: difusión anómala en sistemas físicos y biológicos. Revista Mexicana de Física 56 (1) 41–50.
  • Núñez, Ramón, Barral, Miguel y Pérez, Marcos. (2005). La huella de Einstein. ISBN: 84-689-4110-7. http://mc2coruna.org/docs/unidad-didactica-einstein.pdf
  • Movimiento Browniano. Enciclopedia Microsoft ® Encarta ® 2002. © 1993-2001 Microsoft Corporation.
  • Gutiérrez, Gonzalo. (2009). Dissipative Particle Dynamics. Introducción al Método y Justificación Termodinámica, Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile. http://www.gnm.cl/ravelo/uploads/Main/Investigacion/informe_dpd.pdf

Hoja del estudiante: Desplazamiento de una partícula: MOVIMIENTO BROWNIANO

Instrucciones: Lee cuidadosamente el procedimiento, de tener dudas comunícate con el maestro para aclararlas. No comiences la actividad hasta que el maestro te lo indique. Realiza la labor cooperativamente. Registra tus observaciones en la libreta de laboratorio.

Procedimiento:

1. Coloca la transparencia sobre el papel cuadriculado.

2. Colocar las partículas del mismo color en el centro de la caja.

3. Tapar la caja con cuidado.

4. Agitar la caja y luego colocarla sobre la mesa.

5. Retirar la tapa lentamente evitando mover la caja.

6. Con el marcador permanente marcar la posición de la partícula anotando el número que representa.

7. Una vez marcada la posición de la partícula, retirar la transparencia de la caja y colocar otra.

8. Repetir el procedimiento para dos corridas más. Recuerde estamos simulando el cambio de posición de una partículas en un espacio de tiempo.

9. Al finalizar debes observar cada transparencia individualmente. Describe qué ves, anótalo en tu libreta.

10. Coloca una transparencia sobre la otra, ahora describe qué ves y anótalo en tu libreta

11. Separa las transparencias y en cada una conecta los puntos con ayuda de la regla, siguiendo el orden numérico de los puntos marcados en la transparencia. (Esto representará la trayectoria del desplazamiento de una partícula en un intervalo de tiempo)

12. Contesta las siguientes preguntas en tu libreta de laboratorio

a) Describe el desplazamiento de las partículas

b) ¿El desplazamiento ocurrió en una sola dirección? ¿Por qué?

c) ¿Si colocáramos todas las partículas (los tres colores) en la caja obtendríamos siempre el mismo desplazamiento? ¿Por qué?

Conclusión

        Escoge a dos de tus compañeros y comparte los datos y obtén los de ellos, ¿Qué puedes decir del desplazamiento de tus partículas con respecto a los de tus compañeros?

        Describe en tus propias palabras cómo es el movimiento de una partícula.

Extensión del aprendizaje (asignación)

Buscar información sobre la contribución de Albert Einstein con respecto al estudio del comportamiento de las partículas y la ecuación que describe el desplazamiento cuadrático medio de una partícula.

 Extensión del aprendizaje

       

 

Chasing a trail of a Nanoparticle Audience:

Audience: Chemistry Course - Higher Level

Running time: 50 minutes

Phase: Application

Objective (s)

  • After the activity, the student will
  • describe the random motion, "Brownian motion", of a nanoparticle
  • explain why the random motion of a nanoparticle occurs
  • compare the movement of nanoparticles in order to understand its random nature

Content standards:

        EM.Q.1 The structure and levels of organization of the matter.

        EM.Q.1.1 Describe matter based on its properties. Compare and contrast the properties of solutions, suspensions and colloids, and provides examples of these types of mixtures.

National Standards for Science Content:

        UCP.1 Systems, order and organization

        UCP. 2 Evidence, models and explanation

        B.2 Structure and properties of matter

        B.4 Motions and forces

Materials: (Materials for 5 groups of students, 3 members each)

        5 cardboard boxes with lids 5 sets of 3 transparencies 8.5" x 11"

        5 sheets of graph paper

        5 sets of 30 plastic dots [3 different colors - 10 of each color labeled with a number from 1 to 10]

        3 crayons or markers [same color as the plastic dots]

        metric ruler

        tape

Activity instructions:

Before the activity realization, the topic about heterogeneous mixtures should be discussed in class. It is recommended that each group divides the tasks of taking notes, experimenting and assisting among the 3 students. Preferably, the group should work in a table. All materials should be placed over the table for easy access.

Beginning - (15 minutes)

Watch a video or simulation about Brownian motion. Discuss general information about nanoparticles and Brownian motion. (If possible, a demonstration can be done to show the Brownian motion of pollen particles in water. The process can be shown using projection with a digital microscope.)

Suggested Video taken from You Tube: http://www.youtube.com/watch?v=hy-clLi8gHg, Simulation suggested: http://www.educaplus.org/play-122-Movimiento-browniano.html

Development - (25 minutes) General procedural instructions The students will:

        1. Use the tape to attach the graph paper to the bottom of the box.

        2. Place a transparency over the graph paper.

        3. Place a set of 10 plastic dots (same color) in the center of the box. Each circle represents a position in the movement of a nanoparticle.

        4. Cover the box with the lid, shake the box, and then place the box over the table.

        5. Carefully, remove the lid from the box without moving the box from its position.

        6. Use the marker/crayon, of the same color as the plastic dots, to make a mark (dot/cross/circle) in the transparency for each plastic dot. The students will be careful not to move the other dots from their position while making the marks. Then, they will write, next to the mark, the corresponding number according to the label in the dot.

        7. Repeat the procedure from step 3 to 6 for the remaining two colors. A new transparency should be used for each color.

        8. Use the rule to trace lines between the marks using the numeric sequence.

        9. Once finished, share the data with peers and make their own conclusions.

Conclusion (10 min)

Students must answer the following questions on the student sheet.

        a) How would you describe the offset of the first particle?

        b) Did the displacement occur in only one direction? Why?

        c) If we put all particles (three colors) inside the box, will we always get the same displacement? Why?

        d) Choose two of your peers and share your data and get theirs, what can you say about your particle displacement with respect to those of your peers?

        e) Do the graphs obtained describe the Brownian motion? Explain your answer.

Suggested future work

Use transparent lids to cover the boxes so the students can observe the interaction between particles. The student will search for information about the contribution of Albert Einstein with regard to the study of the behavior of particles and the equation describing the mean square displacement of a particle. Students present their own models to describe the Brownian motion.

Background Information:

Brownian motion: constant erratic movement of tiny particles suspended in a liquid or gas. This phenomenon was discovered in 1827 by the Scottish botanist Robert Brown. Due to its proper motion, the fluid molecules randomly collide with suspended particles and cause them to move. In 1905, Albert Einstein gave a mathematical explanation of the phenomenon and integrated it into kinetic theory. The French scientist Jean Baptiste Perrin performed one of the first estimates of Avogadro's number by a quantitative study of Brownian motion.

Nanotechnology: the study and development of nanoscale systems, "nano" is a Greek prefix meaning "one billion" applied to units of measurement, it corresponds to a billionth of a meter (10 -9); so nanotechnology explores the world from a nanometric level of resolution between 1 and 100 nanometers (nm) approximately. An atom is less than 1 nm but a molecule can be bigger; now, the upper limit is set to 100 nanometers because under this measure special properties that are governed by the laws of quantum mechanics are observed.

References:

Viau, Javier E., Moro, Lucretia E., Zamorano, Raul O. and Szigety, V. (2008). An experimental analogue model as a framework for the Brownian motion in high school. Latin American Journal of Education. No. 48 / 1. ISSN: 1681-5653

J.F. Rojas and M.A. Morales. (2010). Numerical experiments in the classroom on diffusive phenomena: anomalous diffusion in physical and biological systems. Mexican Journal of Physics 56 (1) 41-50.

Nunez, Ramon, Barral, Miguel Perez, Marcos. (2005). The trace of Einstein. ISBN: 84-689 - 4110-7. http://mc2coruna.org/docs/unidad-didactica-einstein.pdf

Brownian motion. Microsoft ® Encarta ® Encyclopedia 2002. © 1993-2001 Microsoft Corporation.

Gutiérrez, Gonzalo. (2009). Dissipative Particle Dynamics. Introduction to Method and Justification Thermodynamics, Department of Physics, Faculty of Science, University of Chile. http://www.gnm.cl/ravelo/uploads/Main/Investigacion/informe_dpd.pdf

Author

        RET Fellow: Milagros Acosta Vega

        RET Leadership Team: Dr. Nelson Cardona

        Coordinator - Samirah Mercado

        Scientist sponsors - Dr. Rinaldi - Dennisse Soto Aquino

       

 

Student Sheet: Chasing a trail of a Nanoparticle

Displacement of a particle: Brownian Motion

Instructions: Read carefully the procedure, if you have any questions please contact the teacher for clarification. Do not begin the activity until the teacher tells you to. The group will perform the work cooperatively. Record your observations in the laboratory notebook.

Procedure:

        1. Place a graph paper in the bottom of a box and keep it in place with tape.

        2. Place a transparency over the graph paper.

        3. Place the particles (plastic dots) of one same color in the center of the box.

        4. Carefully seal the box with the lid.

        5. Shake the box and place it on the table.

        6. Remove the lid slowly to avoid moving the box.

        7. With a permanent marker/crayon of the same color as the particles, mark in the transparency (with a dot/cross/circle) the position of each particle. Write next to each mark the number corresponding to the label over the particle. Avoid moving the other particles out of place while making the marks.

        8. Once all particles are marked, remove the transparency from the box and place another. 8. Repeat the steps from 3 to 8 for the remaining two colors. Remember we are simulating the change of position of a particle in a time interval.

        9. After finishing the procedure with the 3 sets of colored particles, analyze each transparency individually. Describe what you see for each transparency; write it down in your notebook.

        10. Now, put the three transparencies together, one on top of the other. Describe what you see, write it down in your notebook.

        11. In each transparency, connect the dots with the help of the rule, following the numerical order stated in the marks over the transparency. (This represents the path of motion of a particle in a time interval.) Compare the trace of the particles in each transparency to see if the particles follow the same pattern.

        12. Answer the following questions in your laboratory notebook.

        a) Describe the movement of particles

        b) Did the displacement occur in one direction? Why?

        c) If we put all particles (three colors) in the box, will we always get the same displacement? Why?

Conclusion

Pick two of your peers (from 2 different groups) and share your data and get theirs, what can you say about your particle displacement with respect to those of your peers? Describe in your own words how is the motion of a particle.

Extended learning (homework)

Find information on the contribution of Albert Einstein with regard to the study of the behavior of particles and the equation describing the mean square displacement of a particle.

extended learning