Smart materials
Inleiding
Smart Materials (Nederlands: slimme polymeren) is een verzamelnaam voor materialen die grote veranderingen in hun vorm ondergaan door externe invloeden.
De Dance Club Watt in Rotterdam heeft bijvoorbeeld een dansvloer die beweging omzet in energie. Modules van 65 bij 65 cm worden maximaal een centimeter ingedrukt waarbij een elektrisch effect het indrukken omzet in energie.
Enkele voorbeelden van slimme polymeren:
- Polymeren die electriciteit geleiden.
- Polymeren die van kleur veranderen.
- Polymeren die licht geven.
Jullie klas is een ontwerpteam van het Science Center Delft. De directie van het Science Center Delft heeft jullie gevraagd een tentoonstelling te bouwen rond het onderwerp Slimme Polymeren.
Wat ga je doen?
De contextvragen zijn:
- Hoe werken kleverige polymeren, elektrisch geleidende polymeren, lichtgevende polymeren en organische zonnecellen?
- Welke toepassingen hebben deze slimme polymeren?
Jullie gaan:
- Engage: drie artikelen lezen over slimme polymeren.
- Explore: in een aantal experimenten de werking van slimme polymeren onderzoeken.
- Explain: de theorie achter slimme polymeren ontsluiten.
- Evaluate: de tentoonstelling “Slimme polymeren wat kun je ermee” houden.
In de tabel staat hoeveel lessen je hier ongeveer mee bezig bent.
| Activiteit |
|
Max. aantal lessen |
| Engage |
Activiteit 1 |
1 |
| Explore |
Activiteit 2 |
1 |
| |
Activiteit 3 |
1 |
| |
Activiteit 4 |
1 |
| Explain |
Activiteit 5 |
1 |
| |
Activiteit 6 |
2 |
| |
Activiteit 7 |
1 |
| Evaluate |
Activiteit 8 |
1 |
| |
Totaal: |
9 |
Eindopdracht-Beoordeling
Je bent lid van het ontwerpteam van Science Center Delft.
De directie van het Science Center vraagt jullie om in het kader van de campagne: “Slimme polymeren wat kun je ermee?” de volgende opdrachten uit te voeren:
- Ontwerp op een creatieve manier een tentoonstelling / demonstratie over de werking en toepassingen van één van de slimme polymeren.
- Schrijf in eigen woorden een eindrapport voor de directie van het Science Center Delft. Hierin worden de antwoorden van onderstaande contextvragen geformuleerd:
- Hoe werken kleverige polymeren, elektrisch geleidende polymeren, lichtgevende polymeren en organische zonnecellen?
- Welke toepassingen hebben deze slimme polymeren?
Je zult antwoorden moeten geven op de volgende vragen:
- Wat zijn slimme polymeren?
- Hoe werken deze slimme polymeren?
- Welke toepassingen zijn er voor deze slimme polymeren?
- Hoe kun je dit alles laten zien in de vorm van een tentoonstelling?
- Welke vragen en opdrachten kun je daarbij maken zodat de bezoekers de werking en de achterliggende principes goed begrijpen?
Beoordeling
De beoordeling bestaat uit verschillende onderdelen:
- Proces: groepslogboek, werkplannen en praktische vaardigheden.
- Product: tentoonstelling plus eindrapport.
- Afsluitend proefwerk.
Samenwerken
Je klas wordt in ontwerpteams verdeeld, waardoor er groepen ontstaan van vier personen. Elke groep functioneert volgens het concept van samenwerkend leren, waarbij elk groepslid een andere rol krijgt toebedeeld. Je wisselt geregeld van rol. Daarnaast houdt elke groep een groepslogboek bij en levert dat na elke les digitaal in bij de docent, de Teammanager van Science Center Delft.
In het groepslogboek beschrijf je de activiteiten, geef je antwoord op alle vragen, presenteer je de resultaten van de experimenten en geef je een reflectie op al deze punten.
Jullie bestuderen gezamenlijk als groep de theorie en doen de experimenten. Maak een goede planning en zorg voor een goede taakverdeling. Uiteindelijk is ieder groepslid goed op de hoogte van de werking en toepassingen van alle genoemde soorten slimme polymeren ten behoeve van het eindrapport aan Science Center Delft.
Werkwijze
In de eerste les worden de groepen van vier personen gemaakt.
In je groepje van vier personen ga je een planning maken voor deze module.
De activiteiten 2, 4 en 5 mag je in je eigen volgorde doen.
Aan het begin van elke les doe je:
- De voorzitter bekijkt het commentaar dat de docent in het groepslogboek geschreven heeft en zorgt ervoor dat dit verwerkt wordt.
- Bespreek wat als huiswerk gedaan is. Iedereen krijgt beurtelings de gelegenheid om dit te vertellen en aan te geven wat hij/zij geleerd heeft en eventueel niet begrepen heeft.
- De secretaris houdt het groepslogboek bij.
- Verdeel de taken voor deze les.
- Voer deze taken uit.
Aan het eind van de les wordt het volgende besproken:
- Wie heeft wat gedaan?
- Zijn er dingen niet gedaan die afgesproken waren?
- Hoe vindt iedereen dat hij/zij zijn eigen taak gedaan heeft en hoe anderen hun taak hebben gedaan?
- Verdeel de taken die als huiswerk gedaan moeten worden.
- De secretaris houdt het groepslogboek bij.
Engage
Activiteit 1
01 - individueel
Lees ter oriëntatie op “Smart Materials” de volgende artikelen over slimme polymeren. Maak van elk artikel een korte samenvatting.
Formuleer per artikel een aantal vragen waar je antwoord op wil hebben. Behandel deze vragen vervolgens in je groepje.
Artikelen Smart Materials
Explore
Activiteit 2
Slime roept jeugdherinneringen op. Slime is nog steeds een populair stukje speelgoed dat in vrijwel geen enkel gezin ontbreekt.
Het is niet duur en in alle kleuren te koop. Denk eens terug hoe het voelt om met slime te spelen. Het voelt griezelig en onsmakelijk aan, net als een kleverige limonadefles. Het voelt vies en plakkerig en je moet je handen wassen om het plakkerige goedje van je handen af te krijgen. Hoe komt dit toch?
Aan de slag 1: Slime - teamopdracht
Voer de experimenten uit op de volgende pagina’s. In proef 1 ga je slime maken die je in proef 2 nodig hebt.
Activiteit 2 - Proef 1
Proef 1: Maken van Slime
Benodigdheden
- 5 g lijm (Hema-lijmstift)
- 4 mL water
- Druppeltje kleurstof |
- 4% Boraxoplossing (\(\small{N}{a}_{{{2}}}{B}_{{{4}}}{O}_{{{7}}}\))
- Bekerglaasje
- Roerstaafje |
Werkwijze
- Weeg ongeveer 5 g lijm af in een bekerglaasje. Doe er 4 mL water bij en een paar druppeltjes kleurstof.
- Roer het mengsel goed. Druppel dan een paar druppels 4% borax-oplossing toe.
- Roer het mengsel weer en ga door met toedruppelen en roeren tot er een klont aan de roerstaaf blijft zitten en loslaat van het bekerglas. Over het algemeen gebeurt dit na 15-20 druppels borax-oplossing.
- Voeg nog een paar druppels borax toe en roer nog eens goed.
- Pak de slijmerige stof uit het bekerglas en begin te kneden. Snel wordt het een vrij droge kneedmassa. Als het niet lukt, heb je teveel of te weinig borax toegevoegd. De slime is klaar.
Vraag
Hoe komt het dat de slime aan je handen plakt?
Activiteit 2 - Proef 2
Proef 2: Invloed van een base/zuur
Benodigdheden
- Slime uit proef 1
- 0,4 M NaOH-oplossing (natronloog)
- Handschoenen
- 0,4 M HCl-oplossing (zoutzuur)
Werkwijze
- Verdeel de slime in twee gelijke delen.
- Voeg aan een deel van de slime een paar druppels 0,4 M Natronloog toe en aan het andere deel een paar druppels 0,4 M zoutzuur.
Vraag
Wat is er met de slime gebeurd?
Activiteit 3
Aan de slag 2: Synthese - teamopdracht
De meeste leerboeken geven aan dat de belangrijkste materiaaleigenschap van kunststoffen is, dat zij zeer slechte geleiders zijn. Kunststof wordt vaak gebruikt als isolatiemateriaal van elektriciteitskabels en verschillende soorten elektrische apparaten. Uit recent onderzoek is echter gebleken dat bepaalde soorten polymeren wel degelijk de elektrische stroom kunnen geleiden. Hoe is dat mogelijk?
Bekijk de volgende experimenten van docent en/of TOA en maak de opdrachten.
Proef 3: Demonstratie-experiment synthese van nylon
Proef 4: Demonstraite-experiment synthese van polyaniline
Vragen
- Leg uit waarom je de draad met een föhn moet drogen.
- Zoek in Binas tabel 67A de structuurformule op van cellulose (grondstof verbandgaas) en geef een stukje van dit polymeer weer, waarbij alle koolstof- en waterstofatomen ook moeten worden weergegeven.
- Kan cellulose de elektrische stroom geleiden op grond van de getekende structuurformule? Licht je antwoord toe.
Activiteit 4
Zonne-energie is energie van de zon in de vorm van warmte en licht.
In zonneboilers wordt thermische zonne-energie omgezet in warmte.
In zonnepanelen met daarin veel zonnecellen wordt binnenvallend zonlicht direct omgezet in elektriciteit. Er zijn bijzondere polymeren die licht kunnen uitzenden als er een spanningsverschill wordt aangebracht. Kan dat ook andersom?
Aan de slag 3: Zonne-energie - teamopdracht
In de experimenten op de volgende pagina's gaan jullie zelf een zonnecel maken (proef 5). Deze moet uiteraard daarna wel getest worden (proef 6). Voer de experimenten uit op de volgende pagina’s.
Activiteit 4 - Proef 5
Proef 5: Maak je eigen zonnecel
Benodigdheden
- Glaselektrodes (een glasplaatje met een geleidende coating van witte titaan(IV)oxide)
- Kleurstof
- Demiwater
- Tang |
- Multimeter met meetkabels
- Potlood
- Paperclip
- Elektrolytoplossing (jood opgelost in een kaliumjodide-oplossing) |
Werkwijze
Stap 1 - De min-elektrode
Leg de glaselektrodes (een glasplaatje met een geleidende coating) met de witte titaan(IV)oxide laag in de gekozen kleurstofoplossing. Het titaan(IV)oxide moet naar boven wijzen en helemaal onder de vloeistof komen te liggen.
Na 5 – 10 minuten is de kleurstof volledig in de laag getrokken.
Spoel de elektrodes af met water, waarbij eventuele kleurstofresten moeten verdwijnen. Voorzichtig drogen of droog föhnen. Droge elektroden zijn lichter van kleur. Aan de kleur kun je zien of de elektroden droog zijn.
Stap 2 - De plus-elektrode
Bepaal eerst met een multimeter wat de geleidende kant is van de elektrode. Zet de multimeter op 200 Ω en houd de punten van de meetkabels op het glas. Als je de goede kant van het glas hebt meet je een waarde, anders komt er een ‘1’ of ‘OL’
PS: de hele proef mislukt als de verkeerde kant van het glas wordt gebruikt!
Leg een glasplaatje neer met de geleidende kant naar boven. Kleur het plaatje aan de geleidende kant zoveel mogelijk met een potlood. Blaas of tik achtergebleven poeder er af.
Stap 3 - De zonnecel bouwen
Buig een paperclip om tot een klemmetje. Dat gaat als volgt:
- Leg de paperclip plat op tafel en vouw hem open door het langste stuk omhoog te buigen.
- Klem beide pootjes van het langste stuk net boven het buigpunt in een tang.
- Buig vervolgens het uitstekende deel van het lange stuk terug.
Stap 4 - De glasplaatjes vastklemmen
Leg het glasplaatje neer met de potloodkant omhoog. Leg hier voorzichtig de min-elektrode (het gekleurde titaan(IV)oxide plaatje) bovenop. De gekleurde kant moet naar beneden, zodat beide gekleurde lagen binnenin zitten. Leg beide plaatjes niet precies op elkaar, zodat aan beide zijden een stukje glas uitsteekt met de geleidende coating, zoals in de figuur. Maak tenslotte de glasplaatjes aan elkaar vast met het zelf gemaakte klemmetje.
Stap 5 - Vullen met elektrolyt
Vul de zonnecel met elektrolytoplossing: jood opgelost in een kaliumjodide-oplossing: \(\small{I}_{{{3}}}-\). Breng een paar druppels elektrolyt aan op het vlak tussen de plaatjes, zie de figuur. De druppels worden vanzelf tussen de plaatjes ingezogen. Voeg eventueel druppels toe totdat het hele oppervlak tussen de plaatjes is volgezogen.
Activiteit 4 - Proef 6
Proef 6: Test je eigen zonnecel
In dit experiment ga je je zonnecel onderzoeken. Dit doe je door te kijken welke invloed verschillende lichtsterktes op de geleverde spanning heeft. Alvorens je de spanning kunt gaan meten moet je eigengemaakte zonnecel eerst tot 'leven' komen. Beide elektroden moeten nog met elkaar verbonden worden.
Benodigdheden
- Multimeter met twee krokodillenbekkabels - Je zelfgemaakte zonnecel
Werkwijze
- Sluit een multimeter met twee krokodillenbekkabels aan op de cel. Klem de rode meetdraad aan de plus-elektrode (potlood). De negatieve elektrode moet altijd naar de lichtbron toe gericht zijn.
- Door een aantal zonnecellen in serie aan te sluiten ontstaat een spanning waar apparaten echt op kunnen werken. Kijk of je genoeg spanning op kunt wekken om een apparaatje te laten werken. Noteer je bevindingen.
Bewaren
Wanneer de zonnecellen koel en donker worden bewaard zijn ze minstens een week houdbaar. De zonnecellen blijven werken totdat het elektrolyt verdampt is. De levensduur kan verlengd worden door op tijd elektrolyt bij te vullen. Na een aantal keer bijvullen zullen de zonnecellen echter zo verouderd zijn dat ze het niet goed genoeg meer doen.
Explain
Activiteit 5
De contextvragen zijn:
- Hoe werken kleverige polymeren, elektrisch geleidende polymeren, lichtgevende polymeren en organische zonnecellen?
- Welke toepassingen hebben deze slimme polymeren?
In activiteit 2 t/m 4 heb je een aantal proeven gezien en gedaan. In deze proeven heb je kennisgemaakt met de bijzondere eigenschappen van slimme polymeren. Maar hoe verklaar je deze eigenschappen?
02 - individueel
Lees de theorie en maak alle vragen.
Activiteit 6
Aan de slag 4: Slimme polymeren - teamopdracht
Stel het eindrapport op waarin de resultaten van het theoretische en experimentele onderzoek verwerkt zijn, inclusief de werking en de toepassingen van de verschillende soorten slimme polymeren. Maak er een kloppend geheel van. Geef hierin antwoord op de contextvragen:
- Hoe werken kleverige polymeren, elektrisch geleidende polymeren, lichtgevende polymeren en organische zonnecellen?
- Welke toepassingen hebben deze slimme polymeren?
Bouw de tentoonstelling rond slimme polymeren en zorg voor een goede opdracht en uitleg ebij.
Activiteit 7
03 - individueel
Bereid het proefwerk voor.
Leer de theorie die bij de verschillende soorten slimme polymeren hoort
en maak de voorbeeld toetsopgaven .
Evaluate
Activiteit 8
Aan de slag 5: Wat kun je ermee? - teamopdracht
Het grote moment is aangebroken!
De tentoonstelling: “Slimme polymeren – wat kun je ermee?” wordt gehouden.
Je zult in deze tentoonstelling antwoorden moeten geven op de volgende vragen:
- Wat zijn slimme polymeren?
- Hoe werken deze slimme polymeren?
- Welke toepassingen zijn er voor deze slimme polymeren?
- Hoe kun je dit alles laten zien in de vorm van een tentoonstelling?
- Welke vragen en opdrachten kun je daarbij maken zodat de bezoekers de werking en de achterliggende principes goed begrijpen?
Succes!
