PoznÁvacÍ blok „Papier a kvapaliny“
Popis aktivít

Papier zblízka - abstrahovanie

Pomôcky: dataprojektor, počítač


1. Elektrónová mikroskopia

Časová náročnosť: 15 – 30 minút

Metodika: Počas poznávania pevnosti papiera aj v súvislosti s poznávaním vzťahu papiera a kvapalín sme dospeli k presvedčeniu, že makroskopické vlastnosti papiera sú prejavom jeho mikroskopickej štruktúry. Učiteľ usmerňuje úvahy žiakov. Napríklad: Ako sa možno presvedčiť o mikroskopickej štruktúre papiera? Ako ju možno zviditeľniť? Poskytuje lupa dostatočné zväčšenie? Aké najmenšie veci možno zviditeľniť pomocou svetelného mikroskopu? Ako možno odhaliť menšie štruktúry?
Spoločne tvorené odpovede môže učiteľ podporiť powerpointovou prezentáciou objasňujúcou činnosť elektrónového mikroskopu a ukážkami mikroskopických snímok rôznych druhov papiera.

Čo možno oceniť: kvalitu žiackych otázok, vedecký prístup.

Skúsenosti: Počas letného fyzikálneho tábora SCHOLA LUDUS: Experimentáreň 2009 sme na odhalenie mikroskopickej štruktúry papiera využili možnosť návštevy laboratória elektrónovej mikroskopie Katedry experimentálnej fyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave.
Deti porovnávali vzorky piatich druhov papiera, ktoré si mohli chytiť a pozrieť voľným okom a pozrieť aj v elektrónovom mikroskope.
Na záberoch rôznych druhov papiera pri 1000-násobnom zväčšení možno vidieť dlhé zväzky tvorené celulózovými vláknami a častice prísad použitých pri výrobe papiera. Na zábere vysokokvalitného kancelárskeho papiera je viditeľné jemnejšie rozvláknenie papierovej hmoty a výraznejšie zastúpenie prísad upravujúcich vlastnosti papiera. V obchodnej charakteristike použitého fotopapiera je deklarovaná „nanoštruktúra papiera“. Pri 1000-násobnom zväčšení (pohľad na úroveň „mikro“) ešte nie je štruktúra papiera viditeľná, v pravej hornej časti obrázka je viditeľná prachová častica.

100 x	500 x	1000 x	2000 x	3000 x

Bežný kancelársky papier	Vysokokvalitný kancelársky papier	Fotopapier	Novinový papier

Deti sa na exkurzii dozvedeli základné informácie o princípoch svetelného (optického) a elektrónového mikroskopu a o možnostiach ich využitia.

Elektrónový mikroskop využíva na ožiarenie vzorky a vytvorenie jej zväčšeného obrazu prúd elektrónov. Má oveľa väčšie zväčšenie a väčšiu rozlišovaciu schopnosť ako optické mikroskopy využívajúce svetlo. Rozlíšenie oboch mikroskopov - svetelného aj elektrónového je obmedzené vlnovou dĺžkou požitého žiarenia (de Broglieho vlnová dĺžka elektrónov používaných v elektrónových mikroskopoch je oveľa menšia ako vlnová dĺžka fotónov viditeľného svetla). Na usmernenie toku elektrónov sa používa elektrostatické alebo elektromagnetické pole.

TEM – Transmisný elektrónový mikroskop využíva elektrónový lúč vyžarovaný z katódy a urýchľovaný vysokým napätím. Časť elektrónov priamo prejde vzorkou a časť sa rozptýli. Vzorka tak vytvára „tieň“. Elektrónový lúč vychádzajúci zo vzorky nesie informáciu o jej štruktúre – „obraz“, ktorý je zväčšený sústavou šošoviek objektívu a premietnutý na fluorescenčný povrch. Najlepšie TEM dosahujú až 50-miliónnásobné zväčšenie (rozlišuje objekty menšie ako 50 pm = 0,5 Angstrom).

SEM – Skenovací elektrónový mikroskop nenesie v elektrónovom lúči informáciu celej vzorky (celý obraz). Lúč skenuje – prezerá vzorku v pravouhlom rastri. V každom bode vzorky sa časť energie elektrónového lúča sa zmení na inú formu energie: teplo, energiu nízkoenergetických sekundárnych elektrónov, svetlo, alebo röntgenové žiarenie. Zmeny intenzity ktoréhokoľvek z uvedených signálov v jednotlivých bodoch vzorky sa pretransformujú na bod obrazu s pozíciou zodpovedajúcou pozícii elektrónového lúča na vzorke. Vo väčšine SEM sa ako jeden zo signálov na tvorbu obrazu využívajú sekundárne elektróny. Vo všeobecnosti dosahujú SEM rozlíšenie o jeden rád menšie ako TEM. Pretože SEM zobrazujú povrchové procesy a nie prechod elektrónov vzorkou, možno SEM použiť na zobrazenie povrchu vzoriek s hrúbkou až niekoľko cm. Poskytujú obraz s veľkou hĺbkou ostrosti, ktorý je dobrou reprezentáciou trojrozmerného tvaru vzorky (napr. snímky hmyzu).

STM – Skenovací tunelový mikroskop je založený na kvantovom tunelovom jave. Elektricky vodivý hrot sa priloží veľmi blízko snímaného povrchu. Rozdiel elektrických potenciálov medzi hrotom a vzorkou spôsobí prechod elektrónov z hrotu do vzorky. Meria sa tunelovací prúd, jeho veľkosť sa transformuje na obrazový výstup. STM má rozlíšenie rádovo desiatky pm, umožňuje zobrazovať atómy.
Aby boli vzorky viditeľné pod elektrónovým mikroskopom, je potrebné ich vopred upraviť. Používajú sa rôzne techniky v závislosti od druhu vzorky a požadovanej analýzy. Ak chceme skenovacím elektrónovým mikroskopom zobraziť vzorku z nevodivého materiálu, je potrené ju najprv pokovovať, aby sa na vzorke nehromadil elektrický náboj a nevzniklo tak elektrostatické pole. Na pokovovanie sa používa napríklad zlato, platina, volfrám alebo grafit. Proces pokovovania je však riskantný z hľadiska poškodenia jemných, krehkých vzoriek. Biologické vzorky musia byť zvlášť upravované chemickou fixáciou bielkovín a lipidov, hlbokým zmrazením, dehydrovaním, narezaním na ultratenké vrstvy a osadením vzorky do živice, prípadne aj nanesením vrstvy ťažkého kovu na zvýšenie kontrastu jednotlivých štruktúr. Vzorky sa najčastejšie skúmajú vo vákuu, aby molekuly tvoriace vzduch nerozptyľovali zväzok elektrónov.
Elektrónové mikroskopy sa používajú na skúmanie biologických materiálov (napríklad mikroorganizmov alebo buniek), na skúmanie veľkých molekúl, kryštalických štruktúr a charakteristík rôznych povrchov. Používajú sa tiež na kontrolu kvality a analýzu v priemysle, obzvlášť v oblasti polovodičových technológií.
Pozn.: Obraz získaný elektrónovým mikroskopom nie je farebný, farebné kódovanie je dodatočné.
Ďalšie informácie o elektrónovej mikroskopii možno nájsť napríklad v [2].


2. Opracovanie povrchu plazmou

Časová náročnosť: 10 – 20 minút

Metodika: Počas aktivity „Meranie savosti papiera“ sme zistili, že o savosti papiera spolurozhoduje jeho povrchová úprava. Vieme, že molekula vody je polárna. Celulóza je tiež polárna. Povrchovo neupravený papier teda vodu nasáva veľmi dobre.
Učiteľ usmerňuje úvahy žiakov. Napríklad: Ako možno zmeniť vlastnosti molekúl povrchovej vrstvy? Je možná aj nechemická zmena vlastností látok? Ako vplýva elektrické pole na vlastnosti látok? ...
Spoločne tvorené odpovede učiteľ môže podporiť powerpointovou prezentáciou.

Čo možno oceniť: kvalitu žiackych otázok, vedecký prístup.

Skúsenosti: Počas letného fyzikálneho tábora SCHOLA LUDUS: Experimentáreň 2009 sme využili možnosť návštevy laboratória fyziky plazmy Katedry experimentálnej fyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave.

Deti videli povrchovú úpravu netkaných textílií, ako aj úpravu prinesenej vzorky kriedového papiera s nízkou savosťou. Porovnávali priesak vody vzorkou kriedového papiera a vzorkou rovnakého druhu papiera po úprave plazmou.

Deti sa na exkurzii dozvedeli základné informácie o plazme a o jej využití pri povrchovej úprave materiálov.
O plazme hovoríme ako o štvrtom skupenstve hmoty. Je to ionizovaný plyn. Obsahuje elektróny, kladne alebo záporne nabité ióny, elektricky neutrálne, ale vysokoreaktívne voľné radikály, elektromagnetické žiarenie – fotóny a neutrálny plyn. K ionizácii plynu dochádza, keď sa vonkajším zásahom z neutrálnych atómov odtrhávajú elektróny. Vznikajú tak voľné elektróny a kladné ióny. Voľné elektróny môžu byť usmernené a urýchlené elektrickým poľom. Tak získajú dostatočnú energiu na to, aby pri zrážke s neutrálnou molekulou alebo atómom neboli zachytené a nevytvorili záporný ión, ale aby vyrazili z neutrálneho atómu ďalší elektrón. Tak vznikne z ďalšej neutrálnej častice kladný ión a ďalší elektrón. Môže vzniknúť lavínový proces. V plyne prebieha elektrický výboj, vznikne plazma.

Plazma je bohato zastúpená vo vesmíre. Možno sa s ňou stretnúť ale aj na Zemi – v podobe blesku ale aj žiariacich reklamných (neónových, xenónových, kryptónových a iných) trubíc, plazmovej televíznej obrazovky, či zváračského oblúka. Každá plazma obsahuje nabité častice a preto ju možno ovládať magnetickým a elektrickým poľom.
Existuje viacero druhov plazmy, možno ju rozdeľovať podľa rôznych kritérií. Jedno z kritérií je tlak ionizovaného plynu. V nízkotlakých výbojoch, ktoré vznikajú vo vákuových zariadeniach, sa tvorí homogénna plazma. Takéto výboje sa používajú napríklad v mikro-elektronike na leptanie alebo nanášanie mikroštruktúr. Skutočnosť, že výboj prebieha vo vákuových zariadení je však pre niektoré aplikácie nevýhodou. Pri vysokotlakých výbojoch, ktoré vznikajú pri atmosférickom tlaku, je na vznik elektrického výboja potrebné nehomogénne elektrické pole (napríklad medzi hrotom a rovinou). Príkladom využitia takéhoto výboja sú elektrické odlučovače. Kladne nabitou trubicou (komínom) prúdi plyn obsahujúci nečistoty. Uprostred trubice je záporne nabitý drôt. Plyn sa ionizuje, nečistoty sa záporne nabijú a prenesú sa na kladne nabitú stenu trubice. Hore komínom pokračuje očistený plyn.

Plazma sa využíva aj na modifikáciu povrchu materiálov. V súčasnosti prevláda snaha o využívanie lacných materiálov upravených tak, aby svojimi vlastnosťami nahradili drahé materiály. Napríklad polypropylén je lacný materiál, ale pre jeho použitie v textilnom priemysle je niekedy nevýhodné, že odpudzuje vodu. Plazmou však možno jeho povrch zmeniť tak, že sa stane hydrofilný – savý. Aktívne častice plazmy nezmenia podstatu materiálu, ale podstatným spôsobom zmenia vlastnosti veľmi tenkej povrchovej vrstvy materiálu. Keďže sa upravuje len tenká nano-vrstva materiálu, stačí vytvoriť tenkú vrstvu plazmy, ktorá však musí mať dostatočnú energiu, aby stačil krátky čas kontaktu materiálu s plazmou a bola možná kontinuálna výroba.

Pomocou plazmy sa upravujú nielen textílie, ale aj sklo, drevo alebo kov. V minulosti sa povrchové úpravy realizovali pomocou chemikálií. V súčasnosti sa kladie dôraz na ochranu životného prostredia a zníženie nákladov a preto sa hľadajú cesty ekologicky prijateľnejšej úpravy.
Ďalšie informácie o plazme a jej využití možno nájsť napríklad v [3].