NOKISENSORI. Nanokoulu, Jyväskylän yliopisto,

Transkriptio

1 Tekijät: Gorazd Planinsic, Anssi Lindell, Anna-Leena Latvala Päivitetty: Aihealue: Fysiikka ja kemia, kokeellinen laboratoriotyö Soveltuvuustaso: Yläaste ja lukio, tutkimustyönä 6. luokalle Avainsanat: ohutkalvoteknologia, sähkövastus, hiili ja noki Työskentelymuoto: oppilastyö, tutkimustehtävä NOKISENSORI Tässä paketissa tutustutaan ohutkalvosensorin valmistamiseen noesta ja käytetään sitä erilaisten kaasujen havaitsemiseen ja tunnistamiseen. 1

2 Sisältö 1. Työohje opettajalle 1.1. Välineet ja kokoaminen 1.2. Nokeaminen 1.3. Mittaaminen nokisensorilla 2. Opettajan materiaali 2.1. Johdanto ohutkalvoteknologiaan 2.2. Mitä noki on? 2.3. Hiilen sähkönjohtavuus 2.4. Neliövastus kalvoille 3. Yhteysopetussuunnitelmaan 3.1. Vuosiluokat Vuosiluokat Lukio 4. Lähteet ja kirjallisuus 5. Liitteet 5.1. Kalvopohjat 5.2. Työkortti oppilaalle 2

3 1. TYÖOHJE OPETTAJALLE 1.1. Välineet ja kokoaminen Tarvikkeet 5 sensorin valmistukseen 20 oppilaan ryhmälle (valinnaiset suluissa) Työvaihe Tarvike koko (noin) määrä kokoaminen pala Cu-pinnoitettua piirilevyä 1 cm x 2 cm 5 kpl virtajohtoa eristepäällyksellä 20 cm 2 x 5 kpl pala IC-kantaa, piikit Cu-levyyn sopivat 1 cm x 2 cm 5 kpl (piikkiliitosrimaa samaa paria IC-kannan kanssa) 1 cm 2 x 5 kpl (banaaniliittimiä) 2 kpl juotostinaa 1 rulla juotoskynä tai -kolvi 5 kpl puukko 1 kpl nokeaminen tulitikut rasia 5 kpl vahakynttilä 5 kpl yleismittari vastusmittauksella 5 kpl kuparilankaa 20 cm 5 kpl mittaus paristo 4,5 V 5 kpl vastus 10 MΩ 5 kpl oskilloskooppi tai muu jännitteen muodon mittaukseen soveltuva laite 5 kpl tutkittavia kemikaaleja mahd.monta! Kuva 1. Vasemmalla piirilevypala ja IC-kanta yhdistettynä sekä erikseen, oikealla vahakynttilä ja kuparilangasta kierretty spiraali. 3

4 Huomioita työturvallisuudesta: - Juottaminen alustan päällä ja vetokaapissa - Kynttilällä nokeaminen vetokaapissa - Osaa kemikaaleista testattava vetokaapissa Sensorin kokoaminen: 1. Katko piirilevyistä, IC-kannoista (ja piikkirimasta) sopivan mittaiset palat. 2. IC-kannan ja piirilevyn liitos: liitä IC-kanta piirilevyyn työntämällä kannan piikit levyn reikien läpi ja taittamalla piikit kuparipuolta vasten. Kuva 2. Piirilevypala IC-kannan päälle aseteltuna ja piikit käännettynä kuparipintaa vasten. 3. Johtimien valmistelu: Kuori virtajohtojen päät n. 1 cm matkalta paljaiksi. Kuva 3. Johtimen kuoriminen ja paljas pää pyöritettynä yhtenäiseksi. 4. IC-kannan liittäminen johtimiin: TAPA 1: Juota kolvin ja juotostinan avulla päät IC-kannan alapuolen reikiin (ei piikkeihin!) kiinni. Liitos on pysyvä ja jokaiseen sensoriin tarvitaan uudet johdot. TAPA 2: Juota kolvin ja juotostinan avulla johdinten päät piikkiriman palojen piikkeihin. Piikkirimat voidaan tökätä kiinni IC-kantaan ja irrottaa, jolloin johtoja voidaan käyttää uudelleen esim. seuraavana vuonna. 4

5 Kuva 4. Johtimen päät juotettuna piikkirimoihin ja valmiit kiinnitettäväksi IC-kannan reikiin. 5. Johtimien viimeistely: Liitä halutessasi johtimien toisiin päihin banaaniliittimet. (Vaihtoehtoisesti voit käyttää hauenleukoja sensorin kiinnittämiseen mittauspiiriin, tai tehdä johtimet kahtia katkaistusta banaaniliittimellisestä johdosta.) Kuva 5. Valmis, nokeamaton sensori banaaniliitinten kera Nokeaminen Sensorin nokeaminen kynttilän ja kuparispiraalin avulla tehdään mieluiten vetokaapissa. 1. Kierrä paksu kuparilanka kynttilän yllä pidettäväksi spiraaliksi. 2. Pidä kuparispiraalia kynttilän liekissä. Liekistä pitäisi nyt nousta nokea ilmaan. Kuva 6. Kynttilä, kuparilanka ja (himmeä) nokivana. 5

6 3. Kiinnitä nokisensori yleismittariin resistanssin mittaamiseksi. Sopiva suuruusluokka on megaohmeja. 4. Pidä sensoria pinta nokivanaan päin, kunnes sen pintaan muodostuu nokikerros, ja yleismittari näyttää, että johtimien välillä on n MΩ kontakti. 5. Sammuta kynttilä ja anna sensorin vastuksen tasaantua pari minuuttia. Kuva 7. Sensorin nokeaminen, taustalla yleismittari vastuksen suuruuden seuraamiseen Mittaaminen nokisensorilla Sensorilla on tarkoitus havaita erilaisia hiukkasia ilmasta ja mahdollisesti myös tutkia, ovatko eri aineiden hiukkaset tunnistettavissa. Hyviä tutkittavia aineita ovat esimerkiksi - etanoli - butaani - ammoniakki - asetoni / kynsilakanpoistoaine - etikkahappo - bensiini - hajuvesi - "kodin putkimies" - vesi (ts. ilmankosteus) Huomaa, ettei sensori reagoi kaikkiin näistä. Sensorin toimivuuden testaamiseen riittää yleismittarin vastusmittaus. Kun mittari mittaan sensorin vastusta, voidaan testata sensorin vastetta henkäisemällä siihen. Sensorin vastuksen pitäisi reagoida hetkellisesti, jolloin lukema heilahtaa. Mikäli sensorista saadaan jokin vaste, voidaan siirtyä tekemään sillä mittauksia. 6

7 Mittausten suoritus Kuva 8. Mittauspiirin kytkentäkaavio. [1] Valmistele kuvan 8 mukainen piiri 4,5 V paristosta, vastuksesta, sensorista ja jännitteen mittaukseen valitusta laitteesta. Mitatuksi jännitteeksi saadaan siis 10MΩ V = 4.5V. 10MΩ + R sensori Tämän jälkeen voidaan kokeilla eri aineiden havainnointia sensorilla. Avaa pullo/astia, jossa haluttua ainetta on, ja tuo sensori sen ylle. Tarvittaessa astiaa voi hölskytellä hiukkasten vauhdittamiseksi ilmaan. Tarkkaile jännitteen muutosten muotoa ja kokoa. Kuva 9. Esimerkki (jännite vs. aika). Aluksi sensoriin on henkäisty kolmesti, sen jälkeen se on altistettu asetonille, ja laskevan käyrän alueella sensoria on pidetty ammoniakkihöyryssä. Suuri hyppäys tapahtuu palatessa ilmaan ja viimeiset vasteet ovat jälleen hengitysilmalle. [1] Kuten kuvasta 9 nähdään, sensorin "perustaso" voi ajelehtia, mutta tämä ei sinänsä vaikuta mittausten tekemiseen tai tulkintaan. 7

8 2. OPETTAJAN MATERIAALI 2.1. Johdanto ohutkalvoteknologiaan Ohuille kalvoille - nanometrien paksuudesta aina millimetriluokkaan asti - on löydetty paljon käyttötarkoituksia pinnoitteina sekä esimerkiksi mikropiirien rakentelussa. Ohuemmat, oleellisesti kaksiulotteiset kalvot osoittavat merkkejä ominaisuuksiensa kvantittumisesta. Paksumpienkin kalvojen ominaisuudet ovat lähinnä riippuvaisia pintakerroksesta Ohuesta kalvosta saadaan aikaiseksi erilaisia mittausvälineitä, sillä niiden ominaisuudet reagoivat ympäristön muutoksiin. Mekaanisia, sähköisiä tai magneettisia ominaisuuksia havainnoimalla pystytään mittaamaan esimerkiksi nesteiden (esimerkiksi veren) painetta, lämpötilaa, tai metallien epäpuhtauksia. [2] Tällaisten mittavälineiden kehitykseen panostetaan erityisesti siksi, että ne vaikuttavat tutkittaviin kappaleisiin tai aineisiin mahdollisimman vähän; kalvo on kevyt eikä se vie juuri lainkaan tilaa, joten tällaisia sensoreita on mahdollista kiinnittää rakenteiden seinämiin ilman, että niiden ominaisuudet muuttuvat. Tutkittavien aineiden kontakti kalvon pintakerroksen kanssa riittää Mitä noki on? Kynttilä nokeaa, kun sen liekin muotoa häiritään ilmavirralla, esineillä, tai sydänlangan jäädessä liian pitkäksi. Kynttilän noki koostuu lähinnä palamiseen osallistumattomista hiilivetyryppäistä ja hiilivedyistä, eikä sisällä vaarallisia aineita. [3] Hiilivetyjen palamista mallinnettaessa on havaittu, että häiriöttömissäkin olosuhteissa nokea syntyy tietty palavan tuotteen massaan verrannollinen osa. Tanskalaisen CHEC-tutkimuskeskuksen kemianteknologian tutkimuksissa on laskettu noesta vedyn ja hiilen atomien suhteeksi n. 1:10 ja esitetty noen koostuvan lähinnä bentseenirenkaista ja niiden tyyppisistä hiilivedyistä, jotka tarttuvat yhteen ja kasvavat nokihiukkasiksi. [4] Kuva 10. Kynttilän nokea läpäisymikroskoopin kuvassa (Maja Remškar-IJS, Slovenia) ja atomivoimamikroskooppikuvassa 10x10 µm alueelta (Janez Kovač, IJS, Slovenia). [1] 8

9 Kuva 11. Hiilivetyjen palamisessa tapahtuva noen muodostuminen (CHEC). [4] 2.3. Hiilen sähkönjohtavuus Sähkönjohtavuus riippuu aineen rakenteesta, joten hiilen eri olomuodot ovat tässä suhteessa hyvinkin erilaisia. Esimerkiksi grafiitin - jota noki on lähinnä - resistiivisyys on ρ = 1,375 Ωm. [5] Grafiitti on hyvä johde. Jopa paperille piirretty lyijykynän jälki johtaa sähköä. Myös nokikerros savupiipun seinämissä johtaa sähköä ja turvallisuussuosituksissa käsketään pysyä kaukana tulisijoista ukkosella. [6] Timantille resistiivisyys on yli miljoona kertaa niin suuri kuin grafiitin (ρ = Ωm). Timantti on erinomainen eriste. Loput hiilen allotroopeista sijoittuvat näiden ääripäiden välille. [5] Vastuksen muuttuminen tässä työssä ei kuitenkaan johdu siitä, että noen rakenne jotenkin muuttuisi. Ilmiön aiheuttaa tutkittavien aineiden hiukkasten asettuminen hetkellisesti hiilirakenteiden sekaan sensorin pinnalle. Vastuksen muuttumisen suuruus ja nopeus riippuvat tutkittavan aineen rakenteesta ja siitä, kuinka nopeasti aine diffundoituu (kulkeutuu ilmassa uusille alueille) astiastaan kohti sensoria ja sen läpi. Olettamalla, että noki todella koostuu pelkästään grafiitista, voidaan kohdan 2.4. avulla laskea nokikalvon paksuus. Onko tulos järkevä? Ohjeiden mukaisilla sensoreilla tulisi saada tulokseksi satojen nanometrien suuruusluokkaa. Lukiotasolla suuruusluokkien pohtiminen tätä kautta on hyvä lisätehtävä mittausten yhteydessä Neliövastus kalvoille Tyypillisimmin vastuksen mittaamisessa ollaan kiinnostuneita vastuslangan tai muun sellaisen kappaleen, jolla on selvästi pituus ja poikkipinta-ala, resistanssista. Tutkittaessa ohuiden kalvojen vastuksia, on hyödyllisempää käyttää ns. neliövastuksen käsitettä vastuksen määrittelyssä. Tunnetusti kappaleen vastus saadaan yhteydestä A R ρl =, missä R on vastus, ρ kappaleen resistiivisyys, L pituus ja A poikkipinta-ala. Jos poikkipinta-alaa mielekkäämpi suure onkin kalvon paksuus t ja leveys W, voidaan kirjoittaa 9

10 L L R = ρ Rneliö. tw W Neliövastukseksi tulee määriteltyä resistiivisyys kalvon paksuutta kohden. Sensorin vastuksen mitoittamisen kannalta yllä olevasta nähdään, että kalvon paksuuden kasvattaminen pienentää vastusta. Huomionarvoista on myös, että saman paksuisten kalvojen vastukset ovat samat, mikäli ne ovat samanmuotoisia (vaikkakin erikokoisia)! [7] 3. YHTEYS OPETUSSUUNNITELMAAN 3.1. Vuosiluokat 5-6 Ala-asteen fysiikka ja kemia keskittyy oppilaan lähiympäristöön ja painottaa turvallisuusnäkökulmaa. Opetussuunnitelman mukaan "opiskelun tulee [...] auttaa oppilasta pohtimaan hyvän ja turvallisen ympäristön merkitystä sekä opettaa oppilasta huolehtimaan ympäristöstään ja toimimaan siinä vastuullisesti. Keskeisistä sisällöistä tämä työ aukaisee erityisesti kohtaa "ilman koostumus ja ilmakehä". Oppilas tutustuu yhteen tapaan havaita epäpuhtauksia ilmassa, havaintovälineen mahdollisiin rajoitteisiin, ja oppii tulkitsemaan graafista dataa. Työskentelymuoto: Tutkimustehtävä Suoritusaika kokeellisessa osuudessa: 2 oppituntia (valmis mittari) 3.2. Vuosiluokat 7-9 Opetussuunnitelmassa peräänkuulutetaan nykyaikaisen maailmankuvan muodostumista ja uusien teknologioiden tuntemista. Myös ympäristön suojelun näkökulma on vahvasti läsnä erityisesti kemian tavoitteissa. Fysiikan osalta työssä esiintyviä tavoitteita ovat luonnon rakenneosien suuruusluokkien hahmottaminen sekä yksinkertaisen virtapiirin toiminnan ymmärtäminen. Teknologiakasvatuksen näkökulmasta oppilas pääsee itse valmistamaan nykyteknologian menetelmillä kaasujen havaitsemiseen soveltuvan mittalaitteen ja tätä kautta tutustuu mittalaitteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Tutkimustehtävässä huomataan mittalaitteiden sopivan vain tietyille aineille ja tutustutaan laitteiden rajoituksiin. Työ sopii esimerkiksi seuraavien keskeisten sisältöjen materiaaliksi: Fysiikka - Luonnon rakenteet ja mittasuhteet - Tasavirtapiiri ja virtapiirin perusilmiöt Kemia - Kokeelliset työskentelytaidot - Yhdisteiden rakenne ja polymeerit - Raaka-aineet ja tuotteet Työskentelymuoto: Oppilastyö, tutkimustehtävä Suoritusaika kokeellisessa osuudessa: 2 oppituntia 10

11 3.3. Lukio Lukion fysiikan ja kemian opinnoissa painotetaan entistä voimakkaammin oppilaan kasvua tiedostavaksi ja ajanhermolla olevaksi kansalaiseksi. Oppilaan tulee tutustua fysiikan ja kemian sovelluksiin ja hahmottaa näiden sovellusten käyttöä tuotteiden valmistuksessa sekä ympäristötekniikassa. Nykyteknologian menetelmien ja vaikutusten ymmärtäminen sillä tasolla, että nuori kykenee keskustelemaan aiheesta, on yksi tämän työn tavoitteista. Työ tutustuttaa oppilaat yhteen uuteen ja kasvavaan nanoteknologian haaraan ja esittelee yhden käytännön sovelluksen yksityiskohtaisesti. Valmistusteknologia on oleellisesti sama kuin teollisuudessakin käytetty; vain kokoluokka on eri. Sensorin toiminnan ja rajoitusten arviointi tarjoaa pohdintaa Teknologia ja yhteiskunta -aihekokonaisuuden tavoitteiden mukaisesti. Työn taustalla olevan teorian pohtiminen voidaan liittää aineiden rakenteiden ja sitä kautta sähkönjohtavuuden ymmärtämiseen. Työ tarjoaa konkreettisen mahdollisuuden näiden tietojen soveltamiseen. Lisäksi nanomittakaavaa voidaan konkretisoida määrittämällä mitatun vastuksen perusteella nokikalvon paksuus. Fysiikka - Sähkö (FY6): mittaustekniikka, jännitteen ja sähkövirran mittaus - Aine ja säteily (FY8): aineen pienimmät osaset ja niiden luokittelu Kemia - Ihmisen ja elinympäristön kemia (KE1): yhdisteiden tunnistusmenetelmät - Kemian mikromaailma (KE2): aineen rakenteen ja ominaisuuksien yhteydet Työskentelymuoto: Oppilastyö, tutkimustehtävä, projektityö Suoritusaika kokeellisessa osuudessa: 2 oppituntia 4. LÄHTEET JA KIRJALLISUUS [1] Gorazd Planinsic, esitysmateriaali opettajankoulutuksessa [2] NIBEC, University of Ulster, ohutkalvoryhmä: [3] National Candle Association: [4] CHEC Research Centre, Tanska: [5] IN-VSEE, Arizona State University: [6] Suomen Sähköopas: [7] Wikipedia: 11

12 5. LIITTEET 5.1. Kalvopohjat 5.2. Työkortti oppilaille 12