Dossier de formació en nanotecnologies

per als professors

Mòdul experimentalUn dossier de formació integral per als professors

Experiment A

Judith Linacero, Plataforma de Nanotecnologia, PCB

Luisa Filipponi, iNANO, Universitat d’AarhusAquest document ha estat creat en el context del projecte NANOYOU (WP4, tasca 4.1). Tota la informació es proporciona tal com apareix aquí, i no es dóna cap garantia que la informació sigui adequada per a cap propòsit concret. L’usuari de la informació en fa ús sota la seva pròpia responsabilitat. El document reflecteix únicament les opinions dels seus autors, i la Comissió Europea no es fa responsable de la utilització que es pugui fer de la informació que conté.

Abans d’utilitzar aquesta presentació

Aquesta presentació en PowerPoint forma part del mòdul experimental del dossier de formació en nanotecnologies per als professors elaborat per NANOYOU. AQUEST PAQUET DE L’EXPERIMENT A INCLOU EL MATERIAL SEGÜENT:

Per al professor:EXPERIMENT A - DOCUMENT PER AL PROFESSOR

Per als estudiants:*

EXPERIMENT A - LECTURES INTRODUCTÒRIES PER ALS ESTUDIANTSEXPERIMENT A - QUADERN DE TREBALL DE LABORATORI DE L’ESTUDIANT NIVELL DE L’EXPERIMENT: Senzill

* Aquests documents estan a disposició dels grups d’edat d’11-13 i 14-18 anys en diverses llengües.

ELS DOCUMENTS ES PODEN TROBAR A WWW.NANOYOU.EU.Aquests documents de NANOYOU es distribueixen amb una llicència de Creative Commons – Attribution-

NonCommercial-ShareAlike, llevat que s’indiqui altrament. Cal tenir en compte que algunes de les imatges que conté aquest PowerPoint estan protegides amb drets d’autor, i que per tant per reutilitzar-les fora d’aquest document cal el

permís del titular dels drets originals. Per a més detalls vegeu la diapositiva 14.

AVÍS D’EXEMPCIÓ DE RESPONSABILITAT: En els experiments que es descriuen en el dossier de formació següent es fan servir productes químics que cal utilitzar seguint les especificacions de seguretat del fabricant i la normativa de seguretat específica de l’escola. La protecció personal s’ha d’utilitzar seguint les indicacions corresponents. Com amb tots els productes químics, cal prendre precaucions. Els sòlids no s’han d’inhalar, i cal evitar-ne el contacte amb la pell, els ulls o la roba. Cal rentar-se bé les mans després de manipular-los, i s’han de llençar seguint les indicacions corresponents. Tots els experiments s’han de realitzar en presència d’un educador format per ensenyar ciència. Tots els experiments es duran a terme sota la pròpia responsabilitat de cadascú. La Universitat d’Aarhus (iNANO) i el consorci NANOYOU en el seu conjunt no es fan responsables dels danys o les pèrdues que puguin produir-se com a conseqüència de la realització dels experiments descrits.

EXPERIMENT ANIVELL D’EDAT: 11-13 i 14-18 ANYS

Nanomaterials naturals

Experiment A – Nanomaterials naturalsUn concepte fonamental de la nanociència

MaterialsNATURA Nano-estructures

Interacció: llum, aigua Propietats Exclusives“Macro”

Molècules ordenades

Exemples:

Papallona Blava. Selva tropical del Centre i Sudamerica.

Escarabat. Desert de Namib.

Geco. Tot el mon

"La naturaleza benigna provee de manera que en cualquier parte halles algo que aprender“ Da Vinci.

Experiment A – Nanomaterials naturals Provar els col·loides naturals

COL·LOIDE: és la suspensió homogènea de partícules petites en un mitjà.

Solució: Suspensió de molècules en un mitja.

Molècula: Ordre del nm.Partícula: Ordre 10nm -300nm. llet sal

Efecte Tyndall

Efecte Tyndall: Dispersió de la llum al travessar un col·loide.

Exemples:

Gelatina Llet

Experiment A – Provar els col·loides naturals

DE QUINA MANERA ÉS “NANO”?

Microscopi de Força Atòmica (AFM) revela la presència de nanoestructures.

Pell de peix gat: Porus anulars de 118 nm de diàmetre i nano-agregats esfèrics d’uns 260 nm de diàmetre. Figura 2

GELATINA: Proteïna produïda per la hidròlisis parcial del col·lagen que es troba a la pell i els ossos del animals.

LLET: Les proteïnes de la llet (caseïnes) s’autoassocien en nanoestructures anomenades micel·les de caseïna.DE QUINA MANERA ÉS “NANO”?Microscopi de Força Atòmica (AFM) revela la presència de

Nanoestructures d’entre 50 i 300 nm.

Experiment A - Protocol

Material:

Seguretat: Aquest experiment no utilitza productes químics, però es possible tacar-se.Utilitzar bata i guants.

LA SEGURETAT ES MOLT IMPORTANT EN QUALSEVOL TIPUS D'EXPERIMENT!!

Taula professors: Taula comú:

Per taula1 Gelatina 1 Laser1 Plat de plàstic o safata de pesada.3 Vasos de precipitats 50 ml1 Hotplate stirrer1 Barra magnètica1 Ulleres de protecció1 Termòmetre

Culleretes

Gots de plàsticCinta de phLlet descremada Vinagre vi blancGuants de LatexAigua

Experiment A - Protocol

1) Interacció de la llum amb Col·loides.

Quina es un col·loide?

Experiment A – Nanomaterials naturalsUn concepte fonamental de la nanociència

Nanoestructura significa funció i propietats.

→ Hi ha quatre tipus de caseïnes, a1, a2, b i k, que difereixen en la seqüència d’aminoàcids i en la localització i la quantitat de les regions hidròfobes/hidròfiles.

Figura 3. Nanoestructura de la caseïna de la llet (Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 14)

Estructura i funció de les micel·les de caseïna

Les micel·les de caseïna contenen fosfat de calci inorgànic, que existeix en forma de petites inclusions microcristal·lines que s’anomenen nanoclústers de calci (CCP).

COM ES UN COLIDE DE CASEïNA?

→ El primer enllaç és hidròfob, quan dues o més regions hidròfobes de molècules diferents (caseïnes a i caseïnes b) formen un clúster unit. S’indiquen amb una barra rectangular en la figura 4.

→ El segon enllaç correspon a les regions de càrrega hidròfila que contenen clústers de fosfoserina que s’uneixen a nanoclústers de fosfat de calci col·loïdals (que s’indiquen com a CCP en la figura 4).

Figura 4. Model de doble enllaç en micel·les de caseïna, amb les caseïnes a, b i k representades tal com s’indica. (Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 14)

Trencament de la integritat de les micel·les de caseïna

El manteniment de la integritat micel·lar (propietats de la llet) és un joc d’equilibri, i hi ha nombrosos mètodes per trencar aquest equilibri.

Visió general dels mètodes:→ augmentar el pH (fins al voltant de 8) provoca la

dissociació de les micel·les de caseïna, i l’efecte que s’obté és que la llet escalfada esdevé més translúcida (la càrrega de les micel·les perd neutralitat, i s’allibera calci).

→ disminuir el pH fins al punt isoelèctric (4,6) indueix la dissociació de les micel·les de caseïna (valoració dels grups fosfoseril i carboxil de les proteïnes, que ja no s’uneixen al calci). La dissociació depèn de la temperatura.

Comprovat en aquest

experiment

Figura 6 Model proposat de nanoestructura de la caseïna de llet. (Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 14)

Experiment A - Protocol

Material:

Seguretat: Aquest experiment no utilitza productes químics, però es possible tacar-se.Utilitzar bata i guants.

LA SEGURETAT ES MOLT IMPORTANT EN QUALSEVOL TIPUS D'EXPERIMENT!!

Taula professors: Taula comú:

Per taula1 Gelatina 1 Laser1 Plat de plàstic o safata de pesada.3 Vasos de precipitats 50 ml1 Hotplate stirrer1 Barra magnètica1 Ulleres de protecció1 Termòmetre

Culleretes

Gots de plàsticCinta de phLlet descremada Vinagre vi blancGuants de LatexAigua

Experiment A - Protocol

2) La llet i les seves propietats.

PROVA 1:

- Calenta la llet fins a uns 60ºC.- Afegeix-hi 1 cullerada de

Vinagre. - REMENAR.

PROVA 2:

- Llet a Temperatura Ambient.- Afegeix-hi 1 cullerada de Vinagre.

- REMENAR.

Afegir vinagre a la llet

→ El vinagre és una font d’àcid acètic. → En afegir vinagre a la llet en reduïm el pH (comproveu-ho amb

un mesurador de pH).

Escalfeu llet a 60 °C i afegiu-hi vinagre: de seguida es forma una quallada. Per què? L’acidificació fa que les micel·les es dissociïn (les micel·les alliberen fosfat de calci) i que s’agreguin a causa d’un increment de les forces electrostàtiques i d’una major interacció hidròfoba.

Afegiu vinagre a llet freda: la llet no s’aglomerarà, sinó que només s’espessirà una mica. Per què? Les micel·les de caseïna són estables a causa d’una interacció de les forces electrostàtiques i la interacció hidròfoba. L’acidificació provoca que les micel·les es dissociïn (les micel·les alliberen fosfat de calci), però les interaccions hidròfobes mantenen l’estabilitat de les micel·les de caseïna en la llet freda.

Analogia: llet deixada a la nevera més enllà de la data de caducitat (àcid làctic).

Crèdits de les imatges

Figura 1: Provant una mostra de gelatina amb un llapis làser. (Crèdits de la imatge: L. Filipponi, iNANO, Universitat d’Aarhus, Creative Commons – Attribution-Non-Commercial ShareAlike 3.0).

Figura 2: Imatges AFM de gelatina extreta de peix gat americà que revelen la presència de nanoestructures esfèriques. (Crèdits de la imatge: reimpresa amb permís de Wiley-Blackwell Publishing Ltd de Yang et al., Journal of Food Science (2006), 72(8), pàg. c430-c440, copyright (2006) Wiley-Blackwell Publishing Ltd.

Figura 3 (esquerra): Estructures esquemàtiques de caseïnes i els seus polímers. Els rectangles de les imatges representen les regions hidròfobes. Reimpresa de: Horne D.S., Inter. Dairy Journal (1998), 8 (3), 171-177, amb permís d’Elsevier.

Figura 3 (centre): Model de doble enllaç en micel·les de caseïna, amb les caseïnes a, b i k representades tal com s’indica. Reimpresa de: Horne D.S., Inter. Dairy Journal (1998), 8 (3), 171-177, amb permís d’Elsevier.

Figura 3 (dreta): Imatge AFM de micel·les de caseïna de la llet. (Reimpresa amb permís de: Shekar et al., PNAS [23 de maig del 2006], vol. 103, núm. 21, pàg. 8.000-8.005. Copyright 2006 National Academy of Sciences, EUA).

Figura 4: Vegeu la figura 3 (centre).

Figura 5: Vegeu la figura 3 (esquerra, centre i dreta).

Figura 6: Vegeu la figura 3 (centre).