Forskarna Maria Strømme och Johan Forsgren på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet behöver hjälp med att hitta nya sorters guldnanopartiklar.

Transkript

1 Forskarna Maria Strømme och Johan Forsgren på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet behöver hjälp med att hitta nya sorters guldnanopartiklar. I samarbetet mellan Nobelmuseets Forskarhjälpen och Ångströmlaboratoriet vänder vi oss nu till er högstadieelever som är intresserade av nanoteknologi! Det finns en liten chans att ni i detta projekt lyckas framställa nya, okända nanopartiklar som inte beskrivits förut! Projektet innebär också att du som elev får: fundera på tillämpningsområden för nanopartiklarna, lära dig föra forskningsprotokoll, samt tillverka en vetenskaplig forskningsposter Det praktiska arbetet med projektet kommer att dra igång efter sommarlovet och pågå större delen av hösten 2012 i nära kontakt med Nobelmuseet och Ångströmlaboratoriet, via hemsidan, mail och facebook. Tanken är att detta projekt skall kunna ingå i ordinarie undervisning till stor del, eventuellt i samarbete mellan ämnena natur och bild, så att det inte kräver för mycket extraarbete. Avslutningskonferensen kommer att bli fredagen den 7 dec Nanopartiklar har många spännande egenskaper som gör att de just nu utvecklas i en mängd olika applikationer, som allt från att bota cancer, skapa antibakteriella och självrengörande ytor till att kunna tillverka nya typer av lysdioder. Vi kommer bland annat att testa guldnanopartiklarnas förmåga att tillsammans med andra nanomaterial rengöra ytor och döda bakterier i så kallade fotokatalytiska processer. Experimenterandet kommer att ske i nära samarbete med forskarna i Uppsala framförallt via Forskarhjälpens hemsida. Analyserna av proverna kommer att till viss del kunna göras av dig och din klass, men Johan kommer att behöva göra några analyser separat och resultaten återkopplas på bästa sätt till er. Säkerhetsrisker med ett ökande antal nanopartiklar i miljön och för vår hälsa har diskuterats mer eller mindre livligt, och detta är något vi också skall fundera över, vilka faror finns och hur kan man hantera dessa på ett bra sätt?

2 Vad? Forskarhjälpens projekt 2012 heter Guldjakten och kommer att röra sig i gränslandet mellan kemi och fysik och handla om nanopartiklar och nanoteknik. Nanoteknik har koppling till ett flertal Nobelpris i både fysik och kemi. Nobelmuseet samarbetar i Guldjakten med Maria Strømme som är professor i nanoteknologi och forskaren Johan Forsgren vid Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet. Projektet kommer att innebära att du tillsammans med din klass skall försöka tillverka egna nanopartiklar genom att blanda ett guldklorid, ett guldhaltigt salt, med en detergent, ett rengöringsmedel. Det finns en liten chans att det bildas nya nanopartiklar som inte beskrivits tidigare, vilket kan leda till nya användningsområden för partiklarna eller förbättrade egenskaper i de tillämpningar som redan finns. Inom forskningen har man tidigare fokuserat på att blanda guldklorid med välkaraktäriserade surfaktanter (som finns i rengöringsmedel) för att få fram guldnanopartiklar. När? Det praktiska arbetet med projektet kommer att dra igång efter sommarlovet och pågå större delen av hösten 2012 i nära kontakt med Nobelmuseet och Ångströmlaboratoriet via hemsidan, mail och facebook. Tanken är att detta projekt skall kunna ingå i ordinarie undervisning till stor del, eventuellt i samarbete mellan ämnena NO, teknik och bild, så att det inte kräver för mycket extraarbete. Perioden maj-juni kan användas till att läsa in bakgrundsfakta om nanopartiklar och nanoteknologi. En avslutningskonferens kommer att äga rum den 7 dec 2012 då lärare samt två elever från varje deltagande klass kommer till Nobelmuseet för att lyssna till forskarnas sammanfattning av projektet och andra föreläsningar i nanoteknik. Konferensen kommer även att bestå av elevredovisningar av det egna arbetet med utgångspunkt från postern som valts att representera klassen.

3 Hur? Först ska ni lära er om nanopartiklar. Därefter kommer ni att genomföra ett experiment. Efter att ha blandat ämnena skrivs ett protokoll: namn på rengöringsmedel, exakt mängd som blandats, tidsangivelse, ph (surhetsgraden) och färg på lösningen. Protokollföringen/dokumentationen är viktig, för att kunna jämföra olika resultat. Därefter ska de bildade partiklarna testas, först gör ni själva en analys och därefter skickas ett prov in till Ångströmlaboratoriet. Där testas bland annat partiklarnas förmåga att tillsammans med andra nanomaterial rengöra ytor och döda bakterier i så kallade fotokatalytiska processer. Instruktion för tillverkning av guldnanopartiklar 1. Mät upp 200ml vatten i en E-kolv. 2. Tillsätt vald reagent (t.ex. 3ml Yes diskmedel) och vispa runt lösningen. Notera mängd tillsatt reagent. Notera färg på lösning. Mät och notera ph hos lösning. 3. Ställ E-kolven på en värmeplatta och stoppa i en magnetloppa. 4. Ställ in rotationen på 400 rpm. 5. Tillsätt 1 ml 1% guldkloridlösning i E-kolven. 6. Slå på värmen på värmeplattan. Notera alla färgförändringar som sker hos vätskan i E-kolven under resten av laborationen. 7. Låt vattnet koka upp och slå sedan av värmen. 8. Låt lösningen svalna till rumstemperatur. 9. Mät och notera ph igen. 10. Dagen efter laborationen noteras återigen eventuella färgförändringar hos vätskan. Forskningsprotokoll hittar du sist i kompendiet!

4 Vetenskapliga postrar När forskarna har gjort sina experiment, fått sina resultat och dragit sina slutsatser måste de dela med sig av detta till andra forskare och till allmänheten. Detta görs bland annat via artiklar i vetenskapliga tidskrifter och via konferenser. På konferenserna ger forskarna antingen en muntlig presentation av sitt arbete eller så har de gjort en affisch - en poster - som de har med sig till konferensen och sätter upp på en vägg eller en skärm. Vid speciella tillfällen på konferensen är det postertid då står forskarna vid sina postrar och berättar och svarar på frågor om dem. Ert arbete ska också redovisas i form av vetenskapliga postrar. Ni arbetar två och två med uppgiften och bestämmer själva om ni vill måla, använda foton eller andra verktyg då ni utformar postern. Postern ska vara i stående A1-format och det ska framgå namn, skola, bakgrund, vad ni fått fram för resultat och så vidare. Om ni väljer att måla, rita och skriva för hand måste den färdiga postern fotograferas eller skannas så att vi kan lägga ut den på nätet. Läraren ansvarar tillsammans med Nobelmuseet för att säkerställa att er poster inte innehåller direkta felaktigheter. Vi diskuterar gärna postern under arbetets gång (forskarhjalpen@nobelmuseum.se). När arbetet är färdigt väljer klassen/skolan gemensamt ut EN affisch/poster som får representera klassen och skolan i en tävling. Om röstningen skulle resultera i två likvärdiga förslag har klassens lärare utslagsröst. Postern skickas in digitalt till Nobelmuseet (forskarhjalpen@nobelmuseum.se) för granskning. Endast en poster per skola kan skickas in. Postern presenteras med klass, skolans namn och ort. De ca 20 posters som är med i tävlingen Giltiga bidrag trycks upp som affischer och visas dels på forskarhjälpens hemsida samt under Guldjaktens avslutningskonferens och eventuellt på någon mer plats. Därmed tävlar postern i flera olika tävlingsgrenar. Först och främst en bästa postern -tävling där allmänheten kan rösta på sitt favoritbidrag genom facebook flest "gilla" vinner! Den vinnande postern, som fått flest röster, belönas med tre biljetter till Nobelprisutdelningen i Stockholms konserthus den 10:e december I form -tävlingen kommer en jury att välja ut den bästa postern vad gäller utseende och i den sista grenen innehåll, kommer annan jury att välja den bästa postern ur ett vetenskapligt och innehållsmässigt perspektiv.

5 Postertävling, sammanfattning Arbetet som gjorts ska redovisas i form av vetenskapliga postrar. En poster väljs ut av klassen själv med hjälp av en omröstning, och denna valda poster kommer att representera klassen i en postertävling. Om flera klasser från samma skola deltar får skolan välja ut en representerande poster från skolan. Klassernas postrar läggs upp på Forskarhjälpens hemsida där man via facebook röstar på den poster man tycker bäst om. Den poster som fått flest röster vid ett givet datum vinner och priset är tre biljetter till Nobelprisutdelningen den 10 dec En jury kommer att välja den bästa postern vad gäller posterns utformning. Pris meddelas senare. En annan jury kommer att välja den bästa postern ur ett vetenskapligt, innehållsmässigt perspektiv. Pris meddelas senare. Postertävling, begränsningsregler. Alla posters ska vara av storleken A1, dvs 59,4 X 84,1 cm. Postern ska vara i stående format! Alla posters som vill vara med i tävlingen SKA innehålla: o En titel o Namn på författare, klass samt namnet på skolan o En kort teoretisk bakgrund om nanopartiklar/nanoteknik samt om ett eller flera relaterade Nobelpris. o Vad som gjorts och vilka resultat som erhållits. o Förslag på vad Guldnanopartiklar skulle kunna användas till. o Bilder (helst egna) o Loggor (Nobelmuseet, Forskarhjälpen, Uppsala universitet och Stiftelsen för strategisk forskning). Viktiga datum: Deadline för att skicka in poster till Nobelmuseet digitalt: 15:e oktober Deadline för korrektur (om det uppäcks fel i postern): 29 oktober Röstning på postrarna från den 5:e november till den 16:e november klockan (då stänger vi röstningen). Vinnarna utses under eftermiddagen fredagen den 16:e november 2012.

6 Om Du hittar en artikel som diskuterar nanoteknik, tipsa oss gärna på så lägger vi en länk till artikeln på hemsidan! Där finns redan nu förslag på artiklar att läsa. Nobelpris om nanoteknik Det finns en mängd Nobelpris som är kopplade till utvecklingen och möjliggörandet av nanoteknologin, t ex Nobelpriset i fysik 1986 som gick till prof. Ernst Ruska för utvecklingen av elektronmikroskopet. Nobelpriset i kemi 1991 till prof. Richard R. Ernst för utvecklingen av röntgenkristallografi (NMR). Nobelpriset i kemi 1996 som gick till prof. Robert F Curl Jr, prof. Sir Harold W. Croto, och prof. Richard E. Smalley för upptäckten av fullerener, grundämnet kol i form av nanopartiklar som har formen av en liten fotboll. Nobelpriset i fysik år 2010 till André Geim och Konstantin Novoselov för experiment med det tvådimensionella materialet grafen.. Guldnanopartiklar, bild tagen av Kathryn Grandfied på Ångströmlaboratoriet via ett transmissionselektronmikroskop

7 Vad är en nanopartikel? En nanopartikel kan beskrivas som ett mycket litet objekt med en diameter mellan 1 och 100 nanometer. Objekt mindre än 1 nanometer anses inte vara partiklar utan bara enskilda atomer och molekyler som fritt svävar omkring. Nano betyder dvärg på grekiska. 1 nanometer är 1 miljarddels meter och motsvarar längden av ca 10 atomer som ligger på rad och sätter man ihop ett antal atomer till objekt som är större än 1 nanometer börjar de bete sig annorlunda än vad de gör som fria atomer, de har bildat ett material! Dessa små partiklar uppför sig ofta väldigt annorlunda än de som vi kan se med ögonen, eftersom de är så små och inte väger så mycket påverkas de t.ex. inte av gravitationen på det sätt som vi är vana vid att saker och ting gör. Elektronerna i dessa små partiklar kan också röra sig också annorlunda än vad de gör i större objekt eftersom antalet elektroner i varje enskild partikel är väldigt få. Detta gör att elektronerna t.ex. inte riskerar att kollidera med varandra och därför kan röra sig friare, eller absorbera och sända ut ljus på ett sätt som elektroner hos större partiklar inte gör. Storleken hos nanopartiklar gör även att de kan tas upp av celler och därmed t.ex. leverera läkemedel. I början på 1980-talet gjordes en rad tekniska och vetenskapliga genombrott, såsom upptäckten av så kallade fullerener och kolnanorör (Nobelpriset i kemi 1996), som banade väg för ett ökat intresse för nanoteknologin. Fullerener och kolnanorör är i grunden samma sak, nanopartiklar som helt består av kol, där fullerener kan beskrivas som mycket små fotbollar medan kolnanorör är just små rör av kol. Fullerener bildas när grundämnet kol förångas och kondenseras i ett vakuum av trög gas. Nanoteknologi Begreppet nanoteknologi myntades redan 1974 av den japanske forskaren Norio Taniguchi då han vid en konferens använde uttrycket för att beskriva vissa processer som används inom halvledarteknologin. Nanoteknik, eller atomslöjd som det kallades i början, är en medveten framställning av strukturer som tar till vara de fysikalisk-kemiska egenskaper som uppstår på nanometernivå. En sådan definition rymmer en mängd olika tekniker från skilda vetenskapliga discipliner. Till nanoteknik räknas idag tillämpningar inom de flesta tekniska områdena, t ex datateknik, bioteknik och materialforskning. Inom biotekniken har man använt sig av nanoteknologi sedan 1970-talet då man lärde sig att klippa och klistra i genmaterialet, och biotekniken är därmed äldst inom nanoteknologin.

8 Ibland kan det vara svårt att förstå att det är just nanoteknik som ett visst forskningsområde ägnar sig åt, då begreppet "nanoteknik" inte alltid används i forskningsförklaringarna. Nanomaterial används idag i en mängd applikationer, såsom elektronisk utrustning, bilar, kosmetik, hygienartiklar, kläder, hushållsprodukter, livsmedel, sportutrustning och leksaker. En sökbar sida som samlar alla nanoprodukter hittar du på adressen Vad är så speciellt med nanomaterial? Hos nanomaterial är andelen ytatomer betydligt högre än hos material som vi vanligtvis stöter på och dessa ytatomer beter sig annorlunda än atomerna inuti materialet. Omgivningen vid ytan skiljer sig radikalt från omgivningen inuti det studerade materialet. Ytatomer återfinns hos alla material men det är bara hos nanomaterial som deras egenskaper börjar styra över hur materialet beter sig. Andelen atomer som sitter på ytan jämfört med de som befinner sig "inne" i materialet hos nanopartiklar är också mycket större än vad som är fallet för större partiklar, och dessa ytatomer reagerar gärna med sin omgivning vilket gör nanopartiklar intressanta i t.ex. filter, sensorer, katalysatorer eller bärare av molekyler. Ett exempel på detta beskrivs i figuren nedan där en sockerbit delas upp i mindre delar. Sidan på den ursprungliga sockerbiten är 1cm vilket gör att ytan hos sockerbiten är 6cm2. Om denna sockerbit skärs itu till 8 stycken lika stora bitar blir den sammanlagda ytan hos sockerbitarna 12cm2, även om mängden socker fortfarande är den samma. Om man fortsätter att dela sockerbitarna ökar den totala ytarean hos sockret och när sockerbitarna inte är större än några nanometer blir den totala ytarean flera hundra kvadratmeter, det vill säga flera miljoner gånger större än hos den ursprungliga sockerbiten!

9 Naturliga nanopartiklar? I naturen finns många exempel på nanopartiklar och nanostrukturer, till exempel består ytan hos bladen på lotusblomman av nanometertunna hår. Dessa hår står rakt ut från bladen och gör att vatten inte stannar kvar på dem, vilket leder till att bladen alltid hålls rena genom att damm och smuts sköljs bort av det vatten som hamnar på bladen och sedan rullar av. Många nanoforskare får sin inspiration från biologin och letar efter sätt att härma naturens egna nanomaterial för att till exempel skapa nya självrengörande ytor. I stort sett alla processer i alla levande organismers celler sker på nanonivå. Arvsmassans (DNA) dubblering vid celldelning, de processer som tillverkar proteiner efter receptet i DNA i våra celler, samt förvandlingen av den föda vi intar till energi och byggstenar åt vår kropp. Kombinationen av nya analysmetoder och metoder för att tillverka material med nanodimensioner har lett till en explosion för nanoteknologin under 2000-talet eftersom det nu går att skräddarsy material som utnyttjar de unika fenomen som erbjuds hos nanomaterial. Det senaste nanoteknologiska genombrottet är upptäckten av grafen (Nobelpriset i fysik 2010), ett kolbaserat material som bara är ett atomlager tjockt men starkt, och som leder elektroner extremt bra och är tillräckligt stabilt för att kunna bilda filmer synliga för blotta ögat! Guldnanopartiklar Guldnanopartiklar är kända sedan mitten på 1800-talet då Michael Faraday förklarade varför glas innehållande guld fick en rödaktig färg. Det var helt enkelt så att glaset innehöll små partiklar av guld och dessa partiklar absorberar ljus så att glaset såg rött ut. Senare har det visat sig att nanopartiklar av guld med varierande storlek absorberar ljus med olika våglängd och därför ser ut att ha olika färg vilket har att göra med hur ytelektronerna hos guldet interagerar med ljuset. Guldnanopartiklar har idag en mängd olika användningsområden där bl.a. deras unika optiska egenskaper används. Det utnyttjas t.ex. i sensorer för detektion av olika molekyler som kan fästa på ytan hos guldpartiklarna och därför påverka de optiska egenskaperna hos partiklarna. De kan också användas i applikationer för att fånga in ljus i t.ex. solceller, eller i fiberoptiska sammanhang för informationsöverföring.

10 Vi på Nobelmuseet Från Nobelmuseet deltar Katarina Nordqvist, Anna Johanna Lindqvist Forsberg, Andreas Lündin och Perina Stjernlöf. Vi som forskar Vi är två forskare som medverkar i Guldjakten, det andra projektet av Forskarhjälpen, Maria Strømme, professor i nanoteknologi och forskaren Johan Forsgren, från Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet. På Ångströmlaboratoriet finns också Sara Frykstrand. Vi som finansierar Forskarhjälpen finansieras av Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF). SSF har som uppgift att stödja forskning inom naturvetenskap, teknik och medicin. Deltagande skolor Adolfsbergskolan i Örebro Bleketskolan på Tjörn Edsbergsskolan i Sollentuna Ekebyskolan i Sala Frillesåsskolan i Kungsbacka Futuraskolan i Täby Gudmundråskolan i Kramfors Hedebyskolan i Trosa Hovsjöskolan i Södertälje Kyrkskolan i Ludvika Lunaskolan i Stockholm Nya Påvelundsskolan i Västra Frölunda Roslagsskolan i Norrtälje Sigtunaskolan i Sigtuna Storsjöskolan i Östersund Tranängsskolan i Tranemo Vällingbyskolan i Stockholm Wämöskolan i Karlskrona

11 Nedanför finns et protokoll som ni fyller i under experimentets gång. När det är klart ska informationen rapporteras på rapporteringssidan under Datum för laboration Val av reagent Mängd reagent Färg på vätskan innan uppvärmning ph hos vätskan innan uppvärmning Färgförändringar under uppvärmning

12 Färg på vätska efter uppvärmning ph hos vätskan efter uppvärmning (sval) Färg på vätska 1 dag efter laboration Övriga observationer