Prof. Dr. Maurício U. KleinkePECIM – PPG em Ensino de Ciências e Matemática

Grupo de Ensino e Avaliação DFA/IFGW/Unicamp

16 de setembro de 2017

Nanociência e Nanotecnologianos Vestibulares, no Enem

e na Sala de Aula

“Está cheio de espaço lá embaixo”

• Ano de 1959, uma proféticapalestra de Richard Feynman: (There is plenty of room at the bottom), proferida em um encontro da American Physical Society em 29 de dezembro de 1959.

• Nessa palestra ele abordou a miniaturização de registros de memória.

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3

4

5

Controlling the self-assembly of

nanoparticles into superlattices is an

important approach to build functional

materials.

Sumário

• O que é nano?

• Escalas e gráficos logarítmicos;

• Mundo nano no Vestibular Unicamp e no Enem;

• Drops.

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O QUE É NANO?

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Nan

oci

ênci

a e

Nan

ote

cno

logi

a

Pilha

Clips

Fio de cabelo

Bactéria

Vírus

Molécula

ESCALAS LOGARÍTMICAS E NANOTECNOLOGIA

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Escalas e medidas

• Nanotecnologia (pode) envolve(r) dois pontos muito difíceis para os alunos da educação básica:

• Potências de dez

• Gráficos em escala logarítmica

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ATIVIDADE COM ESCALA LOG E POTÊNCIA DE DEZ

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12

Nan

oci

ênci

a e

Nan

ote

cno

logi

a

Pilha

Clips

Fio de cabelo

Bactéria

Vírus

Molécula

Como trabalhar?

• Você é capaz de complementar com outros elementos o quadro apresentado?

• Você sabe escrever os nomes do prefixos do metro presentes no quadro ?

• Sugira colocar todos os tamanhos em um gráfico linear.

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0 2 4 6 8 10

Pilh

a

Clip

s

Cabelo

Bacté

ria

Vír

us

Molé

cula

Milímetros (mm)

Olhando o resultado gráfico

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0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Pilh

a

Clip

s

Cabelo

Bacté

ria

Esporo

sM

olé

cula

s

Milímetros (mm)

Olhando o resultado gráfico

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0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10

Pilh

a

Clip

s

Cabelo

Bacté

ria

Esporo

sM

olé

cula

s

Milímetros (mm)

Olhando o resultado gráfico

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A nova lógica da medida

• Como “enxergar” variações muito grandes e muito pequenas....

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10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

Pilh

a

Clip

s

Cabelo

Bacté

ria

Vír

us

Molé

cula

s

Milímetros (mm)

20

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

Pilh

a

Clip

s

Cabelo

Bacté

ria

Vír

us

Molé

cula

s

Metros (m)

MUNDO NANO NOS VESTIBULARES

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Enen & Unicamp

• Poucas ou quase nenhuma questão sobre nanotecnologia nas provas do Enem;

• Presença bem maior na prova da Unicamp, mostrando a diferença de perfil de ambas as provas.

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Excelente questão sobre o mundo nano!

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Possibilidades dessa questão!

• Microscópio

• Enxergamos os átomos com um microscópio.

• Como isso é possível, que tipo de microscópio é esse, como ele funciona.

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Possibilidades dessa questão!

• Escalas e ordens de grandeza

• Como utilizar corretamente potências de dez?

• Quais as escalas de comprimento envolvidas nessa questão?

• Qual o tamanho de uma molécula?

• Qual o tamanho de um átomo?

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Possibilidades dessa questão!

• Ruptura de paradigmas em teorias

• Temos a comprovação de que o modelo de condutividade empregado não funciona na escala atômica.

• Logo, temos que rever os modelos para condutividade nessa escala!

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Possibilidades dessa questão!

• Ruptura de paradigmas em teorias

• A confrontação de resultados experimentais como testes da validade de um modelo também estão propostas para serem exploradas.

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Possibilidades dessa questão!

• Nanotencologia

• Nas fronteiras muito pequenas tudo apresenta um comportamento distinto, as superfícies passam a ser mais importantes do que o interior das estruturas, a razão entre os átomos da superfície e os átomos “internos” muda significativamente!

29

30

• Igualar o fluxo em 1 s nos dois canais

• 𝐴𝑆 × 𝑣𝑆 = 𝐴𝑀𝐶× 𝑣𝑀𝐶

•𝜋𝐷2

4× 𝑣𝑆=

𝜋𝑑2

4× 𝑣2

• 𝑣2 = 𝑣𝑆 ×𝐷

𝑑

2= 4 × 10−3 ×

4×10−3

5×10−4

2

• 𝑣2 = 256 𝑚𝑚/𝑠

Escolaridade da Mãe e Acertos

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0 5 10 15 20

0

10

20

30

40

50

60

Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

A*

B

D

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𝑣2 = 𝑣𝑆 ×𝐷

𝑑= 4 × 10−3 ×

4×10−3

5×10−4

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• Menor comprimento de onda da luz incidente

• 𝑣 = 𝜆𝑓 × 𝑣𝑆 → 𝜆 =𝑣

𝑓

• Maior frequência da onda de luz incidente

• 𝜆 =𝑣

𝑓=

3×108

7,5 ×1014= 4 × 10−7𝑚 = 400 𝑛𝑚

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0 5 10 15 20

0

10

20

30

40

50

60

Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

B*

A

D

40

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Cidade alemã adota tecnologia que faz muros repelirem xixi

Revista Exame, 11 mar 2015

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0 5 10 15 20

0

10

20

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40

50

60

70

80

Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

B*

C

Novo Professor de Física

• Além de uma consolidada formação em Física, passa a ser necessário uma boa formação em ciências em geral;

• Não é abrir mão da formação atual, é ampliar o escopo de conhecimentos em ciências.

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49

SCIENCE VOL 334 28 OCTOBER 2011

50

Resolução do especialista

51

• 𝑊 = 𝑓 × 𝑑 = 𝑚𝑔 × 𝑑

• 𝑚𝑔 = 50 × 10−3 × 10

• 𝑑 = 1 × 10−3 × 0,1

• 𝑊 = 5 × 10−1 × 1 × 10−4

• 𝑊 = 5 × 10−5𝐽

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0 5 10 15 20

0

10

20

30

40

50

60

F

requência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

C*

A

B

Possíveis erros

• Esqueceu de multiplicar a massa pela aceleração da gravidade;

• Esqueceu de considerar apenas 10% do comprimento da fibra associado ao trabalho;

• Várias transformações de unidades.

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Especialista

• UI mede 0,2 μm ou 2x10-7 m

• Gira a 3 cm do eixo, com um perímetro em uma volta igual a 2πR ou 2x3x3x10-2

• Gira com uma frequência f de 120 Hz

#𝑈𝐼 = 𝑓 ×2𝜋𝑅

𝑈𝐼= 120 ×

18 × 10−2

2 × 10−7

#𝑈𝐼 = 120 × 9 × 105 = 1,08 × 108

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0 5 10 15 20

0

10

20

30

40

50

60

Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

D*

A

B

Possíveis erros

• Alternativa A

#𝑈𝐼 = 𝑓 ×𝜋𝑅2

𝑈𝐼= 120 ∗

27 × 10−4

2 × 10−7#𝑈𝐼 = 1,62 × 106

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Possíveis erros

• Alternativa B

#𝑈𝐼 = 𝑓 ×4𝜋𝑅

𝑈𝐼=4 × 3 × 3 × 10−2

2 × 10−7#𝑈𝐼 = 1,8 × 106

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Possíveis erros

• Alternativa B

#𝑈𝐼 = 𝑓 ×4𝜋𝑅

𝑈𝐼=4 × 3 × 3 × 10−2

2 × 10−7#𝑈𝐼 = 1,8 × 106

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Possíveis erros

• Alternativa B

#𝑈𝐼 = 𝑓 ×4𝜋𝑅

𝑈𝐼=4 × 3 × 3 × 10−2

2 × 10−7#𝑈𝐼 = 1,8 × 106

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0 5 10 15 20

0

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20

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40

50

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Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

C*

A

B

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0 5 10 15 20

0

10

20

30

40

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60

Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

C*

A

B

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66

0 5 10 15 20

0

10

20

30

40

Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

A*

C

D

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0 5 10 15 20

0

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20

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Fre

quê

ncia

de

Re

sp

osta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

A*

C

D

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0 5 10 15 20

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Fre

quência

de R

esposta

s

Anos de Escolaridade da Mãe

B*

A

D

Possíveis erros

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• Frase correta, porém fora do contexto;

A NANOTECNOLOGIA COMO EIXO TRANSVERSAL

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Ensino fundamental

1. Tamanho e Escala

2. Propriedades da Matéria

3. Partículas e a Natureza da Matéria

4. Modelamento

5. Forças Dominantes

6. Ferramentas

7. Auto Montagem

8. Tecnologia e Sociedade

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Integrating Nanoscience into the Classroom: Perspectives on Nanoscience Education Projects Andrew Greenberg

Ensino Médio

1. Tamanho e Escala

2. Propriedades que Dependem do Tamanho

3. Ferramentas & Instrumentação / Caracterização

4. Modelos & Simulações

5. Comportamentos Controlados pela Superfície

6. Impacto Social/Educação Pública

7. Auto Montagem

8. Razão Superfície/Volume

9. Mecânica Quântica

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Integrating Nanoscience into the Classroom: Perspectives on Nanoscience Education Projects Andrew Greenberg

DROPS

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Por que nanociência?

• Novas e incomuns propriedades físicas e químicas são observadas nessa nova escala.

• Um material metálico pode se tornar isolante quando em dimensões nanométricas.

• A cor de uma partícula de um dado material pode também depender da escala de suas partículas.

76Nanociências e nanotecnologia Marcos A. Pimenta, Celso P. Melo

Por que nanociência?

• Um material magnético pode deixar de se comportar como um imã ao ser preparado sob forma de amostras nanométricas.

• O ouro é inerte em sua estrutura macroscópica, pode se tornar bastante reativo quando transformado em nanopartículas.

77Nanociências e nanotecnologia Marcos A. Pimenta, Celso P. Melo

Efeitos de superfície

• Um cubo formado por mil átomos apresenta seiscentos deles, na superfície da amostra;

• Um grão de areia apresenta uma fração de átomos presentes na superfície irrisória quando comparada com o número total de átomos da amostra.

78Nanociências e nanotecnologia Marcos A. Pimenta, Celso P. Melo

Efeitos de superfície

• Ocorre que os átomos da superfície participam de todas as interações físicas e químicas do material com o meio no qual ele está inserido, como a troca de calor, processos de oxidação, etc.

79Nanociências e nanotecnologia Marcos A. Pimenta, Celso P. Melo

Os relógios

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“Está cheio de espaço lá embaixo”

• Ano de 1959, uma profética palestra de Richard Feynman: (There is plenty of room at the bottom), proferida em um encontro da American Physical Society em 29 de dezembro de 1959.

• Nessa palestra ele abordou a miniaturização de registros de memória como letras impressas (mas hoje em dia podemos falar diretamente de bits e suas dimensões).

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Citações no Google

• Em janeiro de 2005, o termo “nanotecnologia” aparece 33.400 vezes no Google, apenas em páginas brasileiras.

• Agosto de 2017 Aproximadamente 965.000 resultados, apenas em páginas brasileiras.

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MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO!

kleinke@ifi.unicamp.br

A apresentação estará no sitehttp://sites.ifi.unicamp.br/kleinke/escolas-de-fisica-cesar-lattes/