В основе научного исследования лежат наблюдения, сделанные глазами; однако в нанонауке наши глаза подводят нас.
Самый маленький объект, который мы можем видеть, по-прежнему выглядит в тысячи раз больше, чем типичная наноструктура. Даже самые мощные микроскопы не могут напрямую заглянуть в наномасштаб.
Вот почему наноразмерные эксперименты открывают такие прекрасные возможности для обучения слепых и слабовидящих студентов науке и пробуждения их интереса к этой области, говорит Эндрю Гринберг, координатор по вопросам образования и информационно-просветительской работы в Университете Висконсин-Мэдисон Наноразмерный научно-технический центр. (NSEC) и Институт химического образования.
«Дело в том, что мы все слепы в наномасштабе», - говорит он. «Итак, сообщение для слепых студентов: «Это то, что вы можете сделать, это поле, в которое вы можете войти. У вас есть способность понимать, что происходит на наноуровне, так же, как и у любого другого».
Чтобы дать незрячим учащимся почувствовать - буквально - нанонауку и технологию, Гринберг и Мохаммед Фархуд, старший студент-биохимик, работающий с директором Центра биологического образования UW-Madison (CBE) Дэйвом Эвансом, строят трехмерные модели. наноповерхностей, которые достаточно велики, чтобы их можно было исследовать руками. Их первая попытка воспроизвести «NanoBucky», наноразмерную версию талисмана UW-Madison, Баки Бэджера, сделанную полностью из крошечных «волос» из углеродных нановолокон.
Гринберг и Фархуд представляют работу, финансируемую Национальным научным фондом, 27 марта на 233-м Национальном собрании Американского химического общества.
Созданный профессором химии Университета Вашингтона в Мэдисоне Бобом Хамерсом для демонстрации метода контроля роста наноматериалов, оригинальный NanoBucky настолько мал, что примерно 9 000 его может поместиться на головке булавки. Хотя гипсовые трехмерные модели Гринберга и Фархуда имеют длину в несколько дюймов и в десятки тысяч раз больше, они стремятся точно воспроизвести каждое нановолокно Баки до последнего.
«Мы хотим показать, что NanoBucky состоит из отдельных углеродных нановолокон, стоящих дыбом», - говорит Гринберг. «Если бы пальцы студентов были достаточно маленькими, поверхность выглядела бы именно так в наномасштабе».
Пара все еще совершенствует метод моделирования, в котором используется инженерный инструмент, называемый быстрым прототипированием. Но в конечном итоге Гринберг планирует проверить, помогают ли модели слепым студентам понять концепции нанонауки, особенно сложные способы сбора данных для создания двумерных изображений наноразмерных поверхностей.
Он также задается вопросом, могут ли трехмерные модели помочь зрячим студентам - или публике, если уж на то пошло - оценить наноразмеры. «Двумерное изображение - это здорово, - говорит он. «Но если вы можете что-то потрогать - всем это нравится». Гринберг впервые задумал модели во время визита в Школу для слепых в Индиане, где его коллега показал ему трехмерные модели молекул, которые слепые ученики использовали для изучения химических структур. Вскоре после этого он связался с Фархудом, мастером принтера для быстрого прототипирования в Биологическом центре новых медиа Университета Вашингтона. Чтобы помочь преподавателям объяснить сложные концепции в классе, Фархуд регулярно создает трехмерные модели из компьютерных изображений крошечных объектов, включая молекулы и клеточные структуры.
НаноБаки, тем не менее, был на собственной шкале. Начав с двухмерного изображения нано-талисмана в оттенках серого, сделанного с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), Фархуд сначала перевернул изображение, сделав черные части белыми, и наоборот. Затем он использовал различные оттенки серого на изображении, чтобы придать высоту углеродным нановолокнам: самому черному черному присвоили максимальную высоту, белому - нулевое значение, а компьютерная программа MATLAB вычислила все промежуточные значения.
Затем Фархуд отправил эти недавно полученные трехмерные данные в устройство быстрого прототипирования, которое слой за слоем укладывает гипс для «печати» трехмерных моделей.
Гринберг и Фархуд уверены, что могут создавать модели на основе данных, полученных с помощью других распространенных инструментов торговли нанотехнологиями, таких как атомно-силовая микроскопия (АСМ). На самом деле, с выходными данными АСМ оказалось легче работать, чем с изображениями РЭМ, говорит Фархуд, потому что данные уже трехмерные. Они также планируют воспроизвести другие наноразмерные поверхности, например, сделанные из материалов, называемых блок-сополимерами.
Помимо того, что их приятно трогать и держать в руках, Гринберг надеется, что модели побудят больше слепых и слабовидящих учащихся заниматься наукой, технологиями и инженерией. Поскольку современные средства обучения и исследований не позволяют им заниматься наукой самостоятельно, многие слепые студенты не считают науку привлекательным выбором карьеры.
«Одна из целей нашей программы - внести разнообразие в науку и технику», - говорит он. «Мы действительно хотим открыть эти карьеры для всех, кто заинтересован».