Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y Bachillerato

Trabajo Final del Máster Universitario de Profesor de Educación Secundaria Obligatoria, Bachillerato, Formación Profesional y Enseñanza de Idiomas (Especialidad: Física y Química). Curso 2018-2019 Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato Presentado por: Andrea Livián López Dirigido por: Dr. Manuel Bardají Luna ÍNDICE 1. Resumen………………………………………………………………………………………………………………… 1 2. Abstract………………………………………………………………………………………………………………….. 2 3. Introducción…………………………………………………………………………………………………………… 3 3.1 Justificación del trabajo…………………………………………………………………………………….. 4 4. Objetivos………………………………………………………………………………………………..……………… 5 5. Revisión del currículo de E.S.O y Bachillerato…………………………………………………..……. 5 5.1 Currículo en la E.S.O…………………………………………………………………………………………. 6 5.2 Currículo en Bachillerato………………………………………………………………………..……….. 7 5.3 Competencias clave…………………………………………………………………………………………. 8 6. Los nanomateriales…………………………………………………………………………………….………….. 11 6.1 Definición y clasificación…………………………………………………………………………..………. 11 6.2 Historia y evolución de los nanomateriales………………………………………….……………. 13 6.3 Relación de los nanomateriales y la vida cotidiana……………………………….……..…… 17 6.4 Toxicidad y normativas al respecto……………………………………………………………………. 21 6.5 El grafeno: La nueva piedra filosofal…………………………………………………..…………….. 22 7. Enseñanza y aprendizaje de los nanomateriales en la E.S.O y Bachillerato………..…. 24 7.1 Enseñanza-aprendizaje de los nanomateriales………………………………………..………… 24 7.2 Actividades tradicionales……………………………………………………………….………..……….. 25 7.3 Nanoilustraciones……………………………………………………………………………....…………….. 35 7.4 Pensamiento crítico……………………………………………………………………………..……………. 57 8. Atención a la diversidad……………………………………………………………………………..………….. 62 9. Conclusiones………………………………………………………………………………………….…….………… 63 10. Bibliografía………………………………………………………………………………………......................... 65 11. Listado de tablas y figuras………………………………………………………………………………………. 11.1 Listado de tablas……………………………………………………………………………………………… 11.2 Listado de figuras……………………………………………………………………………………………. 67 67 68 Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 1 1. Resumen Los avances científicos en nanociencia y en nanotecnología se han incrementado exponencialmente en las últimas décadas y gracias a ellos, cada vez son más las investigaciones acerca de nanomateriales que proporcionan mayor versatilidad y una mejoría en sus propiedades respecto a sus versiones de mayor tamaño, las cuales permiten desarrollar aplicaciones en diversos ámbitos sociales, que hace unos años eran impensables. Se han producido avances en la medicina, la electrónica, la tecnología y los transportes, entre otras. Desde el presente Trabajo de Fin de Master, se construye una propuesta didáctica que consta de una serie de actividades y experiencias prácticas elaboradas empleando tanto metodologías tradicionales como innovadoras, cuyo objetivo es el aprendizaje de conceptos relacionados con los nanomateriales, su estructura, propiedades y aplicaciones reales o potenciales, que tiene como objetivo formar individuos que observen, desde un punto de vista reflexivo, estos descubrimientos presentes en la sociedad que habitan. De un modo transversal, se pretende por un lado, fomentar la reflexión acerca de la posición que ocupan estos contenidos en el proceso educativo, que a pesar de la importancia que van cobrando, aún quedan relegados a un segundo plano en los currículos de E.S.O. y bachillerato y por el otro, proporcionar una serie de herramientas a otros docentes para que en combinación con su experiencia, sus criterios y sus nuevas ideas, puedan transmitirlos en las aulas de forma motivadora y cercana para suscitar el interés de las nuevas generaciones por la nanociencia y la nanotecnología. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 2 2. Abstract The scientific advances in nanoscience and nanotechnology have increased exponentially in recent decades and thanks to them, more and more research on nanomaterials that provide greater versatility and an improvement in their properties with respect to their larger versions, which they allow the development of applications in various social fields, which were unthinkable a few years ago. Thanks to them, advances have been made in medicine, electronics, technology and transport, among others. From the present Master's Thesis, a didactic proposal is constructed that consists of a series of activities and practical experiences elaborated using traditional and current methodologies, whose objective is the learning of concepts related to nanomaterials, their structure, properties and real or potential applications, which aims to train individuals to observe, from a reflective point of view, these discoveries present in the society they inhabit. In a transversal way, it is intended, on the one hand, to foster reflection on the position that these contents occupy in the educational process, which despite the importance they charge, are still relegated to the background in ESO's curricula and baccalaureate and, on the other, provide a series of tools to other teachers so that in combination with their experience, their criteria and their new ideas, they can transmit them in the classroom in a motivating and close way to arouse the interest of the new generations for nanoscience and nanotechnology. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 3 3. Introducción La importancia que han ido cobrando los nanomateriales durante los últimos años en nuestra sociedad continúa creciendo exponencialmente. Estos materiales a escala nanométrica son la consecuencia de los avances en disciplinas como la nanociencia y la nanotecnología y son empleados para el desarrollo de infinidad de aplicaciones, centradas en diversos sectores de la sociedad, que proporcionan mejoras y contribuyen al bien común de los ciudadanos. Los sectores de la sociedad en los que estas aplicaciones proporcionan impensables avances van desde la medicina, la tecnología, la electrónica, la moda, el deporte, la defensa o el transporte, hasta la construcción. Los alumnos que participan del proceso educativo a los largo de los años han visto, quizás sin ser conscientes, muchos de los avances que estos diminutos materiales nos proporcionan. Las nuevas generaciones han nacido en la era de la nanociencia y la nanotecnología, y es por ello que es imprescindible que desde las escuelas se aborden estos contenidos, ya que de otro modo quedarían obsoletas y totalmente desconectadas de la revolución que está viviendo la sociedad en este aspecto. La educación en estos conceptos puede resultar un motor de motivación y curiosidad para estos alumnos, puesto que al igual que en otras disciplinas científicas, los descubrimientos no tienen fin, ni límites. Siempre habrá algo por lo que seguir investigando. Presentar estos contenidos desde la importancia que tienen, de un modo atractivo, puede ayudar a despertar la vocación investigadora de algún alumno, ya que no suele ser lo común, y este hecho resulta preocupante. Las mentes con nuevas ideas y espíritu por cambiar las cosas son el aval de una sociedad moderna. Desde el ámbito educativo, al igual que de otras cuestiones de las que están tomando conciencia los jóvenes como lo es la cuestión medioambiental, se debería promover la importancia de las inversiones económicas en ciencia por parte de los gobiernos de los diferentes países. El presupuesto económico en I+D en España alcanza la cifra de 14.052 millones de euros en el año 2017 [15], y aunque podría considerarse como asequible, no es suficiente para poder costear las investigaciones a las que tendrán que hacer frente las Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 4 nuevas generaciones. Pero estas aspiraciones tan solo se podrán satisfacer si también desde la enseñanza de las ciencias se fomenta el pensamiento crítico, tan imprescindible en avances de los que no se conocen ni sus alcances ni riesgos. En este trabajo se presenta una propuesta educativa para la enseñanza de la nanociencia y la nanotecnología tanto en E.S.O. y en bachillerato. Se trata de darle un contexto a las informaciones relacionadas con estos avances científicos y tecnológicos que reciben los alumnos desde los diversos medios de comunicación. Al contrario que la enseñanza de otros contenidos científicos, que resultan áridos de relacionar con lo ordinario , al desarrollar las actividades que propone este TFM se trata de contextualizar y explicar algo que ya forma parte de la vida cotidiana y que muchas veces se escapa de nuestros conocimientos por lo novedoso. Tratar de conocer cómo se nos proporciona salud, como se alcanzaron las propiedades textiles de nuestra ropa, si en algún momento tendremos pantallas plegables en nuestros teléfonos móviles o por qué la raqueta de Rafa Nadal aguanta todos los golpes [11] podría considerarse como fuente de curiosidad, investigación y motivación para los alumnos. 3.1 Justificación del trabajo Las actividades que aparecen recogidas en el presente trabajo se proponen con el fin de dar la visibilidad necesaria a estos conceptos, que no ocupan un papel fundamental en los currículos de E.S.O. y bachillerato, y de proporcionar herramientas didácticas a otros docentes que deseen darle mayor protagonismo a estos contenidos en el aula. Con la búsqueda de información, las ilustraciones de algunas propiedades de estos nanomateriales, la experimentación [5] y la confrontación de ideas los alumnos adquieren las herramientas idóneas para observar la nanotecnología desde un punto de vista reflexivo ante todas las informaciones que se emiten desde diferentes ámbitos e intereses políticos o comerciales. Con esta propuesta didáctica se les introduce en un mundo en constante cambio y evolución, en el que los descubrimientos de la década anterior son considerados obsoletos, Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 5 se les motiva por tanto a estar permanentemente informados. Tratando, en el mejor de los casos, de despertar el espíritu investigador de algunos alumnos. Finalmente se han tratado de emplear diferentes metodologías [1] para desarrollar las actividades, puesto que de este modo se muestra al alumno diferentes formas de enseñar y por consecuencia de aprender, dando un abanico más amplio a la tarea más importante que cualquier alumno tiene, aprender a aprender. 4. Objetivos  Comprobar el currículo relacionado con los nanomateriales en E.S.O. y bachillerato regulado por las órdenes vigentes.  Ahondar en la historia de los nanomateriales, desde sus inicios hasta los últimos avances y las repercusiones y aplicaciones sociales que han tenido.  Desarrollar una propuesta didáctica que combine la enseñanza tradicional con metodologías novedosas teniendo como eje central el aprendizaje de aspectos relacionados con los nanomateriales desde un punto de vista práctico y motivador.  Proponer a los actuales y futuros docentes diferentes herramientas metodológicas y actividades para impartir contenidos relacionados con los nanomateriales.  Dotar a los alumnos de las herramientas necesarias para cuestionarse los nuevos avances en el campo de la nanociencia y la nanotecnología.  Guiar al estudiante en el contraste de los aspectos positivos y negativos de la falta de límites ante un avance científico. 5. Revisión del currículo en E.S.O. y bachillerato. Para estudiar los contenidos que se imparten, los criterios de evaluación y los estándares de aprendizaje evaluables existentes en los diferentes cursos se han de consultar la Orden EDU/362/2015 [17] y la Orden EDU/363/2015 [18] para la E.S.O. y bachillerato, respectivamente. Tras la revisión de estos documentos se observa que las asignaturas en las que se enseñan contenidos relacionados con los nanomateriales son cultura científica de 4º de E.S.O., física y química de 1º de bachillerato y se nombran, aunque no se expliquen en profundidad, en la Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 12 consecuencia directa de esto es una modificación notable en sus propiedades. De hecho las leyes clásicas de la física dejan paso a la física cuántica cuando se habla de estos materiales [23]. Lo que diferencia estos materiales de otros es su tamaño nanométrico, pero es cierto que esto puede resultar una acotación poco concreta, ya que existen diversos tipos de materiales que presentan ese tamaño, por ello es necesario establecer diferentes clasificaciones en base a varios criterios. Una de las clasificaciones más comunes divide a los nanomateriales según sus dimensiones. Indicando con la nomenclatura cuantas de las dimensiones de la nanoestructura superan el rango de la nanoescala se establecen cuatro categorías en base a esta clasificación: OD, 1D, 2D, 3D [14].Por ejemplo, para los nanomateriales 0D, ninguna de las dimensiones de su estructura supera la nanoescala. Sin embargo, los nanomateriales 3D tienen las tres dimensiones fuera del rango nanométrico, pero su estructura interna se trata de una nanoestructura. Categorías Nombre Nanomaterial OD Cerodimensional Nanoparticulas, nanocristales y nanoclusters 1D Monodimensional Nanohilos y nanotubos 2D Bidimensional Grafeno 3D Tridimensional Tabla 5. Cuadro explicativo de la clasificación dimensional de los nanomateriales. Otras clasificaciones pueden estar centradas según la naturaleza química de los nanomateriales, dividiéndolos en orgánicos e inorgánicos. Otra que se puede encontrar en la literatura es la referente a la procedencia, habiendo nanomateriales naturales, producidos por árboles plantas volcanes o espumas marinas, incidentales, producidos por la combustión de vehículos o en procesos industriales, o sintéticos. Existen infinidad de nanomateriales, por tanto es común encontrar diversas clasificaciones centrándose cada una en unas determinadas características. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 13 6.2 Historia y evolución de los nanomateriales Es común encontrar la creencia de que los nanomateriales datan de nuestra historia más reciente, sin embargo, se tiene constancia de ellos desde la historia más antigua de la humanidad, a pesar de que en ese periodo no eran reconocidos como tales. Algunos fósiles de moluscos presentan nanoestructuras en sus caparazones, gracias a las cuales, las grietas no han podido seguir penetrando hasta hacerlos quebrar y es por ello que tenemos esta evidencia en nuestros días. Los nanomateriales ya fueron empleados por los humanos contemporáneos a la era del Mesolítico, cuando moldeaban la cerámica tradicional fabricada con arcillas nanométricas. Las nanopartículas ya fueron empleadas por las civilizaciones más antiguas alrededor de los siglos IV y V a.C. La civilización egipcia empleaba nanopartículas de sulfuro de plomo (II), PbS, para oscurecerse el cabello y la china y la india, nanopartículas de oro para curar algunas enfermedades como ulceras cutáneas sífilis o rubeola. Un ejemplo llamativo en el que se tiene constancia de la presencia de las nanopartículas es la copa de Licurgo [6], que se encuentra expuesta en el British Museum de Londres. Esta pieza de arte romano, que data del siglo IV a.C., está impregnada con nanopartículas de oro y de plata, lo que le permite pasar de una tonalidad a otra cuando es iluminada. Figura 2. Los dos colores que presenta la copa de Licurgo cuando es iluminada. Se constató la presencia de las nanopartículas que recubrían este material gracias al empleo de la técnica de microscopia electrónica de transmisión (MET) [6], que consiste en la Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 14 focalización de un haz acelerado de electrones en una muestra de grosor muy bajo. Cuando los electrones colisionan con la muestra dependiendo del grosor y tipo de átomos que la forman, parte de ellos son dispersados selectivamente y otros atraviesan la muestra. Todos ellos son conducidos y modulados por unas lentes para formar una imagen final sobre una placa fotográfica que permite hacer miles de aumentos de la imagen, con distintas tonalidades de gris, que se corresponden al grado de dispersión de los electrones incidentes. Figura 3. Partícula de aleación de plata y oro obtenida de emplear esta la técnica MET en la copa la copa de Licurgo. Siglos más tarde, en la Edad Media, estas partículas se empleaban para dar coloración a las vidrieras de algunas construcciones góticas de la época. Figura 4. Vidriera coloreada con nanopartículas. El primer testimonio escrito de estas nanoparticulas aparece recogido en el año 1769 y se nombran con el término de “oro potable”, recogido en el diccionario francés de la Química, Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 15 haciendo referencia a un supuesto oro bebible que no era más que partículas de oro finamente divididas. En el siglo XIX (1857), el científico británico Michael Faraday preparó disoluciones de nanoparticulas de diversos metales, aunque en aquella época eran conocidas como disoluciones coloidales. Figura 5. Retrato de Michael Faraday. A pesar de que los nanomateriales han existido entre nosotros desde hace tiempo incalculable, el 29 de diciembre del año 1959 [14], el prestigioso premio nobel del física Richard Feynman pronunció su conferencia en el instituto tecnológico de California (CalTec). Este hecho es considerado, por la mayor parte de la comunidad científica, como el comienzo de la nanotecnología o al menos su antecedente clave. El título de esta histórica conferencia fue “There is plenty of room at the bottom” y hace referencia a que podemos trabajar incluso con los objetos de tamaño más pequeño. Figura 6. El premio nobel de física Richard Feynman pronunciando su discurso en el Caltec. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 16 Unos años más tarde, en el año 1985 se produce otro hecho relevante en la historia de los nanomateriales, los científicos Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley descubren una forma alotrópica del carbono, de fórmula molecular C60, que posteriormente será denominada como fullereno en honor al arquitecto Buckminster Fuller. Por este avance científico reciben el premio nobel de química en el año 1996. Figura 7. Fullerenos con diferente número de carbonos. Temporalmente a la par que el descubrimiento del fullereno, el científico Eric Drexler, ingeniero del instituto tecnológico de Massatchuses y actual presidente del Foresight Institute publica en el año 1986 el libro “Engines of Creation “. Este libro, donde el visionario relata los peligros y promesas de la manipulación molecular, es considerado la guía por excelencia de la nanociencia y la nanotecnología y el punto de referencia de los posteriores avances en este campo. Figura 8. Portada del libro “Engines of Creation “escrito por Eric Drexler. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 17 En el año 1991 el científico japonés Sumio Iijima descubre lo que conocemos como nanotubos de carbono (CNTs). Figura 9. Esquema de la estructura de un nanotubo de carbono El último nanomaterial descubierto ha sido el grafeno. Este material fue sintetizado por primera vez en el año 2004 y a pesar de ello, no saltó a la fama hasta que sus descubridores, Andre Geim y Konstantin Novoselov, recibieron el premio nobel de física en el año 2010 [8] y como ya se apuntó, en aquel momento, las aplicaciones del grafeno son innumerables, hecho que seguimos comprobando en la actualidad. Figura 10. Representación de la estructura de una lámina de grafeno. 6.3 Relación de los nanomateriales y la vida cotidiana La cantidad de nanomateriales que están presentes en la sociedad, permite a los científicos e investigadores tener un vasto abanico de diferentes propiedades disponibles para crear la tecnología que les permita obtener su máximo rendimiento. Por la versatilidad que presentan, los nanomateriales mejoran diferentes ámbitos de nuestra vida como lo es la medicina, los transportes, la construcción, la electrónica, la moda o el deporte, entre otras, y además sustituyen a muchos de los materiales equivalentes, ya que para conseguir el mismo efecto se necesita mucha menos cantidad de sustancia. A pesar de que es un hecho constatado que existen infinidad de aplicaciones, tan solo voy a Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 18 nombrar algunas de ellas por su relevancia o por la participación de grupos de I+D españoles. Unos de los avances más revolucionarios en el ámbito de la medicina es el rápido diagnóstico de enfermedades, como el VIH o el Ébola, gracias a nanopartículas magnéticas que acopladas a un biosensor, actúan como traductoras de información procedente de los propios virus que originan estas enfermedades [9]. Existen otras muchas aplicaciones de los nanomateriales tanto en el diagnóstico de enfermedades, como en su tratamiento, utilizando para ellos nanopartículas magnéticas de óxido de hierro, nanopartículas coloreadas de oro o plata o nanotubos de carbono. Un claro ejemplo es el empleo de nanomateriales modificados en el tratamiento de cánceres para interaccionar directamente con ellos [4]. Por otra parte, Investigadores de la universidad Carlos III de Madrid en colaboración con los integrantes de la empresa CEOSA-Euroortodoncia han aumentado, de un modo biocompatible, la resistencia mecánica y a la abrasión de los brackets de polisulfona, que es un plástico muy resistente de aspecto transparente, incluyendo de forma homogénea duras nanopartículas de alúmina en su estructura[20]. Figura 11. Brackets de polisulfona con nanopartículas de alúmina en su estructura La creación de estos nuevos plásticos nanoreforzados ha sido patentada por la empresa CEOSA-Euroortodoncia junto a los investigadores de la universidad Carlos III y está siendo usada en la fabricación de equipos médico-quirúrgicos, donde tan importantes son las características alcanzas. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 19 La universidad politécnica de Cartagena inició en el año 2016 el proyecto denominado “Aplicaciones del Grafeno en Equipos Personales para la Defensa, (A.G.E.P.A.D)” que estudia incrementar la resistencia, sin perder el confort, de introducir grafeno en la estructura de los chalecos antibalas ante el impacto de disparos de AK-47[10]. Esta investigación ha concluido en septiembre de 2018 con las pruebas por parte de la escuela de infantería general de Albacete y Fuster (Eimgaf) y la conclusión ha sido que los avances obtenidos son muy positivos y prometedores. Una de las investigaciones más punteras en este sectortextil es la que están llevando a cabo un grupo de investigadores de la universidad RMIT de Melboure en Australia, que afirman que ya no tendremos que lavar la ropa debido a que las manchas se eliminarán, gracias a unas nanoestructuras que se incorporaran a las fibras textiles y son capaces de degradar la materia organica simplemente con su exposición a la luz [3]. Respecto a los transportes, las nanopartículas acrílicas empleadas como recubrimiento a las pinturas de algunos aviones, se introducen entre los poros de su superficie originando una película que impide el posterior depósito de contaminantes y otras sustancias presentes en la atmosfera consiguiendo aparatos más aerodinámicos y con menor consumo de combustibles , lo que tiene elevados beneficios económicos y medioambientales. Figura 12. Comportamiento de un fluido sobre una superficie recubierta de con pinturas acrilicas en las que se han añadido nanopartículas. Otro avance en este campo es el emplo de nanoparticulas de silice en la prolongación de la vida de los neumáticos haciendolos menos propensos a desgastarse y de este modo reducen el consumo de combustibles y las emisiones de gases contaminantes[3]. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 20 En la industria microelectrónica, los nanomateriales están más presentes que nunca, de hecho el término estrictamente correcto para denominarla sería “nanoelectrónica”. Con el transcurso de los años, muchos de los dispositivos electrónicos que empleamos cotidianamente son capaces de almacenar más información en un espacio cada vez más pequeño. Cada uno de ellos está integrado por un determinado número de transistores, que no son más que dispositivos semiconductores de silicio empleados en transmitir y amplificar las señales, y que son capaces de almacenar la información disminuyendo su tamaño cada vez más, llegando a la nanoescala. Esta tendencia es cuantificada por la ley de Moore desde el año 1971, cuando se creó el primer chip, hasta la actualidad, que afirma que el número de transistores de cada dispositivo se va duplicando aproximadamente cada dos años [23]. Respecto a las aplicaciones impensables que quizás se puedan alcanzar en los próximos años, grandes empresas de telefonía móvil investigan la creación de un Smartphone con la pantalla autorreparable. Esta tecnología está basada en microesferas que contienen un líquido cuya composición mayoritaria es de carbono. Cuando la superficie quiebra, estas microesferas liberan el líquido que contienen. Esta sustancia inicia una polimerización del material gracias a la ayuda de un catalizador presente en su estructura, que le permitirá regenerar la pantalla. Si estas investigaciones llegan finalmente a sus objetivos, se trataría de una revolución inimaginable en otros sectores como por ejemplo el automovilístico. En infinidad de materiales empleados en el ámbito deportivo, como raquetas, zapatillas y ropa deportiva o cuadros de bicicleta se introducen pequeñas cantidades de grafeno en sus estructuras, lo que les confiere, teniendo en cuenta que el grafeno es 100 veces más duro que el acero siendo infinitamente más ligero, mejores propiedades mecánicas, o una redistribución optimizada del peso[3]. También son relevantes los avances en el sector medioambiental. Las pinturas que recubren algunos automóviles están compuestas por catalizadores fabricados de nanomateriales que poseen la ventaja de poseer mayor superficie activa, lo que les confiere mayor facilidad en la captación de los gases de combustión y transformarlos en gases no contaminantes.[3] Además ciertas nanopartículas son empleadas en la depuración del agua participando en una reacción química para obtener productos inofensivos a partir de productos contaminantes. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 21 En el sector de la construcción, los nanotubos de carbono son empleados para la prevención de grietas en el cemento, la mejora de las propiedades térmicas y mecánicas en la cerámica. Sin embargo, para el refuerzo del hormigón se emplean nanoparticulas de óxido de silicio, SiO2 las cuales también proporcionan propiedades ignifugas a las ventanas. En la industria alimentaria el objetivo que los investigadores pretenden alcanzar es reestructurar los alimentos a nivel atómico o molecular para mejorar sus propiedades y quizá en un futuro no muy lejano podamos disfrutar de una hamburguesa que reduzca el colesterol. En los productos de cosmética e higiene personal, el empleo de las nanoemulsiones está al orden del día, siendo el tamaño típico de estas partículas de 10 nm. Estas estructuras son transparentes y presentan propiedades que no han sido obtenidas con otros productos. Podemos encontrar nanomateriales en productos antiedad, correctores de ojeras, coloretes, cremas para el tratamiento del picor, protectores solares, entre otras [3]. El descubrimiento y la síntesis de estos materiales se tratan la punta de lanza de la ciencia y es por ello que, deberán cobrar un peso más relevante en la educación escolar. 6.4 Toxicidad y normativas respecto Ante los avances tan rápidos de la nanotecnología son varios organismos que demandan una regulación al respecto. Desde el Parlamento Europeo, desde varios Estados Miembros y Organizaciones No Gubernamentales (ONGs) se promueve un nano-inventario en el que se recojan de forma detallada los tipos y usos de los nanomateriales siendo los principales destinatarios de esta información las autoridades, las instituciones públicas, los trabajadores o las organizaciones ambientales o de consumidores. El registro REACH europeo (Reglamento de registro, evaluación, autorización y restricción de sustancias químicas) no se aplica a los nanomateriales ya que este se limita a sustancias químicas que se fabrican en cantidades superiores a tonelada al año, siendo este otro de los motivos por los que se promueve un registro armonizado y único a escala de UE [3]. Será imprescindible en las décadas futuras profundizar en el conocimiento y regulación de los nanoplásticos, ya que pueden ser altamente perjudiciales para el medioambiente Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 28 Figura 14. Imagen que se observa al visitar: http://www.splicd.com/ - Glogster: Con esta herramienta se pueden crear murales online, multimedia e interactivos haciendo mucho más atractiva tanto la preparación del mural como la exposición de este mismo al resto de compañeros Figura 15. Ejemplo de murar que se podría obtener con https://edu.glogster.com/ -Tiki Toki: Gracias a este recurso los alumnos pueden crear líneas temporales interactivas muy visuales y altamente atractivas Figura 16. Ejemplo de creación de una línea temporal con https://www.tiki-toki.com/ Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 29 Temporalización Sesiones Desarrollo 1 Explicación teórica del docente. 30 minutos Introducción del trabajo. 10 minutos División de la clase en grupos y elección la aplicación. 10 minutos 2 Búsqueda de información con los recursos digitales disponibles bajo la ayuda y supervisión del docente. 3 Exposiciones en el aula, contando con los apuntes del docente al final de cada exposición y con las posibles preguntas de los compañeros. 4 5 6 Tabla 7. Temporalización de la Actividad 1. La metodología empleada: Este tipo de actividades se basan en el aprendizaje cooperativo (AC), ya que los alumnos alcanzan su aprendizaje por medio del trabajo conjunto con el resto de sus compañeros en combinación con el aprendizaje basado en problemas (ABP), de tal modo que los conceptos son adquiridos por los alumnos resolviendo ellos mismos, con ayuda de sus compañeros, las dificultades para organizar, transmitir y desechar los contenidos encontrados [1]. Es importante desatacar que en este tipo de actividades el docente tiene un papel de moderador y de guía. Por un lado, tendrá que resolver de un modo diplomático y ético los problemas que puedan surgir a la hora de elegir la aplicación que va a desarrollar cada grupo, debido a que es probable que surjan conflictos de intereses que deben ser resueltos de un modo dinámico, teniendo en cuenta que el tiempo es un factor limitante. Por otra parte, debe ser el orientador en el proceso de búsqueda de información de los alumnos cuando estos demanden su ayuda y además deberá tener un papel crítico cuando estos expongan su trabajo para no inducir al resto de compañeros a error siempre efectuando críticas objetivas y constructivas. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 30 Las competencias trabajadas: CCL CMCT CD CPAA SIE CEC CSC       Tabla 8. Competencias trabajadas con la Actividad 1. Los objetivos que se pretenden alcanzar con esta actividad:  Conocer que son los nanomateriales y la nanotecnología.  Estudiar cuál es la estructura, las propiedades y quienes fueron los descubridores del fullereno, del grafeno y de los nanotubos de carbono.  Investigar a cerca de las aplicaciones en los diversos ámbitos de la sociedad del fullereno, del grafeno y de los nanotubos de carbono.  Conocer otros nanomateriales y sus aplicaciones.  Transmitir los conceptos adquiridos tras la búsqueda al resto de los compañeros expresándose de un modo correcto y ordenado, sabiendo gestionar el tiempo empleado en cada intervención. Evaluación de la actividad: Para evaluar este tipo de actividades es interesante hacerlo mediante rúbricas:  Trabajo en equipo. La rúbrica que se muestra a continuación sirve para que los alumnos autoevalúen su trabajo en el grupo y evalúen al resto de miembros. Con esto se pretende que los alumnos desarrollen las habilidades sociales y además aprendan a ser asertivos. También será interesante para fomentar la autocrítica y la reflexión personal. Nunca Algunas veces Siempre Muestra/muestro interés en el trabajo Debate/debato con argumentos sus/mis Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 31 puntos de vista Colabora/colaboro en el trabajo en equipo Trabaja/trabajo con agrado en el equipo Facilita/facilito la organización del equipo. Aporta/aporto ideas para la comprensión del tema Escucha/escucho con atención a sus/mis compañeros Expresa/expreso sus dudas al equipo Llega/llego puntual a los encuentros del grupo Entrega/entrego su/mi parte del trabajo a tiempo Tabla 9. Rúbrica de evaluación del trabajo en grupo para la Actividad 1. Nunca Algunas veces Siempre Puntuación 0 0.5 1 Tabla 10.Puntuación de la rúbrica de evaluación del trabajo en grupo para la Actividad 1  Trabajo escrito Para la evaluación del trabajo escrito el profesor tendrá en cuenta el índice que propuso en la introducción del trabajo: Índice Máximo de puntuación Introducción y conclusión 2 Historia 2 Propiedades 2 Aplicación 2 Problemas 2 Tabla 11. Puntuación para cada apartado del trabajo escrito de la Actividad 1 Para evaluar cada apartado se tendrán en cuenta factores como: Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 32 - La calidad de la redacción - La originalidad - La veracidad de las fuentes - La corrección de la información - El correcto uso de la gramática - La síntesis y el desarrollo de ideas  Exposición oral Para evaluar la exposición oral tanto del profesor a los alumnos y de los alumnos al resto de compañeros. Malo Aceptable Bueno Muy bueno Contenido Presentación Secuenciación Pronunciación y volumen Postura Tabla 12. Rúbrica de evaluación para las exposiciones orales de la Actividad 1. Malo Aceptable Bueno Muy bueno Puntuación 0 0.5 1 2 Tabla 13. Puntuación de la rúbrica de evaluación de las exposiciones para la Actividad 1. Para concluir la evaluación, los porcentajes que tendrá cada parte de la actividad serán:  Evaluación del trabajo escrito Será el 60% de la nota final de la actividad, se evaluará íntegramente por parte del profesor, de un modo conjunto para todos los miembros, en base a los criterios recogidos en la rúbrica correspondiente.  Evaluación de las exposiciones La exposición corresponderá al 30% de la nota final, de ese porcentaje el 5% será evaluado por los alumnos y el 25% por parte del profesor. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 33  Evaluación del trabajo en grupo El trabajo en grupo será el 10%, del cual el 5% será evaluado por parte del profesor y el otro 5% por parte de los alumnos, tanto a otros integrantes como a ellos mismos. Cuando estén puestas todas las calificaciones el profesor hará una reflexión con los alumnos acerca de la importancia de la objetividad al evaluar.  Actividad 2.Nanobrainstorming. Nivel del alumnado al que va dirigida: Esta actividad también será desarrollada para la asignatura de cultura científica de 4º de E.S.O. También puede ser implementada para el nivel de 1º de bachillerato, tanto para la asignatura de cultura científica como para la asignatura de física y química. El desarrollo de la actividad: Esta actividad puede ser considerada como una actividad complementaria de refuerzo a la Actividad 1. Exposiciones en el aula y se pondrá en práctica en la sesión inmediatamente después a la última exposición. Durante esta actividad se volverán a poner en juego todos los conceptos desarrollados a lo largo de las exposiciones por medio de una lluvia de ideas. Los alumnos irán recogiendo en el cuadro proporcionado por el profesor, que se muestra a continuación, todos los datos que se estén trabajando durante la actividad. Nanomaterial Grafeno Fullerenos … Estructura Descubridor Tipo Año y modo de descubrimiento Propiedades Aplicaciones Sector de la sociedad Tabla 14. Ficha que les entregará a los alumnos para que sea rellenada conjuntamente. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 34 El profesor inicia el “nanobrainstorming” nombrando un nanomaterial explicado en alguna de las exposiciones y a partir de eso los alumnos, respetando el turno de palabra irán nombrando en relación a este, los diferentes aspectos que aparecen recogidos en el cuadro. Cuando se complete cada columna se hará una reflexión por parte del profesor para afianzar los conceptos y para aclarar posibles datos ambiguos y errores cometidos por parte de los alumnos, que quizás pudieran haberse pasado por alto en el transcurso de las exposiciones. Cuando toda la información quede perfectamente ordenada y trabajada se le pedirá a cada portavoz del grupo que efectúe un comentario acerca del nanomaterial y toda la información relacionada con él. Temporalización: Esta actividad podrá ser llevada a cabo tan solo en una sesión, puesto que es complementaria a la Actividad 1. Exposiciones en el aula, para afianzar los conceptos aprendidos en ella. La metodología empleada: El aprendizaje cooperativo (AC) es la metodología en la que se centra esta actividad, puesto que los alumnos van adquiriendo sus conocimientos gracias al intercambio de ideas de otros compañeros y además van construyendo sus propias reflexiones al escuchar los desarrollos argumentales del resto de portavoces de los diferentes grupos. Con esta metodología se permite distribuir las oportunidades de intervención de un modo equitativo para todos los alumnos respetando las diferentes opiniones. Al construir un cuadro resumen se promueven las metodologías favorecedoras de la metacognición, ya que la clasificación ordenada de los conocimientos e ideas estructura su pensamiento y categoriza y jerarquiza la información. Cuando se haya completado la actividad los alumnos dispondrán del cuadro resumen para que puedan llevar a cabo de un modo más fácil su trabajo personal. Con esta actividad también se les proporciona un ejemplo de una útil técnica de estudio. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 35 Los objetivos que se pretenden alcanzar con esta actividad:  Afianzar, corregir y sintetizar los conceptos trabajados a lo largo de las exposiciones.  Proporcionar a los alumnos un buen material de repaso para cuando ellos tengan que trabajar el aprendizaje memorístico de un modo individual.  Desarrollar la capacidad de argumentación en el momento de efectuar una reflexión Las competencias trabajadas: CCL CMCT CD CPAA SIE CEC CSC     Tabla 15. Competencias trabajadas con la Actividad 2. Evaluación de la actividad: Una vez finalizada la actividad, los cuadros resumen que han ido completando los alumnos serán entregados al profesor para este asegurarse de que toda la información que cada alumno ha seleccionado está correcta. Se les devolverá a los alumnos lo antes posible con anotaciones personalizadas para cada uno, con el fin de que ellos mismos pueden hacer hincapié en aquellos aspectos que más les cuesten. 7.3 Nanoilustraciones  Actividad 3.Objetos cotidianos desde un nanopunto de vista. Nivel del alumnado al que va dirigida: Esta actividad está diseñada para la asignatura de física y química de 1º de bachillerato. Con el contenido de esta actividad se pretende ilustrar, entre otras cosas, las estructuras químicas de los nanomateriales que se ven en ese curso. Sin embargo, al ser una experiencia muy visual y simple podía ser adaptada omitiendo alguna información de carácter técnico para la asignatura de cultura científica de 4º de E.S.O. y de este modo los alumnos de la modalidad de ciencias sociales y humanidades también podrían tener un conocimiento general de estas estructuras. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 36 El desarrollo de la actividad: El desarrollo de esta actividad se compone de 4 partes diferenciadas y para llevarlo a cabo necesitaremos [22]: - Una piedra - Una baraja de cartas - Dos hojas de papel con la impresión de una red hexagonal de átomos de carbono - Pelota de futbol - Cinta adhesiva - PC con Power Point y proyector 1. El grafito y el diamante. Relación, estructura y propiedades. Esta actividad comenzará con la captación de la atención de los alumnos cuando el profesor les pida que piensen y digan al resto de los compañeros, de un modo ordenado, compuestos que estén formados por átomos de carbono. Es común encontrar que los alumnos piensan, en primera instancia, en hidrocarburos y en biomoléculas como proteínas o aminoácidos. El docente será el encargado de reconducir el intercambio de ideas hacia los compuestos que están formados íntegramente por átomos de carbono poniendo el ejemplo que probablemente todos tengan delante. El grafito de las minas de los lápices. Acto seguido el docente planteará la comparativa de este compuesto que es negro y blando y de bajo coste económico con el diamante que es duro, incoloro, transparente y de un elevado precio. Se pretende desde esta comparación que el alumno se plantee cual es el motivo de las diferencias tan significativas de dos materiales que están compuestos íntegramente de átomos de carbono. Tras unos minutos para que los alumnos piensen de un modo individual en este hecho, se produce el intercambio de ideas entre alumnos y con el docente, tras el cual se llega a la conclusión de que estas diferencias son debidas a la organización y distribución de los átomos de carbono en cada estructura. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 37 Figura 17. Estructuras químicas del grafito y el diamante. Este hecho se ilustrará con una piedra que simula al diamante y con una baraja de cartas que simula al grafito. Figura 18. piedra que simula al diamante y baraja de cartas que simula al grafito siendo ambas desplazadas. Cada una de las cartas de la baraja simularan cada capa que forma el grafito constituida por estructuras hexagonales de átomos de carbono, de este modo, al ejercer una presión lateral sobre la carta más superficial de la baraja se desplazan todas ellas, produciéndose la separación de las capas. De este modo demostramos que el grafito se trata de una estructura exfoliable ya las uniones entre las capas no son muy fuertes lo que le confiere su blandura característica. El docente especifica que estas uniones se denominan interacciones de Van der Waals. Sin embargo, cuando ejercemos la misma presión lateral sobre la piedra, esta se desplaza en bloque sin sufrir ningún tipo de alteración. Con este hecho estamos demostrando que el diamante tiene una estructura tridimensional más rígida, lo que le confiere, al contrario que el grafito, esta propiedad de dureza. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 44 es mayor y disminuye con la temperatura comportándose, en este caso, como un conductor semimetálico. Además de explicar el concepto de anisotropía el docente remarcara las diferencias en las estructuras del grafito y el grafeno para no inducir a error a los alumnos durante la experiencia, haciendo hincapié en el tipo de enlace e interacciones entre los átomos. Posteriormente este lleva a cabo la experiencia práctica, que aunque basada en un modelo, es visual para ilustrarlo, sin proporcionar ninguna aclaración respecto al fenómeno observado. Para ello se necesitará: -Una bombilla. -Una pila conectada a dos electrodos. -Un papel y un lápiz. El desarrollo de la experiencia consiste en pintar una mancha en el papel con el lápiz, que está fabricado de grafito. A continuación se ponen en contacto ambos electrodos con la pila, y cuando esto ocurre automáticamente se enciende la bombilla. El proceso mental que deben seguir los alumnos es: Preguntas que se deben plantear Razonamientos a los que deben llegar ¿Qué compuesto tengo en la mancha del papel? Capa muy delgada de grafito o bien capas de grafeno superpuestas. ¿Qué propiedad se pone de manifiesto? Conductividad eléctrica, que podrá ser estudiada en dos direcciones, en el plano que contiene las capas y en perpendicular a este. Como la mancha se trata de grafito y no de grafeno aislado, si tuviéramos tan solo una capa de grafeno ¿Cómo sería la conductividad? Tener grafito aislado se puede asemejar a estudiar la conductividad en el grafito en el plano que contiene a las capas y esta es mayor que en su plano perpendicular, por tanto diremos que la conductividad es mayor Tabla 21. Cuadro explicativo del proceso mental que deberían seguir los alumnos. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 45 Para concluir la actividad los alumnos realizarán el cuestionario de un modo individual, pero el docente se ira acercando entre los alumnos para guiar el proceso mental que deben seguir para conseguir responderlo correctamente Temporalización: Esta actividad se podrá desarrollar en tan solo una sesión. Desarrollo Tiempo Explicación teórica 20 minutos Experiencia de cátedra 5 minutos Cuestionario 25 minutos Tabla 22 .Temporalización de la Actividad 4. La metodología empleada: Desde el punto de vista didáctico, el profesor al desarrollar la experiencia práctica en el aula está empleando una metodología expositiva y si además no proporciona ningún comentario durante el transcurso de la demostración, está recurriendo al aprendizaje por indagación. Los objetivos que se pretenden alcanzar con esta actividad:  Fomentar el pensamiento crítico ante un fenómeno observado.  Desarrollar una explicación ante el fenómeno.  Conocer la propiedad eléctrica de este nanomaterial a partir del estudio de las propiedades eléctricas del grafito. Las competencias trabajadas: CCL CMCT CD CPAA SIE CEC CSC     Tabla 23.Competencias trabajadas con la Actividad 4. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 46 Evaluación de la actividad:  Cuestionario para la actividad 1. Determina la estructura del compuesto de la mancha dibujada en el papel y justifica el motivo. ¿Qué estructura estudiada es similar a ella? 2. ¿Qué propiedad se pone de manifiesto al encenderse la bombilla? 3. De las dos estructuras nombradas en la primera pregunta, di en cuál de ellas esta propiedad se manifiesta de un modo mayor justificando tu respuesta. 4. ¿Cómo influye el tipo de enlaces de cada estructura en esta propiedad? El cuestionario no será corregido por el docente, sino que se plantea como una ayuda para llegar al razonamiento adecuado que además será resuelto en el aula bajo su supervisión por tanto revisarlo con posterioridad no será necesario. Es importante que cuando la actividad finalice, el docente destaque que la experiencia de cátedra efectuada es la demostración de que el grafito es conductor, que se trata de una propiedad de sobra conocida para este material, pero que a partir de esta hemos podido deducir, relacionando conceptos, como se comporta el grafeno frente a la electricidad, pero en ningún momento hemos experimentado con este material. o Si el docente dispone de tiempo, puede explicar que a pesar de ser ambas estructuras alótropos del carbono, el grafito conduce la electricidad como acabamos de observar mientras el diamante no lo hace y la razón que explica este hecho es la diferente distribución electrónica en los enlaces que presenta cada estructura siendo la del grafito más favorable que en el diamante para que se produzca el movimiento de los electrones.  Actividad 5. Síntesis de nanopartículas de plata Nivel del alumnado al que va dirigida: El curso idóneo para llevar a cabo esta experiencia es 1º de bachillerato, ya que los alumnos disponen de la madurez suficiente para comportarse adecuadamente en el laboratorio y además se tratan conocimientos con cierto fundamento químico, por ello no tendría sentido Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 47 adaptarla para cursos inferiores. La asignatura en la que se desarrolla dicha actividad es física y química. El desarrollo de la actividad: Esta actividad consistirá en una salida al laboratorio para sintetizar nanopartículas de plata. Para captar el interés de los alumnos el profesor les informará, haciendo referencia a la historia más antigua de los nanomateriales, que muchas de las vidrieras amarillas de las iglesias más antiguas están fabricadas con nanopartículas de plata. Figura 25. Imágenes de vidrieras coloreadas con nanopartículas que les podrán ser mostradas a los alumnos. La clase será dividida en grupos de 3 o 4 personas que hará el docente según los criterios establecidos en la Actividad 1. Exposiciones en el aula. Cada grupo se colocará en una mesa de laboratorio en la que estará previamente colocado el material, los reactivos y el guión para seguir la práctica. Antes de comenzar la experiencia el docente les recordará las normas de seguridad y de comportamiento en el laboratorio, entregándoles una ficha resumen de todas ellas, incluyendo los símbolos que pueda haber en los reactivos. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 48 o Ficha de normas de seguridad y de comportamiento en el laboratorio. Normas de seguridad y de comportamiento en el laboratorio El alumno ingresará al laboratorio con bata, la cual debe ser blanca y de manga larga. Es indispensable llevar la bata abotonada. El alumno se familiarizará con los sitios en donde se encuentran localizadas las regaderas, extintores, botes de basura, caja para material punzocortante, bolsa roja, etc. En ningún momento se permitirá la aplicación de cosméticos, fumar y/o ingerir alimentos dentro del laboratorio. Tomar la postura más cómoda para trabajar correctamente con el fin de tener el control y precisión de los movimientos durante el uso de materiales, equipos y reactivos. Limpiar las mesas de trabajo antes y después de cada práctica, así también durante la práctica si se ha derramado algún reactivo. Para evitar quemaduras, se deberán apagar mecheros y/o planchas calientes cuando éstos no se utilicen. Así también, se deberán emplear gradillas o pinzas para sostener o transportar tubos calientes. Mantener las sustancias químicas inflamables alejadas de fuego, planchas calientes, o ambos. No se deberá olfatear y/o probar reactivos o soluciones. No se debe mirar nunca el interior de un tubo de ensayo que se esté calentando, ni apuntar hacia alguna persona porque el contenido podría proyectarse en cualquier momento. La misma precaución debe tomarse cuando se mezclen reactivos o se agiten vigorosamente los tubos. Utilizar guantes de látex y gafas de seguridad cuando se manejen ácidos, hielo seco o sustancias desconocidas. Utilizar pipeteadores o perilla de goma para la medición de los líquidos corrosivos, ácidos, bases, sustancias volátiles, venenos, entre otros. No aspirar con la boca. Evitar agregar agua sobre ácidos para prevenir quemaduras por proyección. Para diluir cualquier ácido, se vierte el ácido sobre el agua y nunca agua sobre ácido. Mantener los frascos de reactivos tapados para evitar derrames. Utilizar guantes desechables cuando se manejen productos químicos. Lavarse las manos con agua y jabón antes de salir del laboratorio. Reportar inmediatamente al profesor del laboratorio cualquier accidente o lesión que suceda para que se tomen las medidas apropiada Tabla 24. Ficha de las normas de seguridad del laboratorio. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 49 o Símbolos que aparecen en los reactivos Tóxico Nocivo Corrosivo Inflamable Explosivo Oxidante/Comburente Peligroso para el medioambiente Figura 26.Tabla con los símbolos que pueden aparecer en los reactivos en un laboratorio. Cuando las normas de seguridad y el significado de los símbolos han quedado claros los alumnos comienzan la experimentación, que irán efectuando paso a paso con la ayuda del guión y con la supervisión del profesor. Se les avisará de que deben entregar un informe que será evaluado al final de la práctica y debido a que los alumnos no tienen demasiada experiencia en el laboratorio, ni en la elaboración de un informe con contenido científico se les dan unas pautas antes de comenzar la experimentación. Se remarca por parte del docente las partes fundamentales del informe, es decir, fecha y título de la actividad, Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 50 contextualización teórica, los objetivos que se pretenden alcanzar, cual es el uso y el nombre de los materiales empleados, fenómenos que se han ido observando a lo largo de la experimentación y finalmente una conclusión. Para evitar que de la elaboración de un guión no se obtenga un aprendizaje significativo, el docente hará hincapié en que no se permite copiar la información del guión, sino que debe ser un breve documento de aquello que los alumnos hayan ido observando. A continuación se muestra el guión elaborado por el profesor con toda la información detallada sobre la práctica, sin embargo el que se les entrega a los alumnos es algo más escueto para que ellos al elaborar el informe hagan el trabajo de razonamiento. o Guión de la experiencia El material necesario: - Un matraz Erlenmeyer - Agitador magnético y placa de agitación - Cristalizador - Probeta de 2 ml - Pipeta Pasteur y tetina de goma - Puntero laser - Tubos de ensayo - Horno - Moldes Los reactivos empleados serán: - AgNO3 0.001M - NaBH4 0.002M - Disolución al 0.3% de PVP, polivinilpirolidona,(obtenida disolviendo 0.1 g en 33 ml de agua destilada) - PVA, acetato de polivinilo, sólido. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 51 En primer lugar se agregan en un matraz Erlenmeyer 30 ml de NaBH4 0.002M, se introduce en un baño de hielo que hemos preparado con el cristalizador y a continuación se mantiene con agitación magnética constante durante 20 minutos aproximadamente. Figura 27 .Disolución en la que estan contenidas las nanoparticulas de plata Los 2 ml de nitrato de plata, AgNO3, que tenemos preparados en la probeta son añadidos gota a gota a razón de una gota por segundo a la disolución de NaBH4 0.002M que se sigue manteniendo en agitación. En este momento se comienza a observar como la disolución comienza a adquirir cierta turbidez y coloración amarillenta. Esto es debido a que las moléculas de borohidruruo, NaBH4, se adsorben a la superficie de las nanopartículas de plata separándolas entre sí. En el momento en el que hayamos añadido los 2ml del nitrato de plata, AgNO3, retiramos la agitación. Podemos constatar la presencia de nanopartículas de plata con un puntero láser ya que cuando apuntamos a la parte más turbia de la disolución, se produce la reflexión de la luz (la luz cambia de un medio a otro, de las nanopartículas de plata a la disolución de NaBH4). Figura 28. Reflexión de la luz del láser que demuestra la presencia de las nanopartículas. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 52 Cuando agregamos unos mililitros de la disolución de nanopartículas de plata en un tubo de ensayo, y a ello le añadimos una disolución de cloruro sódico, NaCl, 1,5 M observamos un cambio en la turbidez y la coloración de la disolución que va tornando a gris. En este momento lo que está adherido a la superficie de las nanoparticulas son los aniones cloruro, de muy bajo tamaño. La consecuencia es que entre las nanopartículas exista una separación mucho menor, teniendo en este caso una disolución coloidal. En ese mismo tubo de ensayo para desagregar las partículas de plata se añade una solución de acetato de polivinilpirrolidora, PVP, al 0,3% tornando la disolución de nuevo a amarilla. Figura 29. Monómero del PVP que forma el polímero que se adherirá a las nanopartículas separándolas entre sí. El PVP se trata de un polímero de un tamaño mucho mayor que los aniones cloruro, por tanto, la separación entre las nanopartículas es mucho mayor, teniendo en este caso una disolución de estas y no un coloide como en el caso anterior. Figura 30. Cambio de coloración que demuestra la presencia de las nanopartículas de plata. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 53 Para simular la fabricación de las vidrieras antiguas a la disolución coloidal de plata se añade la cantidad necesaria de alcohol polivinílico sólido, PVA, para acabar obteniendo una disolución al 4%, manteniendo siempre la agitación y el calor. Figura 31. Pasos a seguir para fabricar las vidrieras a partir de nanoparticulas de plata. Cuando ha pasado cierto tiempo se decanta la disolución evitando las burbujas y la cantidad de alcohol polivinílico sólido, PVA, que no se haya disuelto y se seca en el horno durante 30 minutos, obteniendo nuestras “vidrieras” Figura 32.Material endurecido tras calentarlo. El PVA se trata de un polímero que al añadirlo y al enfriarse le confiere a nuestra disolución un aspecto sólido y cristalino. Figura 33. Monómero del PVA que le confiere al material un aspecto de cristal. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 60 diferencia de lo que ocurre con la enseñanza tradicional en la que no hay un intercambio de información. Esta actividad cobra una especial relevancia al tratar cuestiones que aún son muy novedosas y de las que aún no se han estudiado los límites. Es responsabilidad del docente que los alumnos reflexionen acerca de los posibles efectos adversos de estos avances para que así el alumno pueda desarrollar el pensamiento crítico cuando se enfrente a nueva información, de otro modo los alumnos dispondrían de la información desde un punto de vista incompleto y sesgado. Durante esta actividad se fomenta el desarrollo socio-afectivo del alumno al expresar sus opiniones de un modo asertivo promoviendo el respeto ante las diferentes posturas. Los objetivos que se pretenden alcanzar con esta actividad:  Conocer los aspectos positivos negativos de la nanociencia.  Entrenar el pensamiento crítico.  Adquirir habilidades lingüísticas para una correcta argumentación.  Saber realizar una correcta búsqueda de la información.  Respetar las diferentes posturas ante una misma temática.  Adquirir las habilidades para una rápida y correcta argumentación. Las competencias trabajadas: CCL CMCT CD CPAA SIE CEC CSC      Tabla 30. Competencias trabajadas con la Actividad 6. Temporalización: Sesiones Desarrollo 1 Introducción al debate, reflexión del docente apoyándose en las dos noticias. 10 minutos Explicacion de la actividad que se desarrollara en la siguiente sesión 5 minutos Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 61 2 Puesta en común de la información encontrada 10 minutos Elaboración de argumentos con la supervisión del profesor 10 minutos Desarrollo del debate 30 minutos Tabla 31. Temporalización de la Actividad 6. Es importante destacar que los 30 minutos previstos para el desarrollo del debate serán divididos en espacios de 6 minutos ya que hay cinco puntos a tratar en el debate que han sido nombrados anteriormente. Evaluación de la actividad: La evaluación de esta actividad consistirá en una rúbrica con 10 criterios a evaluar, cada uno de ellos si es cumplido correctamente sumara un punto, si no es así, no sumara puntuación. El profesor a medida que va moderando el debate ira completando esta rúbrica para cada alumno individualmente. Criterios a tener en cuenta Si No Respetan las indicaciones del moderador Respetan a los participantes en el debate Manejo adecuado del lenguaje no verbal Manejo adecuado del lenguaje verbal Preparación de argumentos Capacidad de síntesis Mantienen coherencia lógica Coherencia y cohesión del grupo Fuerza persuasiva Tabla 32. Rúbrica de evaluación del desarrollo del debate. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 62 8. Atención a la diversidad. Uno de los objetivos fundamentales desde la comunidad educativa es que, dentro de un marco de pluralidad y diversidad, en que los alumnos presentan diferentes intereses, formación, recursos económicos, y capacidades, todos sean capaces de desarrollar el proceso educativo de un modo conjunto y alcanzable. Debido a esto, las medidas de atención a la diversidad están orientadas a la consecución de los objetivos por parte de todo el alumnado y deben estar presentes en la el desarrollo de la actividad docente de un modo constante. Para los alumnos con necesidades especiales, se recurrirá al Departamento de Orientación del centro, para que este evalúe las necesidades concretas que requiere cada uno de estos alumnos, con el fin de elaborar una adaptación curricular que garantice los conocimientos mínimos que deben adquirir. En la nanociencia y la nanotecnología, como en cualquier disciplina novedosa, es enriquecedor aportar diferentes visiones de un mismo hecho. Cada alumno con sus cualidades puede aportar su perspectiva para ir construyendo el conocimiento de un modo completo y conjunto. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 63 9. Conclusiones Se ha podido observar, al efectuar el estudio de los contenidos del currículo de E.S.O. y bachillerato relacionados con los nanomateriales, recogidos en la Orden EDU/362/2015[17] y la Orden EDU/363/2015[18] respectivamente, que estos no toman un papel fundamental en las asignaturas en las que son tratados. Sin embargo, esto entra en total contradicción con la relevancia que estos están tomando en la sociedad actual. Además, a pesar de ser un descubrimiento reciente en términos de su historia científica, al tomar constancia de ellos en el año 1959 cuando el prestigioso físico Richard Feynman pronunció su famosa conferencia, los nanomateriales se llevan empleando desde la historia más antigua de la humanidad. Es por ello, que se debería hacer una reflexión conjunta por parte de la comunidad educativa a cerca de la impartición de estos conceptos en las aulas. En una sociedad cada vez más tecnológica, es importante que los alumnos dispongan de esta información y que también se fomente el pensamiento crítico a la hora de buscarla y procesarla. Es por ello que, las actividades propuestas combinan la enseñanza tradicional con la búsqueda de información y su cuestionamiento. También se recurre al aprendizaje construido a través de experiencias prácticas, impartiendo ciertas cuestiones a cerca de los nanomateriales recurriendo a modelos o experiencias guiadas en el laboratorio. Toma un papel importante la participación por parte de los alumnos en las actividades, ya que lo que se pretende es fomentar la motivación por aprender de nuevas cuestiones que les resulten tangibles en su vida cotidiana. Esto es una ventaja respecto a otros contenidos científicos que muchas veces carecen de interés para los alumnos por resultarles ajenos a ellos y demasiado abstractos. También resulta relevante la implicación del docente en este tipo de actividades puesto que la dificultad que puede presentar la enseñanza de estos conceptos es la dificultad en mostrar experiencias en las que se puedan observar ciertos fenómenos desde un punto de vista macroscópico. Siendo así, resultaran imprescindibles las habilidades del docente para ilustrar estos conocimientos tras las experiencias, que de otro modo carecerían de sentido. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 64 Respecto al uso de las TICs, los alumnos al efectuar búsquedas de información para la mayoría de actividades propuestas están trabajando la competencia digital y también la competencia de aprender a aprender de modo que ellos mismos van midiendo su aprendizaje a medida que van trabajando con la información consultada en las múltiples y diversas páginas web. Uno de los problemas que se pueden encontrar en el desarrollo de estas actividades es la falta de tiempo para efectuarlas, ya que como se ha comentado antes estos contenidos no juegan un papel fundamental en el currículo de E.S.O. y bachillerato y por tanto, disponen de tiempo limitado para impartirlos. Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 65 10. Bibliografía [1] ACUERDO 29/2017, de 15 de junio, de la Junta de Castilla y León, por el que se aprueba el II Plan de Atención a la Diversidad en la Educación de Castilla y León 2017-2022. Boletín Of. Castilla y León [2] Bermejo Bermejo, Marta; Serena, Pedro A”Los riesgos de la nanotecnología”. CSIC: Los libros de la catarata, 2017. [3] Colegio Oficial de Químicos de Madrid (coordinación), “Documento del Grupo de Trabajo de Conama 2016. Oportunidades y retos de los nanomateriales”, Madrid 2016 [4] Cuadros Celorrio, Marta; Llanos Méndez, Aurora;Villegas Portero, Román, “Nanotecnología en medicina. 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ISBN-13 978-84-15413-33-2 [23] Wee Shong, Chin; Chorng Haur, Sow; TS Wee, Andrew; “Sciencie at the nanoscale: an introductory textbook”. Pan Standford, 2010. ISBN 978-981-4241-03-8 Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 67 11. Listado de tablas y figuras 11.1 Listado de tablas Nº Tabla Descripción Página Tabla 1 Currículo de la E.S.O. Conceptos relacionados con los nanomateriales para la asignatura de cultura científica de 4º de E.S.O. 6 Tabla 2 Currículo de bachillerato. Conceptos relacionados con los nanomateriales para la asignatura de física y química de 1º de bachillerato. 7 Tabla 3 Currículo de bachillerato. Conceptos relacionados con los nanomateriales para la asignatura de cultura científica de 1º de bachillerato. 7 Tabla 4 Currículo de bachillerato. Conceptos relacionados con los nanomateriales para la asignatura de física de 2º de bachillerato. 8 Tabla 5 Cuadro explicativo de la clasificación dimensional de los nanomateriales. 12 Tabla 6 Puntos a desarrollar en el trabajo con los contenidos a tratar en cada uno. 26 Tabla 7 Temporalización de la Actividad 1. 29 Tabla 8 Competencias trabajadas con la Actividad 1. 30 Tabla 9 Rúbrica de evaluación del trabajo en grupo para la Actividad 1. 30 Tabla 10 Puntuación de rúbrica de evaluación del trabajo en grupo para la Actividad 1 31 Tabla 11 Puntuación para cada apartado del trabajo escrito de la Actividad 1. 31 Tabla 12 Rúbrica de evaluación para las exposiciones orales de la Actividad 1. 32 Tabla 13 Puntuación de rúbrica de evaluación de las exposiciones para la Actividad 1. 32 Tabla 14 Ficha que les entregará a los alumnos para que sea rellenada conjuntamente 33 Tabla 15 Competencias trabajadas con la Actividad 2. 35 Tabla 16 El precio de cada nanomaterial en función de la cantidad consultado en la página web de Sigma-Aldrich. 40 Tabla 17 Temporalización de la Actividad 3. 41 Tabla 18 Competencias trabajadas con la Actividad 3. 42 Tabla 19 Rúbrica de evaluación de comportamiento para la Actividad 3. 43 Tabla 20 Puntuación de la rúbrica de evaluación. 43 Tabla 21 Cuadro explicativo del proceso mental que deberían seguir los alumnos. 44 Tabla 22 Temporalización de la Actividad 4. 45 Tabla 23 Competencias trabajadas con la Actividad 4. 45 Tabla 24 Ficha de las normas de seguridad del laboratorio. 48 Tabla 25 Temporalización de la Actividad 5. 56 Tabla 26 Competencias trabajadas con la Actividad 5. 56 Tabla 27 Puntuación de cada apartado del guión. 56 Tabla 28 Comparativa de las noticias que el docente mostrará al iniciar la actividad 6. 57 Tabla 29 Recursos webs de los que dispone el docente. 59 Tabla 30 Competencias trabajadas con la Actividad 6. 60 Tabla 31 Temporalización de la Actividad 7. 60 Tabla 32 Rúbrica de evaluación del desarrollo del debate. 61 Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 68 11.2 Listado de figuras Nº Figura Descripción Página Figura 1 Escala comparativa de tamaño de diferentes materiales conocidos 11 Figura 2 Los dos colores que presenta la copa de Licurgo cuando es iluminada 13 Figura 3 Partícula de aleación de plata y oro obtenida de emplear la técnica MET en la copa la copa de Licurgo 14 Figura 4 Vidriera coloreada con nanopartículas 14 Figura 5 Retrato de Michael Faraday 15 Figura 6 El premio nobel de física Richard Feynman pronunciando su discurso en el Caltec 15 Figura 7 Fullerenos con diferente número de carbonos 16 Figura 8 Portada del libro “Engines of Creation “escrito por Eric Drexler 16 Figura 9 Esquema de la estructura de un nanotubo de carbono 17 Figura 10 Representación de la estructura de una lámina de grafeno 17 Figura 11 Brackets de polisulfona con nanopartículas de alúmina en su estructura 18 Figura 12 Comportamiento de un fluido sobre una superficie recubierta de con pinturas acrílicas en las que se han añadido nanopartículas 19 Figura 13 Agrupación de palabras que se puede conseguir con esta aplicación que se encuentra en: http://www.tagxedo.com/ 27 Figura 14 Imagen que se observa al visitar: http://www.splicd.com/ 28 Figura 15 Ejemplo de mural que se podría obtener con https://edu.glogster.com/ 28 Figura 16 Ejemplo de creación de una línea temporal con https://www.tiki-toki.com/ 28 Figura 17 Estructuras químicas del grafito y el diamante 37 Figura 18 Piedra que simula al diamante y baraja de cartas que simula al grafito siendo ambas desplazadas 37 Figura 19 Imagen impresa en las hojas de la estructura del grafeno 38 Figura 20 Esquematización estructural de cómo se obtiene un nanotubo de carbono a partir de una lámina de grafeno 38 Figura 21 Semejanzas estructurales entre un fullereno y la estructura de un balón de fútbol 39 Figura 22 Simulación del método de obtención del grafeno empleando como modelo una baraja de cartas 39 Figura 23 En orden: nanotubos de carbono, grafito, grafeno y fullerenos 40 Figura 24 En orden: visualización del grafeno y los nanotubos de carbono al microscopio óptico. 40 Figura 25 Imágenes de vidrieras coloreadas con nanopartículas que les podrán ser mostradas a los alumnos 47 Figura 26 Tabla con los símbolos que pueden aparecer en los reactivos en un laboratorio 49 Figura 27 Disolución en la que estan contenidas las nanoparticulas de plata 51 Figura 28 Reflexión de la luz del láser que demuestra la presencia de las nanopartículas 51 Figura 29 Monómero del PVP que forma el polímero que se adherirá a las nanopartículas separándolas entre sí 52 Figura 30 Cambio de coloración que demuestra la presencia de las nanopartículas de plata 52 Figura 31 Pasos a seguir para fabricar las vidrieras a partir de nanoparticulas de plata 53 Figura 32 Material endurecido tras calentarlo 53 Nanociencia y nanotecnología en E.S.O. y bachillerato 69 Figura 33 Monómero del PVA que le confiere al material un aspecto de cristal 53 Figura 34 Ejemplos artísiticos de vidrieras historicas que fueron coloreadas con estas nanopartículas 54