Πρωτιά του Γυμνασίου – Λ.Τ. Λαιμού στον Πανελλήνιο Διαγωνισμό Quantum Spin-Οff!

Μαθητές και μαθήτριες της Ομάδας Νανοτεχνολογίας του Γυμνασίου- Λ.Τ. Λαιμού με τους συντονιστές εκπαιδευτικούς, λίγο πριν την παρουσίαση.

Την πρώτη θέση κατέλαβε το Γυμνάσιο- Λ.Τ. Λαιμού στον Διαγωνισμό Quantum Spinoff που διεξήχθη την Δευτέρα 26-04-2015 στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών στην Αθήνα με συμμετοχή ιδιωτικών και δημόσιων Γυμνασίων και Λυκείων της χώρας. Είκοσι μαθητές του σχολείου μας συμμετείχαν στο συγκεκριμένο πρόγραμμα σχολικής καινοτομίας με συντονιστές εκπαιδευτικούς τον κ. Βελονάκη Ιωάννη και την κα Τόλη Θεοδώρα  και συμμετέχοντες εκπαιδευτικούς τους κυρίους Γεμενετζίδη Γρηγόριο και Νικολάου Γρηγόριο. Οι μαθητές διαγωνίστηκαν διαδικτυακά παρουσιάζοντας την εργασία τους στην κριτική επιτροπή του διαγωνισμού και καταχειροκροτήθηκαν από πλήθος μαθητών και εκπαιδευτικών που παρευρίσκονταν εκεί.

Κλασσική φυσική - Κλασσική δυναμική

Η κλασσική φυσική:
1) Προβλέπει μια συγκεκριμένη τροχιά για τα σωματίδια.
2) Επιτρέπει στους μεταφορικούς, περιστροφικούς και δονητικούς τρόπους κίνησης να διεγερθούν σε οποιαδήποτε ενέργεια, με βάση απλώς τις ασκούμενες δυνάμεις. Τα συμπεράσματα αυτά συμφωνούν με την καθημερινή εμπειρία, ωστόσο, δεν εκτείνεται στο επίπεδο των μεμονωμένων ατόμων και ενδελεχή πειράματα, έχουν δείξει ότι οι νόμοι της κλασσικής μηχανικής αποτυγχάνουν όταν εφαρμόζονται στην ανταλλαγή πολύ μικρών ποσοτήτων ενέργειας. Η κλασσική μηχανική είναι στην πραγματικότητα μόνο μία προσεγγιστική περιγραφή της κίνησης των σωματιδίων και αποτυγχάνει στην περίπτωση μικρών μαζών και μικρών ενεργειακών ανταλλαγών.

Κλασσική δυναμική
Σύμφωνα με την αρχή του αναλλοίωτου των βασικών νόμων της μηχανικής ως προς τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου, ισχύει ότι, αν οι εξισώσεις κίνησης και η αρχή της αδράνειας ισχύουν για κάποιο σύστημα αναφοράς τότε ισχύουν και για κάθε άλλο σύστημα που κινείται ως προς το πρώτο με σταθερή διανυσματική ταχύτητα ως προς αυτό. Δηλαδή υπάρχουν άπειρα αδρανειακά συστήματα. Είναι ευνόητο ότι στην περίπτωση της Γενικής Σχετικότητας μπορεί να έχομε αδρανειακά συστήματα σε ελεύθερη πτώση, οπότε σε αυτή την περίπτωση μπορεί να υπάρχει επιτάχυνση του ενός ως προς το άλλο. Οι «βασικές» δυνάμεις με τις οποίες ασχολείται η κλασική μηχανική, μπορεί να εξαρτώνται από την ταχύτητα, από τη θέση και από το χρόνο αλλά όχι από την επιτάχυνση. Η περίπτωση εξάρτησης από την ταχύτητα είναι αυτή της μαγνητικής δύναμης η οποία εξαρτάται γραμμικά με την ταχύτητα. Στην πραγματικότητα υπάρχουν περιπτώσεις στα πλαίσια της κλασικής δυναμικής όπου μη βασικές δυνάμεις μπορεί να θεωρηθεί ότι εξαρτιόνται από την επιτάχυνση. Για παράδειγμα κατά την κίνηση ενός πλοίου το πλοίο κινεί ποσότητα από το νερό που το περιβάλλει. Έτσι μπορούμε να θεωρήσομε ότι η «συλλογική» δύναμη που ασκείται πάνω στο πλοίο από το νερό εξαρτάται από την επιτάχυνση του πλοίου.
Ακόμη και στην ηλεκτροδυναμική η δύναμη αντίδρασης ένεκα ακτινοβολίας που ασκείται σε φορτισμένο σωμάτιο το οποίο επιταχύνεται και γι αυτό ακτινοβολεί, εξαρτάται από την παράγωγο ως προς το χρόνο της επιτάχυνσης του σωματίου ! Αυτό έχει ως συνέπεια να παραβιάζεται η αιτιότητα, ευτυχώς, για πολύ μικρούς χρόνους. Υπενθυμίζομε σε αυτό το σημείο ότι, υπό «κανονικές» συνθήκες, έχομε μόνο μέχρι δεύτερες παραγώγους στις εξισώσεις κίνησης και αυτό σχετίζεται με το (ή μπορούμε να πούμε ότι αυτό οδηγεί στο) ότι ο προσδιορισμός της κίνησης εξαρτάται μόνο από την αρχική θέση και αρχική ταχύτητα (η ταχύτητα είναι η πρώτη παράγωγος της θέσης ως προς το χρόνο) και όχι από αρχικές τιμές και άλλων ανωτέρων παραγώγων της θέσης, όπως είναι η επιτάχυνση. Κάνομε χρήση του όρου σωμάτιο με την έννοια του υλικού σημείου. Ένα υλικό σημείο είναι μακροσκοπικά μικρό αλλά μπορεί μικροσκοπικά να είναι μεγάλο και να αποτελείται από πολλά σωματίδια τα οποία είναι οι απλοί δομικοί λίθοι της ύλης, κουάρκ, νετρίνα, πρωτόνια, ηλεκτρόνια, άτομα, μόρια κτλ. Ένα σωματίδιο μπορούμε να πούμε πάντα ότι είναι ένα απλούστατο σωμάτιο αλλά ένα σωμάτιο δεν είναι πάντα ένα σωματίδιο. Η κλασική μηχανική, σε αντίθεση με την κβαντική μηχανική, εφαρμόζεται για συστήματα, σωμάτια ακόμη και σωματίδια αρκεί οι κβαντικοί οι αριθμοί που υπεισέρχονται να είναι πολύ μεγάλοι και οι μεταβολές των διαφόρων ποσοτήτων (π.χ. ενέργειας) να μπορούν να θεωρηθούν πρακτικώς ως συνεχείς ποσότητες.

Νανοσωμάτια πυριτίου για παραγωγή υδρογόνου

Νανοσωματίδια πυριτίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σχεδόν στιγμιαία παραγωγή υδρογόνου, σύμφωνα με ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μπάφαλο στη Νέα Υόρκη. Η χημική αντίδραση δεν απαιτεί θερμότητα, φως ή ηλεκτρισμό και το παραγόμενο υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κυψέλες καυσίμων. Η αντίδραση στην ουσία ανακτεί ορισμένη από την ενέργεια που διοχετεύεται στη διύλιση του πυριτίου και την παραγωγή των νανοσωματιδίων σε πρώτη φάση. Η καινοτόμος αυτή τεχνολογία μπορεί να βρει ευρεία εφαρμογή ως εύκολη και άμεση παραγωγή υδρογόνου. Ο διαχωρισμός του νερού ώστε να παραχθεί υδρογόνο αποτελεί έναν καθαρό και ανανεώσιμο τρόπο παραγωγής ενέργειας, και οι παραδοσιακές τεχνικές διαχωρισμού περιλαμβάνουν την ηλεκτρόλυση, τη θερμόλυση και την φωτοκατάλυση. Το νερό μπορεί επίσης να αντιδράσει με μεγάλες ποσότητες πυριτίου και να παράξει υδρογόνο, αλλά αυτή η διαδικασία δεν έχει μελετηθεί αρκετά λόγω του ότι είναι ιδιαίτερα αργή. 
Θεωρητικά, κάθε μόριο πυριτίου μπορεί να απελευθερώσει δύο μόρια υδρογόνου (ή αλλιώς 14% της μάζας του σε υδρογόνο). Το πυρίτιο βρίσκεται σε αφθονία στη Γη, έχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και δεν απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα όταν αντιδρά με το νερό. 

Λόγω της μεγάλης αναλογίας επιφάνειας-όγκου, τα νανοσωματίδια πυριτίου θεωρητικά παράγουν υδρογόνο σε πολύ γρηγορότερους ρυθμούς από ότι μια μεγάλη ποσότητα πυριτίου. Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τους Πάρας Πρασάντ και Μαρκ Σουίχαρτ έδειξε ότι ο ρυθμός των αντιδράσεων είναι υψηλότερος όσο μειώνεται το μέγεθος του πυριτίου. Νανοσωματίδια διαμέτρου 10 νανομέτρων (10*10-9 μέτρα) παράγουν υδρογόνο 1000 φορές γρηγορότερα από ότι μια μεγάλη ποσότητα πυριτίου, και 45 φορές πιο γρήγορα από σωματίδια διαμέτρου 100 νανομέτρων. Για να καταλάβουν αυτήν την τελευταία διαφορά, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν πειράματα κατά τα οποία σταματούσαν την αντίδραση προτού αναλωθεί όλη η ποσότητα πυριτίου. Στη συνέχεια παρατήρησαν ότι τα σωματίδια διαμέτρου 100 nm μειώνονται στο μέγεθος ανομοιόμορφα και σχηματίζουν κενά στην επιφάνειά τους που καθυστερούν την αντίδραση, ενώ τα σωματίδια διαμέτρου 10 nm διατηρούσαν το σφαιρικό τους σχήμα. «Με περαιτέρω ανάπτυξη, αυτή η τεχνολογία θα ήταν ιδανική για παροχή ενέργειας σε μικρές φορητές συσκευές και ίσως για να αντικαταστήσει στο μέλλον μεγάλους κινητήρες ντήζελ», δήλωσε ο Πρασάντ. Ένας τυπικός κινητήρας πυριτίου θα αποτελείται από μία κυψέλη καυσίμων υδρογόνου και ορισμένες πλαστικές θήκες με «νανοσκόνη» πυριτίου, στην οποία θα προστίθεται νερό όταν απαιτείται η παραγωγή ενέργειας.

  

17η Συνάντηση- το μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (εξ αποστάσεως)

Διδάσκων: Ιωάννης Ν. Βελονάκης
Παρουσίαση: Το Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (AFM)
Μαθησιακός Σταθμός 10: Το Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (ΜΑΔ)

 

Φωτογραφίες:

16η Συνάντηση- Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης και Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης Σήραγγας (εξ αποστάσεως)

Διδάσκων: Ιωάννης Ν. Βελονάκης
Παρουσίαση: Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο και Μικροσκόπιο Σάρωσης Σήραγγας
Μαθησιακός σταθμός 8: Σαρωτική Μικροσκοπία Σήραγγας

Φωτογραφίες:

15η Συνάντηση- εισαγωγή στη Φυσική των Ημιαγωγών (εξ αποστάσεως)

Διδάσκων: Ιωάννης Ν. Βελονάκης
Παρουσίαση: Εισαγωγή στη Φυσική των Ημιαγωγών
Μαθησιακός σταθμός 7: Ημιαγωγοί

Φωτογραφίες:

 

Κατεργασία- χαρακτηρισμός δειγμάτων νανοϋλικών των μαθητών (6 Απριλίου 2015)

Το προϊόν καθαρίζεται μέσω φυγοκεντρίσεων με σκοπό τον διαχωρισμό των νανοκολλοειδών από τα παραπροϊόντα της αντίδρασης (πολυμερές που δεν αντέδρασε και ελεύθερα ιόντα), τα οποία τελικά έμειναν στο υπερκείμενο. Αρχικά το προϊόν μοιράστηκε σε 10 φιαλίδια των 2mℓ και φυγοκεντρίθηκε (Hettich-Mikro 220). Μετά το τέλος της φυγοκέντρισης η υπερκείμενη φάση απορρίφθηκε, το ίζημα συλλέχθηκε από τα φιαλίδια και επαναδιασπάρθηκε στην μισή ποσότητα νερού (10mℓ H2O). Έπειτα ακολούθησε vortex για 15 λεπτά. Το προϊόν μεταφέρθηκε σε κωνική φιάλη και τοποθετήθηκε στο λουτρό υπερήχων για 15 λεπτά με σκοπό να μειωθούν τα συσσωματώματα που δημιουργήθηκαν από την φυγοκέντριση. Η διαδικασία της έκπλυσης επαναλήφθηκε με μία δεύτερη φυγοκέντριση με σκοπό την καλύτερη απομάκρυνση των παραπροϊόντων. Μετά το τέλος της δεύτερης φυγοκέντρισης ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία με επαναδιασπορά του ιζήματος σε νερό (10mℓ Η2Ο), vortex για 15 λεπτά και λουτρό υπερήχων για 15 λεπτά. Μία επιπλέον ήπια φυγοκέντριση του κολλοειδούς ακολουθούσε για 20 λεπτά στα 2100g (Kendro-67 Megafuge 1.0R- Heraeus), με σκοπό την απομάκρυνση των μεγαλύτερων συσσωματωμάτων από το κολλοειδές μέσω της καθίζησής τους μετά το τέλος της φυγοκέντρισης. Με χρήση πιπέτας, απομονώθηκε το μεγαλύτερο μέρος της υπερκείμενης φάσης από τα φιαλίδια και το κολλοειδές αποθηκευόταν στο ψυγείο (στους 7οC) για περαιτέρω χρήση.
Η ομάδα ευχαριστεί τα ακόλουθα μέλη Δ.Ε.Π. που συνεργάστηκαν για την επεξεργασία των δειγμάτων

1. Κωνταντίνος Χασάπης (Αναπληρωτής Καθηγητής Χημείας και Χημικής Τεχνολογίας, τμήμα Χημείας Ε.Κ.Π.Α.)
2. Εμμανουήλ Συσκάκης (Επίκουρος Καθηγητής Πειραματικής Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, τμήμα Φυσικής Ε.Κ.Π.Α.)

14η Συνάντηση- Η Έννοια του Spin (2 Απριλίου 2015)

Διδάσκων: Ιωάννης Ν. Βελονάκης
Παρουσίαση: η έννοια του spin
Μαθησιακός σταθμός 9: το spin και οι εφαρμογές του 

Προσομοιώσεις:

Click to Run

13η Συνάντηση- Εισαγωγή στην Κβαντική Θεωρία Πεδίου (30 Μαρτίου 2015)

Διδάσκων: Ιωάννης Ν. Βελονάκης
Παρουσίαση: Εισαγωγή στην Κβαντική Θεωρία του Πεδίου (βασισμένη σε εργασία του φυσικού Ανδρέα Κασσέτα)
Μαθησιακός Σταθμός 4 (τελευταίο μέρος): δυαδικότητα κύματος- σωματιδίου

Φωτογραφίες:

Εκπαιδευτική Επίσκεψη στο τμήμα Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών (27 Μαρτίου 2015)

      Το τμήμα Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου της Αθήνας επισκέφτηκαν το απόγευμα της Παρασκευής 27 Μαρτίου 2015 μαθητές του Γυμνασίου και των Λυκειακών τάξεων του ακριτικού Λαιμού Πρεσπών Φλώρινας στα πλαίσια της τετραήμερης εκπαιδευτικής εκδρομής του σχολείου στην Αθήνα. Η επίσκεψη εντάσσεται στην προετοιμασία τους για τη συμμετοχή στον Πανελλήνιο Διαγωνισμό Νανοτεχνολογίας μαθητών δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης “Quantum Spin-Off 2015” (συντονιστές: Ιωάννης Βελονάκης, Θεοδώρα Τόλη, συμμετέχοντες εκπαιδευτικοί: Γρηγόριος Νικολάου, Γρηγόριος Γεμενετζίδης).

Εκπαιδευτική Επίσκεψη στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών στην Αθήνα (27 Μαρτίου 2015)

      Τις εγκαταστάσεις του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών και ιδιαίτερα του Ινστιτούτου Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας επισκέφτηκαν το πρωί της Παρασκευής 27 Μαρτίου 2015 μαθητές του Γυμνασίου και των Λυκειακών τάξεων του ακριτικού Λαιμού Πρεσπών Φλώρινας στα πλαίσια της τετραήμερης εκπαιδευτικής εκδρομής του σχολείου στην Αθήνα. Η επίσκεψη εντάσσεται στην προετοιμασία τους για τη συμμετοχή στον Πανελλήνιο Διαγωνισμό Νανοτεχνολογίας μαθητών δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης “Quantum Spin-Off 2015” (συντονιστές: Ιωάννης Βελονάκης, Θεοδώρα Τόλη, συμμετέχοντες εκπαιδευτικοί: Γρηγόριος Νικολάου, Γρηγόριος Γεμενετζίδης).

Ομιλία στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών για τις Spin-Off εταιρείες

Εδώ παραθέτουμε την ομιλία του καθηγητή του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης κυρίου Νεοφώτιστου στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών για τις Εταιρείες- Τεχνοβλαστούς (εταιρείες Spin- Off ). Η ομιλία δόθηκε τη Δευτέρα 16 Μαρτίου 2015 στις 16:00 σε μαθητές σχολείων από όλη την Ελλάδα που συμμετέχουν στον Πανελλήνιο Διαγωνισμό Quantum Spin-Off.