Nanobilim ve nanoteknoloji öğretiminde temel konular

Nanobilim ve nanoteknolojinin konularının öğretim programlarına dahil edilmesinde ortaya çıkan bazı sorunlar olduğu bilinmektedir. Bu sorunlar; nanobilim ve nanoteknoloji öğretiminde en önemli konular hangileridir? Hangi konular öğretim programına dahil edilebilir ve dahil edilmelidir? Bu konularla ilgili kavramları öğretmek için hangi sınıf düzeyi daha uygundur? Yeni konular, mevcut fen öğretim programıyla nasıl ilişkilendirilebilir? gibi sorularla özetlenebilir. Bu sorulara cevap bulmak amacıyla Ulusal Bilim Kurumu (National Science Foundation-NSF) bir dizi çalıştay düzenlemiştir. “Nanoölçek Bilim ve Mühendisliğinin Büyük Fikirleri” (The Big Ideas of Nanoscale Science and Engineering) başlıklı kitap, bu çalıştayların bir ürünü olarak ortaya çıkmıştır. Kitabın başlığında geçen “büyük fikirler” ifadesi, nanobilim ve nanoteknoloji öğretimi için üzerinde fikir birliğine varılan temel konuları tanımlar (Stevens vd., 2009). Yani, “büyük fikirler”, “öğrencilerin nanobilim ve nanoteknolojiyi anlamak için bilmesi gereken temel konular nelerdir?” sorusunun cevabıdır (Wansom vd., 2009). Sonuç olarak 7.-12. sınıf düzeyleri için

sekiz, 13.-16. sınıf düzeyleri için dokuz konu belirlenmiştir. Bu konular Tablo-3’de görülmektedir.

Tablo-3: Farklı sınıf düzeyleri için belirlenen temel konular

7.-12. Sınıflar 13.-16. Sınıflar

Boyut ve Ölçek Boyut ve Ölçek Maddenin Özellikleri Boyuta Bağlı Özellikler Maddenin Tanecikli Yapısı Araçlar ve Teknikler

Araçlar Modeller ve Simülasyonlar

Modelleme Yüzey Baskın Davranışlar Baskın Kuvvetler Sosyal Etkiler / Halk Eğitimi Teknoloji ve Toplum Self-assembly

Self-assembly Yüzey Hacim İlişkisi Kuantum Mekanikleri

2.8.3.1 Boyut ve ölçek

Nanoboyutta, boyut ve geometri ile ilgili özellikler (boyut, ölçek, şekil, orantılılık, boyutluluk vb.) maddenin yapısını tanımaya ve davranışlarını tahmin etmeye yardımcı unsurlardır (Stevens ve Krajcik, 2009). Öğrenciler sadece gözle ya da bir mikroskop aracılığıyla görülebilen ölçeklerde değil, tüm ölçeklerde nesnelerin boyutlarını anlamalı ve karşılaştırma yapabilmelidir. Burada “boyut” kavramı bir şeyin sahip olduğu gerçek uzunluk, kütle ya da miktarı ifade ederken, “ölçek” kavramı bir nesnenin boyutunun, evrensel olarak tanımlanan birimlerde (metre, gram vb.) sayısal olarak gösterimi ile ilişkili çeşitli ölçüleri ifade eder (Wansom vd., 2009).

2.8.3.2 Yüzey-hacim ilişkisi

Bir nesnenin boyutu nanoboyuta yaklaştığı zaman, yüzeydeki atom fraksiyonları (parçaları) önemli ölçüde artmaya başlar. Bu durum yüzey alanı-hacim oranı ya da yüzey-hacim oranı ile ölçülür. Nanopartiküllerin yüzeyindeki atom parçalarının önemli ölçüde artması, kısmen, maddenin alışılmamış yüzey baskın davranışlarından sorumludur (Wansom vd., 2009).

2.8.3.3 Yüzey baskın davranışlar

Tüm etkileşimler çok sayıda kuvvet ile ortaya çıkar ancak bu kuvvetlerin kısmi etkisi boyut ile değişmektedir (Stevens vd., 2009). Nanoboyutta farklı dayanıklılık düzeylerine (sağlamlık) sahip çeşitli elektriksel kuvvetler (van der waals kuvvetleri

gibi) nesneler arasındaki etkileşimlere hakim olma eğilimindedir. Sonuç olarak, bu boyutta partikül içi kuvvetler ve enerjiler mikro ya da makro boyutlarda olduğundan çok daha önemli bir rol oynamaktadır (Wansom vd., 2009).

2.8.3.4 Self-assembly

Özel koşullar altında, bazı materyaller, düzenlenmiş yapılar şeklinde rastlantısal olarak bir araya gelebilir (birleşebilir). Bu olay self-assembly (kendiliğinden oluşum) olarak adlandırılır. Bu süreç, nanoboyuttaki maddeleri istenen doğrultuda yönlendirmek için yararlı bir yol sağlar. Self-assembly sürecini birçok faktör etkiler. Bunlar oluşacak maddenin yapı ve özellikleri ile oluşumun gerçekleşeceği çevre özelliklerini kapsar. Self-assembly süreci, kuvvet ve enerji terimleri bünyesinde tanımlanabilir (Stevens ve Krajcik, 2009). Self-assembly doğada da sıklıkla görülmektedir (biyolojik dokuların oluşumu gibi) (Wansom vd., 2009).

2.8.3.5 Kuantum mekanikleri

Bir nesnenin boyutu/kütlesi nanoboyuta yaklaştıkça, klasik mekaniklerinin yerini maddenin ikili parçacık-dalga doğasını vurgulayan kuantum mekanikleri alır. Öğrenciler temel nanoboyut karakterizasyon araçlarının işlevini ve boyuta bağlı özellikleri anlamak için kuantum mekaniklerine ihtiyaç duyar (Stevens ve Krajcik, 2009; Wansom vd., 2009).

2.8.3.6 Boyuta bağlı özellikler

Maddelerin özellikleri boyut ve ölçek ile değişebilir. Bir maddenin boyutu nanoboyuta yaklaştıkça, yeni işlevselliklere kapı aralayan beklenmedik özellikler ile karşılaşılmaktadır (Stevens ve Krajcik, 2009). Boyuta bağlı özellikler hem uzunluk hem de kütle ile ilişkilidir. Bu özellikler maddenin yüzeyindeki atom sayısının artmasından kaynaklanmaktadır (Wansom vd., 2009).

2.8.3.7 Araçlar ve teknikler

Yeni araç ve tekniklerin gelişimi, bilimsel ve teknolojik ilerlemelerin sürdürülmesinde büyük önem taşımaktadır. Belli bir alanda uzmanlaşmış araçların gelişimi; maddenin özelliklerinin anlaşılmasına olarak tanır. Ayrıca bu araçlar

nanoboyuttaki maddelerin tespit edilmesi, işlenmesi, izole edilmesi, ölçülmesi, üretilmesi ve benzeri olmayan bir hassasiyet ve doğrulukla incelenmesi için bilim insanları ve mühendislere yardımcı olur (Stevens ve Krajcik, 2009). Eğer öğrenciler nanobilim ve nanoteknoloji kariyerlerinde başarılı olmak istiyorlarsa, bu araçları iyi öğrenmeleri gereklidir (Wansom vd., 2009).

2.8.3.8 Modeller ve simülasyonlar

Nanoboyuttaki nesneler ve olaylar doğaları gereği gözle görebilmek için fazlaca küçüktür. Bu nedenle, onların davranışlarını anlamak, görselleştirmek ve tahmin etmek için modeller ve simülasyonlara gerek duyulmaktadır. Ayrıca model ve simülasyonlar nanoyapılı materyal ve cihazların teknik tasarımı ve üretimi için de vazgeçilmez yardımcılardır (Wansom vd., 2009).

2.8.3.9 Sosyal etkiler

Nanobilim ve nanoteknoloji tüm teknolojik yeniliklerde olduğu gibi, hayatımızı hem olumlu hem de olumsuz şekilde etkilemek için büyük bir potansiyele sahiptir. Bu konuların bilincinde olması gerekenler sadece bu alanlarda çalışan bilim insanları değildir. Nanobilim ve nanoteknolojinin topluma sağladığı yararlar ve sebep olduğu zararlar üzerine bilinçli kararlar verebilme sorumluluğundan dolayı her eğitimli vatandaş belli bir düzeyde farkındalığa sahip olmalıdır (Wansom vd., 2009). Nanoölçekli partiküllerin canlıları nasıl etkileyeceği üzerine sahip olduğumuz bilgilerin sınırlı olması, nanobilim ve nanoteknolojiyi farklı eğitim düzeylerine entegre ederek bireyleri bilinçlendirmek için başlı başına bir nedendir (Planinšič ve Kovač, 2008).