Grafeen

De leerlingen maken kennis met het materiaal ‘grafeen’, ze bekijken een video waaruit ze kunnen opmaken wat de materiaaleigenschappen van grafeen zijn. Gezamenlijk wordt er een woordweb gemaakt. Ook wordt er een begin gemaakt met ‘de vragenmuur’.

Fase van onderzoekend leren
Fase 1: Introductie

Doelen

• De leerlingen nieuwsgierig maken naar het thema grafeen
• De leerlingen raken bekend met de eigenschappen van grafeen

Duur
Introductie 25 minuten

Werkvorm
Klassikaal en individueel

Voorbereiding en Benodigdheden

• Zet de video klaar op het digibord: DWDD nobelprijs
• Schrijf de kijkvraag op het bord: Wat zijn de eigenschappen van grafeen?
• Geef ieder kind een leeg vel papier waarop zij hun antwoord kunnen schrijven
• Hang twee grote vellen papier op in de klas en schrijf op het ene, ‘Wat weten we al?’ en op het ander ‘Wat willen we weten?’
• Leg een grote stapel post-its klaar waarop geschreven kan worden wat de kinderen weten en willen weten

Activiteit
Bekijk het fragment van De Wereld Draait Door waarin Robbert Dijkgraaf en Diederik Jekel enthousiast vertellen over de ontdekker van het materiaal grafeen. Geef de kinderen de volgende kijkvraag mee: Wat zijn de eigenschappen van grafeen?

Geef de leerlingen na het bekijken nog een paar minuten de tijd om hun antwoorden op te schrijven en met hun buurman/vrouw te bespreken.

Vertel na het afronden dat de leerlingen de komende weken aan de slag zullen gaan met het project ‘Grafeen’. Vraag de kinderen welke antwoorden ze hebben gevonden op de kijkvraag. Start daarna een woordweb op.  Wat kunnen de kinderen zich verder nog herinneren over wat erover grafeen werd verteld, wie zijn bijvoorbeeld de ontdekkers en wat kun je allemaal met dit materiaal?

Afronding
Het woordweb kan de rest van het project in de klas blijven hangen en eventueel aangevuld worden.

Hang in de klas twee grote vellen papier op, ‘de vragenmuur’. Op het ene blad komt te staan wat de leerlingen al weten over grafeen en op het andere wat ze nog graag willen weten.  Beplak de beide vellen met post-its met daarop dingen die ze weten en nog willen ontdekken. Zodra er iets nieuws is ontdekt kan de post-it van het ene naar het andere vel.

De leerlingen leren dat grafeen een kristal is en ontdekken de eigenschappen van kristal.

Fase van onderzoekend leren
Fase 2: verkennen

Subthema
Kristallen

Doelen

• De leerlingen bekijken materialen (kristal en niet-kristal) onder een microscoop
• De leerlingen ontdekken wat de eigenschappen van kristal zijn
• De leerlingen leren waarom grafeen een kristal is

Duur
45 minuten

Werkvorm
Klassikaal en in groepjes

Voorbereiding en benodigdheden

• De Klokhuis-aflevering met als titel ‘ijskristal’ klaar
• Per groepje van 4 een microscoop
• Verschillende materialen om onder de microscoop te leggen
  • Materialen met kristalstructuur: (zee)zout, (basterd)suiker, zand, bergkristal, ijs, sneeuwvlokken, grafiet, kiezel, amethist, potloodpunt, aspirine
  • Materialen zonder kristalstructuur: leeg flesje drinkwater (plastic), glas, plant, karton, (spijker)stof
• Pen en papier per groepje

Activiteit
Deel 1: Verdeel de klas in groepjes van vier, per groepje staat er een microscoop en verschillende materialen (wel en niet kristal) klaar. Leg per groepje tenminste 4 verschillende kristalmaterialen en 4 andere materialen klaar. Laat de kinderen de verschillende materialen onder de microscoop leggen en opschrijven wat ze zien. Wat zijn de verschillen tussen de materialen die wel en die niet een kristalstructuur hebben? Welke overeenkomsten hebben de kristallen?

Deel 2: Bekijk samen met de leerlingen een afbeelding van de structuur van grafeen en van bijvoorbeeld een diamant en grafiet.  Zie bijlage 1.

Kunnen de kinderen uitleggen waarom grafeen ook een kristal is? Wat is er anders aan grafeen in vergelijking met de andere kristallen?

Afronding
Inventariseer klassikaal welke kristal-eigenschappen er zijn ontdekt. Vul de vragenmuur aan, wat weten we al en wat willen we nog weten?

De atomen waaruit kristallen zijn opgebouwd, zijn gerangschikt in een regelmatig/symmetrisch patroon. Zo ook grafeen, de leerlingen onderzoeken welke vormen van regelmaat en symmetrie er zijn.

Duur
30 minuten

Werkvorm
Klassikaal en in groepjes

Benodigdheden

• PowerPointpresentatie
• Spiegeltje
• Setje afbeelding voor ieder groepje
• Uitleg uit het boek

Activiteit
Als je om je heen kijkt, zie je materialen die regelmatig zijn. Vraag aan de leerlingen of zij in de klas een voorbeeld kunnen noemen van materialen waarin een regelmaat voorkomt. Voorbeelden die je kunt tegenkomen zijn: de ramen, (tapijt)tegels, plafond, bord, patroon van de gordijnen etc.

Deel 1: Maak groepjes van vier en geef ieder groepje een setje afbeeldingen en een spiegeltje. Geef de leerlingen de opdracht om met het spiegeltje op zoek te gaan naar regelmaat in de afbeeldingen, oftewel symmetrie.

Bespreek na 10 minuten wat de leerlingen is opgevallen.

Deel 2: Leg de begrippen spiegelsymmetrie, draaisymmetrie en translatiesymmetrie uit. Gebruik hiervoor de voorbeelden uit de PowerPointpresentatie en gebruik de uitleg op blz. 60 uit het boek.

Afronding
Kijk na de uitleg opnieuw naar de eerder uitgedeelde afbeeldingen: kunnen de kinderen de afbeeldingen die ze hebben bestudeerd bij een van de vormen van symmetrie plaatsen?

De leerlingen hebben geleerd dat atomen waaruit kristallen zijn opgebouwd, gerangschikt zijn in een regelmatig patroon. Het regelmatige patroon van de atomen of moleculen in een kristal noemen we het kristalrooster.

Om het begrip rooster aan leerlingen te verduidelijken gaan ze in groepjes van vier met drie figuren een tegelvloer maken. Daarna maken ze zelf kristalvormen na.

Duur
75 minuten

Werkvorm
In groepjes van vier

Benodigdheden

Deel 1:

• Per groepje een set met driehoeken, vierkanten en vijfhoeken bijvoorbeeld van het materiaal ‘Magformers’ (zie Film 3. Kristallen, patronen en symmetrie, rond 05.30 min. voor het materiaal dat destijds is gebruikt)
• Een voetbal met een vijfhoek/zeshoek patroon

Deel 2:

• Bijlage 2: Kristal en Grafeen

Deel 3:

• Per groepje een grote hoeveelheid winegums en voldoende sateprikkers
• Bijlage 3: Invulformulier

Activiteit
Deel 1: Maak groepjes van vier en geef ieder groepje drie verschillende figuren. Geef de leerlingen de volgende opdracht:

“Een metselaar krijgt als opdracht om met een driehoek, vierkant en vijfhoek een tegelvloer te maken. Hij mag maar één figuur per tegelvloer gebruiken en de tegels moeten precies in elkaar vallen. Lukt dit?”

Laat de kinderen dit per figuur uitproberen. Bespreek na 15 minuten wat de leerlingen is opgevallen.

Uitleg: Waarschijnlijk is hen opgevallen dat je met de driehoeken en vierkanten een mooie vloer kunt leggen, maar dat er met de vijfhoek steeds ruimte overblijft. Je kunt met een symmetrisch figuur dus niet altijd een regelmatig plat patroon maken. Wanneer je er een ander figuur aan toevoegt kan dit wel, illustreer dit door een voetbal door de klas te laten gaan, welke figuren/patronen zien ze erin terug?

Deel 2: Het mooie aan de opbouw van een kristal is dat al die kleine stukjes op zo’n manier in elkaar zitten dat er altijd regelmaat te vinden is. De leerlingen leren dat hetzelfde figuur steeds terugkomt. Laat dit zien aan de hand van het plaatje in Bijlage 2. Het zijn een soort groene en paarse knikkers.
Ze komen in dezelfde grootte en volgorde terug: groen-paars-groen-paars etcetera. De klas heeft geleerd dat grafeen ook een kristal is, bespreek hoe je dat kunt zien aan de hand van de afbeeldingen in bijlage 2 en de volgende vragen:

• Hoe kun je zien dat grafeen een kristal is?
• Welk figuur komt er steeds terug?
• Wat is er anders aan grafeen in vergelijking met de andere kristallen (antwoord: grafeen is de eerste tweedimensionale kristal)

​De kinderen zien dat grafeen als kippengaas is. Ze zien steeds een zeshoek terugkomen. In de figuur is de zeshoek het regelmatige patroon. Hierdoor kunnen ze de link met ‘kristal’ leggen.

Deel 3: De kinderen gaan verkennen dat structuren van kristallen symmetrisch zijn door zelf kristalstructuren te bouwen.

De leerlingen gaan in groepjes van vier een kristalstructuur bouwen met winegums en satéprikkers, waarbij ze gebruikmaken van één of meerdere vormen van symmetrie die aan bod gekomen zijn. Per groepje kiezen ze met welk figuur (driehoek, vierkant of zeshoek) ze een kristal bouwen. Ze mogen echter maar 1 figuur gebruiken. Dit figuur komt steeds weer terug, waardoor hun bouwwerk een regelmatige structuur krijgt. Ook mogen de groepjes kiezen of ze hun bouwwerk een enkele laag hoog maken of dat ze de hoogte in gaan. De leerlingen kunnen op deze manier kiezen om de tweedimensionale structuur van grafeen na te maken.

Geef ieder groepje hierna een formulier waarop ze kunnen invullen welke vormen van symmetrie er in de verschillende bouwwerken van hun klasgenoten terugkomen. Zie bijlage 3.

Afronding
Laat de leerlingen een mindmap maken om hen zo de opgedane kennis te laten structureren.

De leerlingen ontdekken dat alle materialen uit kleine deeltjes zijn opgebouwd. De voorbeelden zijn zo concreet en tastbaar mogelijk om zo te verduidelijken wat atomen en moleculen zijn, zo ervaren de leerlingen zelf hoe onvoorstelbaar klein een atoom eigenlijk is.

Duur
45 minuten

Werkvorm
Klassikaal en individueel

Benodigdheden

• Per leerling een A4-vel papier
• De video (in plaats van Bassie en Adriaan): Wat zijn moleculen?  of/en Hoe klein is een atoom? (in het Engels met Nederlandse ondertiteling)
• De afbeeldingen met De machten van 10 klaarzetten op het digibord
• Een suikerklontje voor iedere leerling
• Meerdere loepen, bijvoorbeeld 1 per 5 kinderen

Activiteit
Deel 1: Geef ieder kind een wit A4-vel met de opdracht om dit papier doormidden te vouwen, vervolgens over de vouwlijn te knippen, en dit zo vaak mogelijk te herhalen. Vertel dat ze moeten tellen hoe vaak ze dit vol kunnen houden. Hoe ver komen ze…?

Vertel na het proefje dat wanneer je dit 31 keer doet, je een snippertje papier hebt ter grootte van een atoom. Maar die is uiteraard onzichtbaar voor het blote oog.

Deel 2: Bekijk beide of een van bovenstaande video’s over moleculen en atomen. Vraag of de kinderen kunnen vertellen hoe groot een atoom is en een molecuul?

Laat met ‘de machten van 10’ zien hoe ver er ingezoomd wordt, voordat je bij de kern komt. Geef de leerlingen de opdracht om naar hun duim te kijken. “Wat zie je?” Ze krijgen vervolgens een plaatje van een duim te zien waar er nog een paar keer wordt ingezoomd tot het niveau van het atoom, met behulp van de machten van 10. De kinderen zien dat je het tot stap 2 met het blote oog kunt zien, naar daarna alleen met een vergrootglas of microscoop. Laat eventueel ook de afbeelding met ‘de machten van 10’ zien, waarin er steeds (met een factor 10) verder wordt ingezoomd op een blad.

Deel 3: Vertel de kinderen hierna dat alles om ons heen uit kleine deeltjes bestaat. Die kleine deeltjes zijn atomen. Bekijk samen een stukje stof. Een stukje stof bestaat uit verschillende draadjes. De draadjes kun je weer steeds kleiner maken. Je kunt het stukje stof steeds verder ontleden.

Deel 4: Deel aan alle kinderen een suikerklontje uit. Geef hen de opdracht om het klontje te delen tot suikerkorrels, steeds kleiner tot ze die niet verder meer kunnen delen. Laat hen de korrels met een loep bekijken en laat ze de volgende vraag beantwoorden: Hoe kun je de korrel nog kleiner maken? Wat voor apparatuur heb je daarvoor nodig?”

Afronding
Bespreek na wat de kinderen geleerd hebben. Vertel dat materialen uit kleine deeltjes bestaan. Om tot de kern te komen, heb je een elektronenmicroscoop nodig. Je kunt atomen een beetje vergelijken met een legodoos: je hebt maar 10 verschillende soorten blokjes, maar je kunt huizen, torens, vliegtuigen, bruggen, auto’s, kastelen en noem maar op bouwen. Veel meer dan 10 verschillende dingen. Zo werkt het ook met atomen. Er is maar een beperkt aantal atomen, waar alles in de wereld uit opgebouwd is.

De leerlingen ontdekken dat een van de materiaaleigenschappen van grafiet en grafeen stroomgeleiding is.

Duur
30 minuten

Werkvorm
Klassikaal en in groepjes

Benodigdheden

• Een blad of website met aanwijzingen over hoe je een stroomkring maakt
• Voor ieder groepje de materialen om de kring te bouwen:

• Een batterij
• Drie geïsoleerde snoertjes met krokodillenbekjes
• Een fitting
• Een lampje

Voor ieder groepje de materialen om aan de kring toe te voegen:

• Stukje hout
• Stukje plastic
• Een muntje van 10 cent
• Potlood (grafiet)
• Een aardappelschilmesje
• Papier

Voor ieder groepje een vel papier waarop ze voorspellen welk materiaal wel en welk materiaal geen stroom zal geleiden.

Activiteit
Laat de kinderen eerst een stroomkring maken met een lampje. Je kunt de materialen om een kring te bouwen klaarleggen en de kinderen zelf laten experimenteren of een blad/website klaarzetten waar ze aanwijzingen vinden hoe ze een stroomkring kunnen maken. Bij de tweede stap voegen de kinderen er een materiaal aan de kring toe om te kijken of het stroom geleidt, zoals, een stukje hout en/of plastic, een muntje van 10 cent, potlood (grafiet), een aardappelschilmesje en papier. Vertel dat ze eerst moeten voorspellen welk materiaal wel en welk materiaal geen stroom zal geleiden. De voorspellingen schrijven ze voor ze beginnen op een vel papier. Waarom denken ze dat?

Afronding
Bespreek klassikaal de bevindingen. Welke materialen geleiden wel/niet stroom? Leg de koppeling tussen potlood (grafiet) en grafeen. Vul de vragenmuur aan. Wat weten we en wat weten we nog niet? Wat willen we onderzoeken?