SCIENZ@SCUOLA/ Nanotecnologie per la Scuola. Un’attività didattica innovativa nello Studio della Materia

Nanotecnologie e innovazione: un progetto didattico attuato al liceo scientifico per conoscere, comprendere e sperimentare lo stato attuale e le potenzialità della ricerca sui materiali.

20.03.2013 - Marina Minoli
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Montreal, Expo 1967: cupola geodetica dellarchitetto americano Richard Buckminster Fuller le cui costruzioni, nella forma, ricordano la struttura del fullerene, la molecola scoperta nel 1985 e premiata con il Nobel per la Chimica nel 1996.

Un’iniziativa culturale legata alla Mostra del Tigullio 2012, progetti di ricerca realizzati in quattro istituti scolastici del Tigullio, con l’obiettivo di sviluppare la didattica su competenze specifiche e di mettere in relazione le scuole con le specificità del comprensorio. L’autore, docente nel Liceo Scientifico “G. Marconi” di Chiavari e appassionata costruttrice di progetti didattici innovativi, ha lavorato nelle sue classi durante lo scorso anno scolastico sul tema delle nanotecnologie. Il progetto ha avuto un titolo impegnativo: Nanotecnologie per la scuola e si è articolato in diverse fasi descritte in questo contributo. Per accostare gli studenti liceali a un ambito della conoscenza fisica molto complesso anche con un obiettivo di orientamento.

Nell’ambito della sezione autunnale della Mostra del Tigullio 2012 presso la sede della Società Economica di Chiavari, il Convegno “Scuola e Territorio” dell’1 dicembre è stato occasione per presentare percorsi didattici ideati e attuati da alcuni docenti nelle rispettive scuole.
Iniziative innovative che tentano di introdurre nella scuola elementi di valorizzazione del lavoro dei docenti con le proprie classi, avviando ragionate interazioni scuola-territorio. A testimoniare che docenti e studenti possono produrre un rinnovamento efficace della didattica e dell’apprendimento.

Cultura Nanotech per la scuola

Una vera sfida la mia scelta della tematica Nanotecnologie per la scuola, sia per la complessità degli argomenti sviluppati a differenti livelli nelle classi prime e terze del liceo scientifico, sia per l’individuazione di una efficace relazione formativa di queste tecnologie con il territorio del Tigullio, caratterizzato da specifica connotazione turistica.
Difficile è stato quindi modulare il percorso, modificando più volte la progettazione iniziale perché fosse coinvolgente e adatto a studenti liceali che hanno acquisito conoscenze di base sia di chimica e sia di biologia.
Il percorso di ricerca mi ha coinvolto direttamente in un articolato lavoro, condiviso con gli studenti, con obiettivo fondamentale di ideare un’attività didattica con cui accostare saperi in evoluzione con approcci integrati tra chimica-fisica e biologia. Attualmente le nanotecnologie sono infatti entrate a pieno titolo in numerosi ambiti di ricerca e di sviluppo industriale, dalla salute alle telecomunicazioni, dall’ambiente all’energia, area di ricerca e di applicazione in rapida espansione. Le applicazioni nanotech costituiscono una premessa di nuovi vantaggi per la vita quotidiana in settori che vanno dalla diagnostica medica alle produzioni tessili, alla cosmetica, a numerosi dispositivi elettronici; un settore multidisciplinare che si rivela una risorsa per analizzare con gli studenti i bisogni di nuova tecnologia, ma anche le figure professionali che dovranno gestire l’innovazione e l’uso responsabile di queste applicazioni.
Il percorso ha quindi sviluppato un approccio pluridisciplinare promuovendo negli studenti, grazie anche all’intervento di un nanotecnologo, interesse, passione, curiosità per comprendere le ricadute a livello territoriale di novità scientifiche emergenti.

L’idea

L’idea è nata dall’analisi di due iniziative internazionali: il portale del progetto Nanoyou della Comunità Europea che da alcuni anni sollecita i docenti delle scuole secondarie a proporre nelle proprie classi percorsi formativi inerenti alle moderne tematiche nanotech e la piattaforma didattica e di apprendimento scolastico del progetto Swiss Nano-Cube della Confederazione Elvetica.
Incuriosita in merito a queste innovative tematiche, ho ritenuto realizzabile nella mia realtà scolastica un percorso integrato di chimica e biologia che avesse come filo conduttore le moderne applicazioni tecnologiche.
Senza seguire mode di innovazione forzata, penso sia importante promuovere formazione in settori che avranno in breve tempo ricadute anche sull’economia del contesto territoriale nel quale si opera.

È stato quindi importante per me interloquire con interpreti delle realtà territoriali diversi dalla scuola, confrontarsi, riflettere sul senso del proprio operare, individuare il potenziamento di alcuni aspetti della didattica per promuovere specifici apprendimenti.

 

 

La partenza: storia delle nanotecnologie

 

Che cosa sono i «nanomateriali»? Proprio con questa domanda guida, e quindi dalla spiegazione di questo termine, ho iniziato a lavorare nelle classi prime citando la raccomandazione della Commissione europea del 18 ottobre 2011 sulla definizione di nanomateriale (vedi Gazzetta ufficiale dell’Unione Europea del 20 ottobre 2011, anche su http://eur-lex.europa.eu).
I nanomateriali sono definiti materiali naturali, derivati o fabbricati contenenti particelle, per almeno il 50 per cento della distribuzione dimensionale numerica, aventi dimensioni tra 1 e 100 miliardesimi di metro.
Possono dunque essere sia naturali presenti nell’ecosistema o antropici, create dall’uomo in modo non intenzionale – processi di combustione o fotossidazione atmosferica – o intenzionale – sintetizzate nel settore dell’elettronica, biomedicina, industria manifatturiera, farmaceutica e cosmetica.
L’approccio nanotech incuriosisce gli studenti, aiutando a recuperare motivazione allo studio e alla curiosità culturale anche per coloro che manifestano indifferenza al consueto apprendimento curriculare della chimica e della fisica, discipline presenti nelle nuove programmazioni delle classi prime (vedi Indicazioni Nazionali per i Licei Scientifici). Altre domande guidano lo studente a individuare le relative risposte. Chi e come è arrivato alla produzione di materiali in scala nanometrica? I materiali nanotech sono sempre veramente «nuovi»?
Efficace è stato articolare questa fase operativa partendo dall’osservazione; gli studenti hanno analizzato alcuni nanoprodotti già noti da centinaia di anni, anche se in modo non consapevole delle nanoproprietà dei materiali costituenti, in particolare le riproduzioni fotografiche dei vasi di Licurgo del IV secolo con le stupende sfumature delle nanoparticelle di oro, caratterizzati da differente colore nell’illuminazione interna ed esterna.

 

Gruppi di studenti di classi prime e terze, a differenti gradi di approfondimento, hanno partecipato all’avventura didattica nanotech nello spirito del fondatore inconsapevole di questa scienza: A new field of scientific adventure, dal primo Manifesto delle Nanotecnologie di Richard Feynman (1918-1988). Un approccio alla storia della nanotecnologia è iniziato dalla lettura di alcuni brani del discorso originale che lo scienziato ha pronunciato nel 1959 durante il meeting annuale dell’American Physical Society.
Ne è nato un percorso che valorizza i protagonisti delle scoperte, guidando gli studenti ad analizzare le prime scoperte di questo affascinante settore: dalla grafite al grafene, dai fullereni ai nanotubi, dopo avere trattato le proprietà dell’atomo di carbonio e i suoi allotropi (modalità operativa per attuare un passaggio dalla chimica inorganica alla chimica organica).

Modelli di fullerene, molecola a 60 atomi di Carbonio

 

Si sono selezionati poi alcuni settori strategici: ambientale ed energetico con i gruppi di studenti delle classi prime, chimico-farmaceutico nelle classi terze, materiali fotonici analizzati a diversi livelli sia per le prime sia per le terze classi.

 

 

Le azioni del docente

 

Nel realizzare queste attività ho lavorato da ricercatore didattico ideando nuove modalità nel proporre saperi chimico-fisici; ho svolto attività di ricerca-azione, diretto piccoli gruppi di studenti che hanno svolto specifici compiti di ricerca e sviluppo delle attività; ho guidato l’interpretazione della documentazione; ho contattato enti di ricerca scientifica per individuare la necessaria collaborazione.

 

Alla fine ho verificato il risultato delle attività predisponendo un opportuno questionario a carattere complessivo i cui esiti sono stati elaborati graficamente e discussi insieme agli studenti; ho presentato i risultati delle attività durante un convegno locale.
Ho realizzato un percorso di ricerca-analisi sulle applicazioni chimiche: dallo studio di nanomateriali naturali alla progettazione di nuovi materiali (sensori, vernici, membrane per nanofiltrazioni, eccetera) caratterizzati da specifiche proprietà.

 

 

Le azioni dello studente

 

Analizzare, progettare, sperimentare, comunicare: le azioni fondamentali attuate dagli studenti. Dopo avere seguito alcune lezioni propedeutiche sulla nascita e lo sviluppo delle nanotecnologie, alcuni gruppi di studenti hanno partecipato a un laboratorio virtuale sul sito www.nanoyou.eu (costruisci il naso elettronico), altri hanno contribuito a sviluppare un laboratorio di idee nanotech utili per il territorio: Nanotecnologie per il mare.

 

Sono stati inoltre protagonisti della giornata sperimentale nanotech, che ha previsto anche l’incontro con il nanotecnologo; hanno sviluppato successivamente specifiche tematiche nanotech leggendo articoli, alcuni in inglese, selezionati da una ricca bibliografia internazionale.

Il laboratorio virtuale

 

Gli studenti sono stati guidati a svolgere un esperimento virtuale, avendo a disposizione risorse interattive per attività pratiche finalizzate alla sperimentazione di proprietà e applicazioni di alcuni materiali della nanoscala.
Hanno costruito in modo virtuale un sistema bioelettronico in grado di percepire odori e sostanze, anche all’interno di altre, e quindi di identificare i componenti in una soluzione. Un apparecchio sviluppato da alcuni ricercatori nell’ambito di un progetto europeo denominato Bond (Bioelectronic olfactory neuron device). Seguendo le opzioni presenti nell’attività proposta, gli studenti hanno scelto il substrato, un link in grado di trasportare le informazioni dai complessi proteici al substrato, il recettore molecolare.

 

Una modalità operativa di questo tipo affianca la didattica tradizionale educando all’uso delle nuove tecnologie. Il riferimento al sito web internazionale www.nanoyou.eu ha permesso di utilizzare un’applicazione informatica in modo ragionato, con valenza anche di orientamento. E il tema affrontato, oltre a creare interesse verso l’attuale sviluppo delle scienze, aiuta a formare persone che sappiano contestualizzare le conoscenze scientifiche e tecnologiche acquisite.

 

Nanotecnologie per il mare

 

Nel laboratorio di idee per il Tigullio gli studenti si sono espressi sulla possibile utilità territoriale nella progettazione di nuovi prodotti nel settore ambientale e nel settore sanitario; si è focalizzata l’attenzione sugli ambiti applicativi ritenuti più significativi con riferimento sia ad applicazioni già attuate in contesto internazionale (per esempio le «membrane nanotech» per la depurazione delle acque potabili, Zermatt 2010) sia a materiali di recente realizzazione («spugna magnetica nanotech»con proprietà lipofila per depurare le acque degli oceani, Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, 06/2012).

 

Sono stati anche presi in esame i prodotti e i relativi vantaggi tecnologici di alcune aziende nazionali e internazionali impegnate da anni nella ricerca valutando l’opportunità di strutturare un «laboratorio di idee nanotech mare». Una modalità di lavoro che promuove la capacità di ricerca, la riflessione, l’analisi comparativa di dati e informazioni.
Le proposte evidenziano interesse per la progettazione di nuove vernici nanotech per trattare gli scafi delle navi al fine di ridurre il consumo di carburante e quindi evitare l’elevato inquinamento chimico delle acque marine nei porti; per l’ottimizzazione di «vele solari» fotovoltaiche al fine di limitare l’impiego di generatori di bordo; per l’ideazione di nuovi «biosensori intelligenti» utili in campo sanitario per individuare facilmente frodi commerciali nei porti, soprattutto per il controllo delle merci di importazione; per la creazione di più efficaci sistemi di illuminazione a risparmio energetico.

 

 

Nanomateriali vecchi e nuovi

 

I nanomateriali esistono anche in natura? Domanda guida con la quale ho avviato la ricerca di materiali nanostrutturati, in particolare quelli caratterizzati da un privilegiato rapporto con la luce.
La notevole curiosità degli studenti nei confronti delle caratteristiche dei materiali fotonici mi ha guidato a progettare una serie di attività sul colore (partendo da estrazione di pigmenti vegetali e analisi spettrografica), individuando nella collaborazione con un nanotecnologo un momento privilegiato di confronto per ideare semplici attività sperimentali sull’origine del colore.
La sintesi dei materiali fotonici non è brevetto dell’uomo; da anni la natura produce infatti questi materiali ed è stato interessante analizzarli.
Il più antico esempio di cristallo fotonico è l’opale, minerale di gel di silice amorfa idratata, generato dalla lenta deposizione di gel colloidale a bassa temperatura. L’effetto dei caratteristici cristalli fotonici crea giochi di colore e iridescenze, che variano al mutare dell’angolo di osservazione e dell’esemplare in analisi.
Si passa dalla mineralogia alla zoologia con il magnifico effetto ottico delle penne del pavone, caratterizzate da nanostrutture chitinose con differenti riflessi colorati. 
È stata un’occasione per riflettere sulla necessità di conoscere le reazioni di sintesi naturale dei cristalli fotonici per riprodurle amplificandole nelle sintesi artificiali; per esempio nel settore energetico per produrre celle solari in grado di assorbire la luce in modo molto efficiente o per produrre dispositivi portatili in grado di avere un’autonomia d’uso molto superiore alle batterie esistenti.
Negli ultimi trent’ anni sono in particolare stati sintetizzati e studiati nuovi polimeri con le proprietà dei semiconduttori e dei metalli, che insieme alle proprietà meccaniche delle materie plastiche, hanno creato nuovi materiali «optoelettronici»: LED, transistor, celle fotovoltaiche, schermi piatti per televisori o lettori MP3. La possibilità di modificare chimicamente la struttura elettronica di questi polimeri ha consentito di ottenere l’emissione di tutti i colori dello spettro visibile e anche della luce bianca.

È stato interessante dunque analizzare alcuni studi pionieristici che hanno posto le basi per questo settore di ricerca studiando le testimonianze biografiche dei Premi Nobel per la Chimica 2000: A. J. Heeger, A. MacDiarmid e H. Shirakawa.

 

 

Note conclusive

 

Ritengo lo studio delle nanotecnologie utile per educare a una visione unitaria della cultura scientifica: fisici, chimici, biologi lavorano in modo coordinato con ingegneri meccanici ed elettronici per elaborare nuovi concetti e differenti modalità operative. È importante individuare nell’innovazione elementi per meglio comprendere la realtà nella quale viviamo e operiamo, nel rispetto del differente approccio sperimentale delle singole discipline scientifiche.
Ho verificato anche in questa occasione l’importanza di un aggiornamento scientifico continuo, che sento come una necessità proprio per il mio compito di docente. Interessanti occasioni di formazione e riflessione sulle nanotecnologie sono stati due eventi che si sono svolti a Venezia nel corso del 2012: la VIII Conferenza Internazionale sulle Nanoscienze presso la Fondazione Cini nel mese di settembre e il Convegno internazionale NanotechItaly organizzato nel mese di novembre; fonti di interessanti comunicazioni, alcune delle quali analizzate insieme agli studenti.
La cultura nanotech è solo all’inizio e ritengo sia fondamentale promuoverla, anche nella scuola, non in termini di accettazione passiva delle conoscenze di alcune conquiste tecnologiche, ma soprattutto di responsabilizzazione nella comprensione delle attuali applicazioni e sensibilizzazione all’orientamento delle future ricerche e progettazioni che stanno già coinvolgendo realtà scientifiche internazionali. In questa prospettiva, la passione educativa che guida il mio lavoro, mi permette di presentare anche gli aspetti culturali più significativi dei cambiamenti tecnologici in atto.
Alla fine di questo percorso è stato somministrato agli studenti un questionario finale di valutazione del gradimento: positivo il risultato che ha evidenziato un elevato interesse (81,3%) per tutte le attività nanotech svolte (teoriche e sperimentali), in particolare per le applicazioni nel settore della moderna fotonica molecolare.
Una occasione per me di riflessione sul significato dell’essere docente professionista oggi, in realtà che tendono purtroppo a promuovere aspetti sempre più burocratici, lontani dal vero senso del fare scuola in una condizione di emergenza educativa e quindi di elevata necessità di modelli formativi e di valori culturali.
Significativo dunque è riflettere sul fatto che lo scenario culturale che ci apprestiamo a vivere dovrebbe avere tutto il sapore dell’avventura scientifica che aveva sognato Feynman, per promuovere il gusto del comprendere e dell’apprendere la cultura della ricerca.

 

 

 

Marina Minoli
(Biologa dell’Ordine Nazionale, specializzata in Didattica delle scienze e in Comunicazione scientifica, è docente di ruolo di Scienze naturali nel Liceo Scientifico “G. Marconi” di Chiavari)

 

 

 

Indicazioni bibliografiche

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  2. Marina Minoli, Scrivere informazioni con i rotassani, in: Le Scienze-Scientific American, 3/2003
  3. K. Eric Drexler, Engines of creation, Anchor Books, 1987
  4. Marina Minoli, Elementi di innovazione nella didattica della chimica: percorso “Chimica consapevole”, in: Emmeciquadro  n° 42, agosto 2011
  5. Elisabetta Morsella, Nanoscienze e nanotecnologie: dalla ricerca alle applicazioni, Roma, Enea, 2008
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  8. J. Lipomi , M. Vosguerritchian , J. A. Lee, Skin-like pressure and strain sensor based on trasparent elastic films of carbon nanotubes , Nature Nanotecnology 6, 788 -792 2011
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  11. Evandro Agazzi, Cultura scientifica e interdisciplinarietà, La Scuola, Brescia 1994
  12. Marina Minoli, La rivoluzione: da Prof burocrate a docente ricercatore, www.ilsussidiario.net 4/12/2012
  13. Gianfranco Pacchioni, Nanotecnologie: una rivoluzione in atto, in: Emmeciquadro n° 47, dicembre 2012 e n° 48, marzo 2013
  14. Dario Narducci, Nanoscienze e nanotecnologie, in: Emmeciquadro n. 29, aprile 2007

 

 

 

 

© Pubblicato sul n° 48 di Emmeciquadro




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