CONCILIAÇÃO ENTRE PESQUISA CIENTÍFICO-TECNOLÓGICA E A ÁREA DE ENSINO: LIÇÕES SOBRE PROPRIEDADES FÍSICAS DE NOVOS MATERIAIS DE CARBONO PARA O ENSINO MÉDIO

## CONCILIAÇÃO ENTRE PESQUISA CIENTÍFICO-TECNOLÓGICA E A ÁREA DE ENSINO: LIÇÕES SOBRE PROPRIEDADES FÍSICAS DE NOVOS MATERIAIS DE CARBONO PARA O ENSINO MÉDIO

## A RECONCILIATION BETWEEN THE SCIENTIFIC AND TECHNOLOGICAL RESEARCH AND THE RESEARCH IN PHYSICS TEACHING: LESSONS ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF NEW CARBON MATERIALS FOR HIGH SCHOOL

Daiana A. Ramos 1 , Eduardo Kojy Takahashi , Ricardo Kagimura 2 3

1 Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física, dapramos@hotmail.com

2 Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física/Programa de Pós-graduação em Educação/Faculdade de Educação, ektakahashi@ufu.br

3 Universidade Federal de Uberlândia/Instituto de Física, kagimura@infis.ufu.br

## Resumo

Nanoestruturas de carbono têm atraído o interesse de muitos pesquisadores nos últimos anos devido à sua potencial aplicação em novas tecnologias. Neste trabalho, propomos a conciliação entre a pesquisa científico-tecnológica e o ensino de Física, através do uso de modelos de nanoestruturas de carbono (nanotubos) em aulas do Ensino Médio, com o intuito de inserir os alunos nos temas modernos da Física e mostrar a sua importância no desenvolvimento científico e tecnológico. Os modelos são construídos com garrafas plásticas de refrigerante, recicláveis, mangueira sanfonada e telinhas de metal. Esse tipo de metodologia pode conectar o ensino de Física à realidade contemporânea, e isso pode despertar o interesse dos alunos pela disciplina, assim como contribuir efetivamente para um maior interesse dos alunos por cursos de graduação, ou técnicos, na área de ciências exatas e tecnologia. Este trabalho foi desenvolvido com 45 alunos do Ensino Médio de escolas públicas e particulares de Uberlândia (MG), participantes do minicurso de Física oferecido pelo curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal de Uberlândia. Por meio dele foi possível constatar que boa parte dos alunos adquiriu conhecimentos básicos referentes às propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono e sua relação com o arranjo dos átomos, e, ainda, manifestaram capacidade de compreensão das diferenças entre condutores, isolantes e semicondutores. A partir da avaliação feita sobre a aula, foi possível constatar que os alunos consideraram-na motivadora, interessante, produtiva, dinâmica e de fácil assimilação. Dessa forma, o objetivo de despertar o interesse pela Física foi atingido, bem como se conciliou uma pesquisa científico-tecnológica com o ensino de Física. Os autores agradecem à FAPEMIG pelo apoio financeiro.

Palavras-chave : Formação de Professor, Ensino de Física, Estruturas de Carbono.

## Abstract

Carbon nanostructures have attracted great interest of many researchers in the recent years due to its possible application in new technologies. In this paper, we propose the reconciliation between the scientific and technological research and the physics teaching research by building models of nanostructures, carbon nanotubes, using recyclable plastic bottles of soda and hose bellows, metal and small screens, which are low cost materials. Our goal is to use these models to present modern physics topics to the high school students and show its importance in scientific and technological development. This type of methodology can connect the teaching of physics to contemporary reality, and this may arouse the interest of students in this matter, as well as contributing effectively to a growing interest among students in sciences and technology graduation or technical courses. This study was conducted with 45 high school students from public and private schools in Uberlândia (MG), who attend to the Physics Minicourse offered by the Physics Teaching Degree course from the Federal University of Uberlândia. With it, it was possible to see that most of the students have acquired basic knowledge concerning to the electronic properties of carbon nanotubes and their relation to the arrangement of atoms, and also they developed the ability to understand the differences between conductors, insulators and semiconductors. Through the evaluation about the class, it was found that the students found it motivating, interesting, productive, dynamic and easy to assimilate. Thus, in order to generate interest in physics has been achieved and reconciled themselves to scientific and technological research with the teaching of physics. The authors acknowledge the financial support FAPEMIG.

Keywords : Teacher training, Physics Teaching, Carbon Structures.

## 1. Introdução

O rápido desenvolvimento de novas tecnologias tem causado um descompasso entre o que é ensinado no Ensino Médio e a realidade contemporânea dos alunos. A conexão das novas tecnologias com o ensino de Física no ambiente da sala de aula pode despertar o interesse dos estudantes por essa disciplina. Para Oliveira, Vianna e Gerbassi (2007, p.448) 'A Física, em particular, tem contribuído de forma significativa (...) principalmente para o desenvolvimento da medicina e das engenharias'. Entretanto, o ensino nas escolas não está caminhando junto com o desenvolvimento da ciência e, ainda de acordo com Oliveira, Vianna e Gerbassi (2007, p.448), 'os alunos continuam estudando uma Física de centenas de anos atrás'. Assim, este trabalho tem como propósito específico planejar uma aula para alunos do Ensino Médio sobre nanociência, novos materiais de carbono e suas tecnologias. Para isso, propomos a construção de modelos dessas estruturas utilizando materiais de baixo custo.

Nota-se, geralmente, que a Física é transmitida aos alunos de uma maneira mais difícil, pois o professor se preocupa demais com a modelagem matemática e se esquece dos conceitos.

Devemos esperar que os alunos aprendam a raciocinar logicamente e qualitativamente sobre os fenômenos da física, para expressar seu conhecimento em múltiplas formas (verbal, pictórica e gráfica, bem como matemática), para alcançar uma compreensão razoável da estrutura conceitual da física (KNIGHT, 2004, p.3).

Por outro lado, o desenvolvimento de aulas não tradicionais pode contribuir efetivamente para a construção do conhecimento dos alunos. A demonstração e utilização de objetos, experimentos e recursos tecnológicos são fundamentais para despertar o interesse e a curiosidade do aluno pela física (KNIGHT, 2004).

A nanotecnologia é um dos possíveis elos entre o mundo microscópico e o macroscópico; através dela o homem consegue manipular átomos e moléculas (mundo invisível), a fim de desenvolver tecnologias e dispositivos muito compactos e eficientes (mundo visível).

A nanotecnologia não é um novo e separado campo de conhecimento, mas envolve conceitos já dominados por eles como átomos e moléculas, tamanho de partículas, escalas métricas, área superficial específica, adesão, entre outros. O que se tem realmente de novo é a maneira com que átomos e moléculas estão sendo manipulados para criar novas tecnologias, e isso pode ser ensinado dentro de seus padrões de conhecimento. (SILVA; VIANA; MOHALLEM, 2009, p.178)

De acordo com Herbst, Macedo e Rocco (2004, p.986), nas 'últimas décadas muitos esforços foram feitos no sentido de atingir o tão desejado controle em nível atômico e molecular sobre os processos industriais'. O domínio de fenômenos em escala nanométrica (um nanometro é o bilionésimo de um metro) fez crescer as expectativas e estudos sobre novos materiais com dimensões muito pequenas. E algumas das mais fabulosas descobertas foram os fullerenos e os nanotubos de carbono, há cerca de 20 anos atrás.

A história das novas formas de arranjo dos átomos de carbono surge em 1985, quando os químicos Harold Kroto, da Universidade de Sussex (Reino Unido), James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl e Richard Smalley - estes da Universidade de Rice (Estados Unidos) - apresentaram para o mundo uma grande descoberta, os fullerenos, que são:

moléculas 'ocas' de carbono que consistem de uma superfície curva semelhante ao grafeno, mas que contém anéis pentagonais, além dos hexagonais. O exemplo mais conhecido é o fullereno C60, que contém 60 átomos de carbono em um arranjo semelhante a uma bola de futebol (CAPAZ; CHACHAM, 2003, p.1).

Em 1991, Sumio Iijima apresentava ao mundo outra forma de agrupamento dos átomos de carbono, os nanotubos, que receberam esse nome devido às suas dimensões nanométricas (CAPAZ; CHACHAM, 2003).

A preocupação com a inclusão de tópicos da nanotecnologia no ensino tem viabilizado a concepção de novos espaços e estratégias de ensino, como o uso de jogos que simulam situações reais em museus de ciências (LOZADA; ARAÚJO, 2007), ou o uso de estórias para discutir alguns conceitos básicos sobre nanociência e nanotecnologia (SILVA; VIANA; MOHALLEM, 2009).

## 2. Metodologia

Este trabalho foi desenvolvido com 45 alunos do Ensino Médio de escolas públicas e particulares de Uberlândia (MG), participantes do Minicurso de Física oferecido pelo curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal de Uberlândia. O trabalho foi aplicado em duas aulas seguidas do minicurso, somando o total de duas horas e meia. O trabalho foi dividido em três etapas: a primeira foi a

construção dos modelos de nanoestruturas de carbono pelo professor; a segunda foi a elaboração de um plano de aula, e a terceira, a aplicação da aula com a atividade interativa e o questionário avaliativo .

- 1° Etapa construção de modelos de nanotubos de carbono: os modelos estruturais das nanoestruturas de carbono foram construídos com dois tipos de materiais diferentes. Primeiro, foram construídas a partir de garrafas PET de refrigerante e mangueira sanfonada. Depois, foram feitas com telinhas de metal (utilizadas para a construção de viveiros de animais).

Passo-a-passo da montagem dos modelos das nanoestruturas a partir das garrafas Pet: para cada representação de um átomo de carbono são utilizadas 3 garrafas PET do mesmo modelo. Cada garrafa é cortada a 9 centímetros do início do gargalo (figura 1). Em seguida, juntam-se as três partes das garrafas colocandose um rebite em cada intersecção (figura 2).

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Para unir as representações dos átomos de carbono utiliza-se mangueira sanfonada, fácil de enroscar em cada gargalo das garrafas. Utiliza-se 10 ou 15 centímetros da mangueira (figura 3) para cada segmento, o qual representa uma ligação covalente entre os átomos de carbono. Depois, essa mangueira é ligeiramente aquecida em água quente e é, então, enroscada na garrafa para que a rosca seja modelada de acordo com as garrafas (figura 4). O ideal é que, para maior segurança, o aluno receba as representações dos átomos de carbono prontas e as mangueiras desenroscadas, mas com a rosca já feita.

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Nanoestruturas a partir das telinhas: A utilização de uma telinha metálica (figura 5) é interessante pelo fato de ser formada por hexágonos, que representam os átomos de carbono (nos vértices) e as ligações covalentes (o hexágono). Cortam-se retângulos de tamanhos variados da tela. Depois eles são enrolados (figura 6). Usam-se as pontas soltas para prender as extremidades. Enrolando as telinhas na vertical obtém-se nanotubos do tipo armchair (figura 7); enrolando-as na horizontal obtém-se nanotubos do tipo ziguezague (figura 8) e enrolando-as na diagonal obtém-se nanotubos do tipo quiral (figura 9).

Figura 5 - Telinha formada por hexágonos

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2° Etapa: A construção do plano de ensino teve como objetivo planejar uma aula em que fosse possível verificar, após seu término, a assimilação, pelos alunos, de conhecimentos sobre as propriedades físicas dos nanotubos de carbono e sua relação com o arranjo dos átomos, e que, com essas informações, eles fossem capazes de compreender as diferenças entre condutores, isolantes e semicondutores. Além disso, buscava-se transmitir uma noção razoável sobre as possíveis aplicações dos nanotubos de carbono em novas tecnologias, buscando assim, intensificar o interesse dos alunos pela Física.

3º Etapa: As aulas teóricas foram elaboradas tendo por base o trabalho de Capaz; Chacham (2003) e os conteúdos teóricos dos livros de Halliday; Resnick; Walker (2009), Hewitt (2011) e Russel (1994).

Após a aula teórica expositiva foram distribuídos entre os alunos modelos de nanotubos de carbono feitos de telinha de tamanhos e modelos variados (figura-10). Cada estrutura possuía um número identificador. Foi solicitado ao aluno que escrevesse qual era o tipo de nanotubo de carbono, se ziguezague, quiral ou armchair, e se era condutor ou semicondutor. Também foram distribuídas aos alunos as representações dos átomos de carbono de garrafa PET, para que eles montassem algum tipo de nanoestrutura.

Figura 10 modelos variados de nanotubos

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## 3. Resultados e Discussão

A análise do questionário aconteceu de acordo com a matéria explicada na aula. Em parte das questões, o critério de avaliação permitiu distinguir três categorias de respostas: adequadas, adequadas, porém incompletas, e inadequadas. As questões não respondidas também foram contabilizadas.

A primeira pergunta pedia ao aluno que diferenciasse um condutor de um isolante. De um ponto de vista teórico, há sólidos que, como os metais, possuem elétrons 'livres' em seu interior, porque a força eletrostática de atração entre os elétrons da camada de valência e o núcleo de seus átomos é pequena e, isso permite o deslocamento de cargas elétricas através deles. São, por este motivo, denominados condutores de eletricidade. Por outro lado, existem sólidos nos quais os elétrons estão firmemente ligados aos núcleos de seus átomos, isto é, estes materiais não possuem elétrons livres, ou o número de elétrons livres é

relativamente pequeno. Portanto, não é possível o deslocamento de cargas elétricas através destes materiais, que são denominados isolantes elétricos (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009; RUSSELL, 1994). Foram consideradas respostas adequadas aquelas em que os alunos relacionaram a força eletrostática entre o núcleo e os elétrons da camada de valência do átomo como responsável pela diferença entre um isolante e um condutor. Foram consideradas respostas adequadas, mas incompletas, as questões em que os alunos não citaram a força eletrostática, mas disseram que os condutores possuíam elétrons livres, permitindo a condução de corrente elétrica, e que o isolante não possuía elétrons livres. Foram consideradas respostas inadequadas aquelas em que o aluno não citou característica alguma de um condutor ou de um isolante (Figura 11). As respostas a esta questão foram satisfatórias, já que 75% dos alunos deram respostas adequadas ou adequadas, mas incompletas.

A segunda pergunta foi ' o que é um semicondutor?'. Teoricamente, alguns materiais podem ter comportamentos elétricos tanto de condutores, quanto de isolantes; são os semicondutores. Existem duas formas de fazer um semicondutor conduzir corrente elétrica; uma, é através da dopagem (impureza - incorporação de um átomo não original na rede cristalina) e outra, é através da incidência de energia (luz) no material.

Esses materiais caem no meio da faixa de resistividade elétrica, sendo condutores medíocres em sua forma cristalina pura e tornandose excelentes condutores quando apenas um átomo em 10 milhões é substituído por uma impureza, que adiciona ou retira elétrons da estrutura cristalina. (...) um semicondutor também conduzirá eletricidade quando luz (energia) de cor apropriada incidir nele. (HEWITT, 2011, p.392)

Foram consideradas respostas adequadas aquelas em que os alunos diziam que semicondutores eram materiais isolantes que, convenientemente dopados e recebendo certa quantidade de energia, passam a conduzir corrente elétrica. Foram consideradas respostas adequadas, mas incompletas, as questões em que os alunos diziam que eram materiais que podiam ter comportamentos elétricos tanto de condutores, quanto de isolantes. Foram consideradas respostas inadequadas aquelas em que o aluno não citou nenhuma característica de um semicondutor (Figura 12). As respostas a esta questão foram satisfatórias, já que 76% dos alunos deram respostas adequadas ou adequadas, mas incompletas.

A terceira pergunta foi ' Quais as principais propriedades físicas que se destacam nos nanotubos de carbono?'. Segundo a teoria, destacam-se nos nanotubos suas propriedades mecânicas e eletrônicas, ressaltando-se que são algumas das estruturas mais rígidas, flexíveis e resistentes a tensões, devido às ligações covalentes entre os átomos de carbono. Quanto à natureza eletrônica, o nanotubo pode ser um condutor ou um semicondutor. O nanotubo de carbono condutor é bem mais eficiente na transmissão de eletricidade do que os fios de cobre utilizados atualmente (HERBST; MACEDO; ROCCO, 2004). Foram consideradas respostas adequadas aquelas em que os alunos citavam pelo menos duas propriedades físicas dos nanotubos de carbono, por exemplo: condução de energia elétrica e energia térmica, resistência à tensão, flexibilidade etc. Foram consideradas respostas adequadas, mas incompletas, as questões em que os alunos citavam apenas a condução de energia elétrica. Foram consideradas respostas inadequadas aquelas em que o aluno não apresentou propriedade física alguma dos nanotubos de carbono (Figura 13). Os resultados desta questão foram

satisfatórios, já que 78% dos alunos deram respostas adequadas ou adequadas, mas incompletas.

A quarta pergunta foi ' Qual a diferença entre as formas alotrópicas do carbono?'. O carbono é o sexto elemento mais abundante do universo, sendo responsável por mais de 16 milhões de compostos que, há milhares de anos, são utilizados para a fabricação de tecidos e de combustíveis. De acordo com Capaz e Chacham (2003, p.1), 'o carbono pode estar associado a outros elementos, formando moléculas e minerais, ou pode se ligar apenas com carbono: grafite e diamante'. As formas alotrópicas do carbono ocorrem por causa das várias formas de arranjo entre os átomos. Essa foi uma questão de múltipla escolha com duas opções: a correta, 'o arranjo dos átomos' e a errada, 'tipo de ligação' (Figura-14). Os resultados desta questão foram satisfatórios, já que 82% dos alunos acertou a resposta.

Resultados e discussões da prática: Nesta atividade pedia-se que o aluno caracterizasse o modelo de nanotubo de carbono de telinha, quanto ao seu tipo: armchair, ziguezague e quiral. Os resultados desta questão foram satisfatórios, já que 91% dos alunos acertou a resposta. Em seguida, deveria escrever se aquela estrutura era condutora ou semicondutora (Figuras 15 e 16). Os nanotubos de carbono do tipo armchair são condutores e os do tipo ziguezague e quiral são semicondutores (CAPAZ; CHACHAM, 2003). Os resultados desta questão também foram satisfatórios, já que 71% dos alunos acertaram a resposta.

A última questão solicitou a avaliação da aula pelo aluno. O critério utilizado para análise dos resultados foi a contagem das palavras que mais se repetiram em cada resposta (Figura 17).

Os resultados alcançados mostram o quanto é importante envolver os alunos no 'aprendizado ativo', segundo Knight, (2004, p.5): 'Aprendizagem eficaz requer que os alunos sejam participantes ativos no processo, não ouvintes passivos'. Dessa forma, o ensino não é transferência de conhecimento, mas sim a criação de possibilidades para sua produção ou construção. O estudante não é o objeto a ser formado pelo professor-sujeito. O ensino é inválido quando o aprendiz é incapaz de utilizar o conteúdo ensinado, por este não ter sido apreendido e aprendido (FREIRE, 1996; KNIGHT, 2004).

A figura 18 mostra o modelo de nanotubo de carbono de garrafas PET que os alunos construíram usando as esferas de PET, fornecidas pelo professor no momento da atividade interativa.

Figura 11- Respostas à primeira pergunta

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Figura 12- Respostas à segunda pergunta

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Figura 16 - Respostas à sexta pergunta

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Figura 13 - Respostas à terceira pergunta

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Figura 14 - Respostas à quarta perguntaFigura 15 - Respostas à quinta pergunta

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Figura 17 - Palavras que mais se repetiram em cada resposta

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## 4. Conclusões

Através deste trabalho foi possível constatar que, boa parte dos alunos adquiriu conhecimentos básicos referentes às propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono e sua relação com o arranjo dos átomos, e ainda manifestou capacidade de compreensão sobre as diferenças entre condutores, isolantes e semicondutores. Através do questionário foi possível constatar que os alunos acharam a aula motivadora, interessante, produtiva, dinâmica e de fácil assimilação. Dessa forma, o objetivo de despertar o interesse pela Física foi atingido, bem como se conciliou uma pesquisa de natureza científico-tecnológica com a área de ensino de Física.

Figura 18 - Modelo de nanotubo de carbono de garrafas PET montado pelos alunos

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## AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o Prof. Eduardo de Campos Valadares pelo fornecimento de um protótipo de nanotubo de carbono feito de garrafa pet e à FAPEMIG pelo apoio financeiro.

## Referências

CAPAZ, R.; CHACHAM, H. Nanotubos e a nova era do carbono. Ciência hoje , Rio de Janeiro, v. 33, n. 198, p. 1-8, set. 2003.

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HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física: óptica e física moderna. 8ª ed. Tradução Ronaldo Sergio de Biasi. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

HERBST, M. H.; MACEDO, M. I. F.; ROCCO, A. M. Tecnologia dos nanotubos de carbono: tendências e perspectivas de uma área multidisciplinar. Química Nova , São Paulo, v. 31, n. 3, Ago. 2009.

HEWITT, P.G. Física conceitual . 11ª ed. Tradução Trieste Freire Ricci. Porto Alegre: Bookman, 2011.

KNIGHT, R.D. Five Easy Lessons : Strategies for Successful Physics Teaching. Addison Wesley: São Francisco, 2004.

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SILVA, S. L. A.; VIANA, M.M.; MOHALLEM, N. D. S. Afinal, o que é Nanociência e Nanotecnologia? Uma abordagem para o Ensino Médio. Química Nova , São Paulo, v. 27, n. 6, Dez. 2004.

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TIPLER, P. A.; LLEWELLYN, R. A. Física Moderna . 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.