Il polarimetro stampato in 3D a basso costo.

I ricercatori creano un polarimetro stampato in 3D a basso costo per l’uso in aule di chimica

L’ adozione della stampa 3D in classe ha aperto nuovi orizzonti per la creazione di strumenti didattici . Gli insegnanti di scienze, in particolare, possono realizzare modelli personalizzati di nanostrutture e strumenti educativi come i colorimetri. Ma non ci sono stati disegni stampabili in 3D per i polarimetri, che misurano l’angolo di rotazione della luce polarizzata dopo che è passata attraverso una soluzione o sostanza otticamente attiva. Paweł Bernard della Jagiellonian University e James D. Mendez della Indiana University – Purdue University Columbus hanno pubblicato un articolo sulla loro creazione di un polarimetro stampato in 3D a basso costo.

“La stampa 3D e l’elettronica semplice sono state utilizzate per creare un polarimetro adatto a una varietà di corsi di chimica”, hanno scritto. “Questo dispositivo consente agli istruttori di dimostrare l’attività ottica, ma è anche facile da usare e abbastanza economico da essere ampiamente disponibile anche per l’uso da parte degli studenti. Lo strumento utilizza una sorgente luminosa a LED e un rilevatore alloggiati in una base stampata in 3D. Ruotando il pezzo superiore, gli utenti possono rilevare visivamente i cambiamenti di luminosità o misurarli direttamente con un multimetro. “

Un polarimetro è costituito da una camera di campionamento, una luce monocromatica e un filtro polarizzatore prima e uno ruotabile dietro il campione. Questo secondo filtro può essere regolato in base all’angolo della luce ruotata, dopo che è passato attraverso un campione, al fine di “minimizzare o massimizzare la luce trasmessa”.

Gli insegnanti delle scuole superiori e dei college normalmente dimostrano l’attività ottica delle sostanze usando la proiezione ambientale, poiché la maggior parte dei polarimetri regolari sono troppo costosi per l’uso in un laboratorio scolastico. Un ricercatore ha creato un polarimetro gratuito usando occhiali da sole e un telefono cellulare , il che era buono a scopo dimostrativo, ma non per esperimenti da parte degli studenti. Un altro polarimetro economico è stato realizzato utilizzando una scatola da scarpe , ma non era abbastanza resistente.

“Pertanto, l’uso della tecnologia di stampa 3D è una soluzione perfetta”, hanno affermato i ricercatori. “Il corpo di un polarimetro può essere stampato in un tempo ragionevole; il prezzo della plastica e dell’elettronica è basso e l’assemblaggio effettivo degli elementi è relativamente semplice. “

Un polarimetro di base può utilizzare una provetta o una cuvetta stampata in 3D e il rilevamento della luce può essere semplicemente osservato, o misurato con precisione con un fotodiodo a bassa sensibilità alla radiazione IR. Entrambi sono compatibili con LED a basso voltaggio ed economici; il diodo RBG nella parte inferiore può essere collegato a una batteria da 4,5 o 5 V, oppure è possibile utilizzare una batteria standard da 9 V con un semplice circuito.

“Nella costruzione vengono utilizzati due strati di filtri polarizzanti (pellicola polarizzante). È un materiale a basso costo disponibile in commercio, utilizzato tra l’altro per la costruzione di occhiali 3D ”, spiegano Bernard e Mendez. “La nostra esperienza dimostra che è più facile identificare l’intensità più bassa (piuttosto che la più alta) della luce che passa attraverso il campione; pertanto, consigliamo di disporre due strati di pellicola polarizzante ruotati di 90 °. In una tale configurazione in posizione neutra (angolo 0 °) senza un campione, o con un campione di sostanza otticamente non attiva, è buio, mostrando l’intensità della luce più bassa.

“La costruzione del dispositivo utilizzando una provetta come contenitore per campioni è più semplice ma anche più problematica durante l’uso. Il fondo di una provetta diffonde la luce. Di solito, il centro del punto luminoso è più scuro, ma c’è un anello di luce non polarizzato attorno ad esso. “

Una provetta non garantisce un blackout completo al punto luce minimo, quindi è utile un contenitore stampato in 3D con un fondo piatto. I ricercatori hanno stampato in 3D gli elementi su filamenti di ABS e PLA, che erano neri per garantire letture di luce stabili. Sono stati utilizzati supporti in PVA e una stampante a doppio estrusore per stampare in 3D la tazza rotante e il corpo principale.

I ricercatori hanno testato 50 studenti di chimica delle scuole superiori in Polonia e 15 studenti universitari di chimica organica negli Stati Uniti su misurazioni con il polarimetro stampato in 3D. Lavorando in gruppi di 2-3, hanno eseguito prima misurazioni con liquidi puri e poi soluzioni acquose. È rapido e facile da usare: gli studenti possono cambiare i campioni e regolare la rotazione del cappuccio in meno di un minuto, anche se devono essere informati su come ruotare lo strumento per sostanze diverse poiché “il dispositivo fornisce le stesse letture in entrambe le direzioni (90 ° = −270 °). ”

“Si consiglia inoltre di regolare la concentrazione della soluzione del campione e la lunghezza del percorso in modo che le letture siano nell’intervallo della scala di rotazione fornita (da -180 ° a + 180 °). Usando la rotazione misurata e semplici relazioni matematiche, gli studenti possono calcolare la rotazione specifica di una sostanza “, hanno detto i ricercatori.

Gli studenti hanno usato (R) -limonene, fruttosio e saccarosio e hanno eseguito misurazioni iniziali sia visivamente che con il polarimetro stampato in 3D, che ha permesso loro di effettuare misurazioni con tre colori grazie al suo diodo RBG. Hanno effettuato da 4 a 6 misurazioni per un campione e dopo la dilatazione per le soluzioni acquose.

“I risultati sono stati un punto di partenza per una discussione sui fenomeni di dispersione rotatoria ottica. Il calcolo della rotazione specifica delle sostanze è stato un compito, verificato dall’insegnante durante le lezioni successive ”, hanno affermato i ricercatori.

In un altro progetto, gli istruttori hanno preparato kit con tutti i materiali necessari per assemblare il polarimetro, comprese le breadboard e il corpo stampato in 3D. 16 major di chimica in Polonia e quattro studenti universitari statunitensi hanno costruito il dispositivo, lavorando in coppia, e nessuno aveva precedenti esperienze nell’uso di breadboard o nella costruzione di dispositivi di misurazione. Ma hanno seguito istruzioni dettagliate, con l’aiuto degli insegnanti, e sono riusciti a costruire polarimetri operativi in ​​meno di un’ora.