研究人員開發(fā)低成本3D打印偏光儀用于教學(xué)
時間：2020-04-21 10:41 來源：中國3D打印網(wǎng) 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
中國3D打印網(wǎng)4月21日訊，科學(xué)和技術(shù)課程，尤其是大學(xué)一級的科學(xué)和技術(shù)課程，通常需要專門的設(shè)備，這些設(shè)備可能昂貴且使學(xué)生難以掌握。這是3D打印可以提供幫助的地方，它提供了一種低成本的技術(shù)學(xué)習(xí)工具組件制造方法。來自Jagiellonian大學(xué)的PawełBernard和來自印第安納大學(xué)的James
Mendez在他們的論文中證明了這一點(diǎn)，詳細(xì)介紹了用于化學(xué)課的3D打印旋光儀的設(shè)計和構(gòu)造。
3D打印低成本旋光儀
偏振計用于測量偏振光通過光學(xué)活性物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)后的旋轉(zhuǎn)角度。它通常包括一個用于容納物質(zhì)的樣品室，一個單色光源和兩個偏振濾光片-一個在樣品之前，另一個在樣品之后。第二個濾鏡是可旋轉(zhuǎn)的，一旦第二個濾鏡穿過樣品，用戶便可以將其調(diào)整為旋轉(zhuǎn)后的角度，直到再次允許最大量的光通過為止。 “輸入”角和“輸出”角之間的差是光由于通過旋光性物質(zhì)而旋轉(zhuǎn)的程度。
旋光儀如何工作。圖片來自PawełBernard和James Mendez。
兩人的3D打印旋光儀使用了基本的LED光源和檢測器，并安裝在完全3D打印的主體中。 PLA主體可以使用可溶性PVA支架“在合理的時間內(nèi)進(jìn)行3D打印”，并且燈絲和電子設(shè)備價格低廉且容易獲得。該設(shè)計還非常直觀，因此不需要專業(yè)人士來正確組裝旋光儀-只需在機(jī)身的任一端插入兩個偏振濾光片即可�？梢允褂迷嚬軐⒒瘜W(xué)樣品保持在旋光儀中，并且可以使用由4.5V，5V或9V電池供電的低IR輻射敏感度光電二極管來觀察或精確測量輸出光的亮度。
不同的旋轉(zhuǎn)角度導(dǎo)致偏振光的亮度不同。照片來自PawełBernard和James Mendez。
測試旋光儀
研究人員對65位高中化學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了偏振計測試。學(xué)生們以小組的形式，使用3D打印儀器對純液體和水溶液進(jìn)行了輕量的測量。普遍的共識是旋光儀操作簡便，快捷，在一分鐘內(nèi)即可完成樣品的替換和測量。然而，由于設(shè)備在兩個方向上的讀數(shù)均相同，因此確實(shí)需要告知學(xué)生僅在一個方向上旋轉(zhuǎn)蓋以準(zhǔn)確測量旋轉(zhuǎn)角度。例如，旋轉(zhuǎn)90°將導(dǎo)致與270°相同的亮度讀數(shù)。
在第二項(xiàng)試驗(yàn)中，研究人員讓16位化學(xué)專業(yè)的大學(xué)生成對工作，以從零開始組裝旋光儀。這些學(xué)生以前沒有測量設(shè)備組裝的經(jīng)驗(yàn)，但是得到了詳細(xì)的指導(dǎo)。通過一個包括3D打印體和一組面包板的綜合工具包，學(xué)生設(shè)法在不到一個小時的時間內(nèi)構(gòu)造了旋光儀，從而驗(yàn)證了設(shè)計在課堂上的可訪問性。
低成本3D打印旋光儀。圖片和照片來自PawełBernard和James Mendez。
3D打印低成本旋光儀
偏振計用于測量偏振光通過光學(xué)活性物質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)后的旋轉(zhuǎn)角度。它通常包括一個用于容納物質(zhì)的樣品室，一個單色光源和兩個偏振濾光片-一個在樣品之前，另一個在樣品之后。第二個濾鏡是可旋轉(zhuǎn)的，一旦第二個濾鏡穿過樣品，用戶便可以將其調(diào)整為旋轉(zhuǎn)后的角度，直到再次允許最大量的光通過為止。 “輸入”角和“輸出”角之間的差是光由于通過旋光性物質(zhì)而旋轉(zhuǎn)的程度。
旋光儀如何工作。圖片來自PawełBernard和James Mendez。
兩人的3D打印旋光儀使用了基本的LED光源和檢測器，并安裝在完全3D打印的主體中。 PLA主體可以使用可溶性PVA支架“在合理的時間內(nèi)進(jìn)行3D打印”，并且燈絲和電子設(shè)備價格低廉且容易獲得。該設(shè)計還非常直觀，因此不需要專業(yè)人士來正確組裝旋光儀-只需在機(jī)身的任一端插入兩個偏振濾光片即可�？梢允褂迷嚬軐⒒瘜W(xué)樣品保持在旋光儀中，并且可以使用由4.5V，5V或9V電池供電的低IR輻射敏感度光電二極管來觀察或精確測量輸出光的亮度。
不同的旋轉(zhuǎn)角度導(dǎo)致偏振光的亮度不同。照片來自PawełBernard和James Mendez。
測試旋光儀
研究人員對65位高中化學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了偏振計測試。學(xué)生們以小組的形式，使用3D打印儀器對純液體和水溶液進(jìn)行了輕量的測量。普遍的共識是旋光儀操作簡便，快捷，在一分鐘內(nèi)即可完成樣品的替換和測量。然而，由于設(shè)備在兩個方向上的讀數(shù)均相同，因此確實(shí)需要告知學(xué)生僅在一個方向上旋轉(zhuǎn)蓋以準(zhǔn)確測量旋轉(zhuǎn)角度。例如，旋轉(zhuǎn)90°將導(dǎo)致與270°相同的亮度讀數(shù)。
在第二項(xiàng)試驗(yàn)中，研究人員讓16位化學(xué)專業(yè)的大學(xué)生成對工作，以從零開始組裝旋光儀。這些學(xué)生以前沒有測量設(shè)備組裝的經(jīng)驗(yàn)，但是得到了詳細(xì)的指導(dǎo)。通過一個包括3D打印體和一組面包板的綜合工具包，學(xué)生設(shè)法在不到一個小時的時間內(nèi)構(gòu)造了旋光儀，從而驗(yàn)證了設(shè)計在課堂上的可訪問性。
低成本3D打印旋光儀。圖片和照片來自PawełBernard和James Mendez。
中國3D打印網(wǎng)點(diǎn)評：3D打印肯定會在教室中使用，而旋光儀并不是使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的唯一教育工具。奧克蘭大學(xué)新敏捷研究小組的工程師最近發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)論文，詳細(xì)介紹了部分3D打印的機(jī)器人飛艇的設(shè)計和建造。低成本的開放源代碼設(shè)計將在室內(nèi)用于教育和研究目的。在英國的其他地方，CREATE教育項(xiàng)目正在與羅爾斯·羅伊斯公司合作，將3D打印教育帶到英國的教室。
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