Žingsnis nanotechnologijų link

Prieš tūkstančius metų žmonės domėjosi, iš ko pagaminti aplinkiniai kūnai. Atsakymai buvo įvairūs. Senovės Graikijoje mokslininkai išreiškė nuomonę, kad visi kūnai yra sudaryti iš mažų nedalomų elementų, kuriuos jie vadino atomais. Kiek mažai, jie negalėjo nurodyti. Keletą šimtmečių graikų pažiūros liko tik hipotezės. Jie jiems buvo grąžinti XNUMX amžiuje, kai buvo atlikti eksperimentai siekiant įvertinti molekulių ir atomų dydį.

Buvo atliktas vienas istoriškai reikšmingų eksperimentų, leidžiančių apskaičiuoti dalelių dydžius Anglų mokslininkas Lordas Reilis. Kadangi tai paprasta atlikti ir tuo pačiu labai įtikinama, pabandykime tai pakartoti namuose. Tada pereiname prie kitų dviejų eksperimentų, kurie leis mums sužinoti kai kurias molekulių savybes.

Kokie yra dalelių dydžiai?

Ryžiai. 1. Švirkšto, skirto aliejaus tirpalui ekstrahuotame benzine įdėti į jį, paruošimo būdas; p - poksilinas,

c - švirkštas

Pabandykime atsakyti į šį klausimą atlikdami šį eksperimentą. Iš 2 cm švirkšto³ nuimkite stūmoklį ir užsandarinkite jo išleidimo angą Poxiline, kad jis visiškai užpildytų išleidimo vamzdelį, skirtą adatai įvesti (1 pav.). Palaukiame kelias minutes, kol poksilina sukietės. Kai taip atsitiks, supilkite į švirkštą apie 0,2 cm³ maistinio aliejaus ir užrašykite šią vertę. Tai sunaudoto aliejaus kiekis._o. Užpildykite likusį švirkšto tūrį benzinu. Abu skysčius sumaišykite viela, kol susidarys vienalytis tirpalas, ir pritvirtinkite švirkštą vertikaliai bet kuriame laikiklyje.

Tada į dubenį įpilkite šilto vandens, kad jo gylis būtų 0,5-1 cm. Naudokite šiltą, bet ne karštą vandenį, kad nesimatytų kylantys garai. Mes kelis kartus tempiame popierinę juostelę vandens paviršiumi liestiniu būdu, kad nuvalytume atsitiktinių žiedadulkių paviršių.

Į lašintuvą surenkame šiek tiek alyvos ir benzino mišinio ir lašintuvą varome vandeniu per indo centrą. Švelniai spausdami trintuką, kuo mažesnį lašelį nuleidžiame ant vandens paviršiaus. Alyvos ir benzino mišinio lašas plačiai pasklis visomis kryptimis vandens paviršiumi ir sudarys labai ploną sluoksnį, kurio storis lygus vieno dalelės skersmeniui esant palankiausioms sąlygoms - vadinamajam. monomolekulinis sluoksnis. Po kurio laiko, dažniausiai po kelių minučių, benzinas išgaruos (paspartins vandens temperatūros kilimas), o paviršiuje paliks monomolekulinės alyvos sluoksnį (2 pav.). Gautas sluoksnis dažniausiai būna kelių centimetrų ar didesnio skersmens apskritimo formos.

Ryžiai. 2. Monomolekulinis aliejaus sluoksnis vandens paviršiuje

m – dubuo, c – vanduo, o – aliejus, D – darinio skersmuo, d – darinio storis

(naftos dalelių dydis)

Vandens paviršių apšviečiame įstrižai nukreipdami į jį žibintuvėlio šviesos spindulį. Dėl to sluoksnio ribos yra geriau matomos. Apytikslį jo skersmenį D galime nesunkiai nustatyti pagal liniuotę, laikomą tiesiai virš vandens paviršiaus. Žinodami šį skersmenį, galime apskaičiuoti sluoksnio S plotą pagal apskritimo ploto formulę:

Jei žinotume, koks yra naftos tūris V₁ esantį nukritusiame laše, tuomet būtų galima nesunkiai apskaičiuoti aliejaus molekulės skersmenį d, darant prielaidą, kad aliejus išsilydo ir susidarė sluoksnis su paviršiumi S, t.y.:

Palyginę (1) ir (2) formules ir paprastą transformaciją, gauname formulę, leidžiančią apskaičiuoti alyvos dalelės dydį:

Lengviausias, bet ne pats tiksliausias būdas nustatyti tūrį V₁ yra patikrinti, kiek lašų galima gauti iš viso švirkšte esančio mišinio tūrio, ir padalyti sunaudoto aliejaus tūrį Vo iš šio skaičiaus. Norėdami tai padaryti, surenkame mišinį į pipetę ir sukuriame lašelius, stengdamiesi, kad jie būtų tokio pat dydžio, kaip tada, kai jie lašinami ant vandens paviršiaus. Tai darome tol, kol baigsis visas mišinys.

Tikslesnis, tačiau daug laiko reikalaujantis būdas – pakartotinai lašinti aliejaus lašelį ant vandens paviršiaus, gauti monomolekulinį aliejaus sluoksnį ir išmatuoti jo skersmenį. Žinoma, prieš darant kiekvieną sluoksnį iš baseino reikia išpilti anksčiau naudotą vandenį ir aliejų ir supilti švarų. Iš gautų matavimų apskaičiuojamas aritmetinis vidurkis.

Pakeisdami gautas reikšmes į (3) formulę, nepamirškite konvertuoti vienetų ir išreikšti išraišką metrais (m) ir V₁ kubiniais metrais (m³). Gaukite dalelių dydį metrais. Šis dydis priklausys nuo naudojamo aliejaus tipo. Rezultatas gali būti klaidingas dėl supaprastinančių prielaidų, ypač dėl to, kad sluoksnis nebuvo monomolekulinis ir lašelių dydžiai ne visada buvo vienodi. Nesunku pastebėti, kad monomolekulinio sluoksnio nebuvimas lemia d vertės pervertinimą. Įprasti naftos dalelių dydžiai yra 10^-8-10^-9 m. 10 blokas^-9 m vadinamas nanometras ir dažnai naudojamas klestinčioje srityje, žinoma kaip nanotechnologijos.

„Išnykstantis“ skysčio tūris

Ryžiai. 3. Skysčio susitraukimo bandymo indo konstrukcija;

g - skaidrus, plastikinis vamzdelis, p - poksilinas, l - liniuotė,

t - skaidri juosta

Tolesni du eksperimentai leis mums padaryti išvadą, kad skirtingų kūnų molekulės yra skirtingos formos ir dydžio. Pirmiausia išpjaukite du skaidraus plastikinio vamzdelio gabalėlius, kurių vidinis skersmuo yra 1-2 cm, o ilgis - 30 cm. Kiekvienas vamzdelio gabalas yra priklijuotas keliais lipnios juostos gabalėliais prie atskiros liniuotės krašto priešais skalę (Pav. 3). Uždarykite apatinius žarnų galus poksilino kamščiais. Pritvirtinkite abi liniuotes su klijuotomis žarnomis vertikalioje padėtyje. Į vieną iš žarnų įpilkite tiek vandens, kad susidarytų maždaug pusės žarnos ilgio kolonėlė, tarkime, 14 cm. Į antrą mėgintuvėlį įpilkite tiek pat etilo alkoholio.

Dabar klausiame, koks bus abiejų skysčių mišinio stulpelio aukštis? Pabandykime eksperimentiniu būdu gauti atsakymą į juos. Į vandens žarną įpilkite alkoholio ir nedelsdami išmatuokite viršutinį skysčio lygį. Šį lygį pažymime vandeniui atspariu žymekliu ant žarnos. Tada sumaišykite abu skysčius su viela ir dar kartą patikrinkite lygį. Ką mes pastebime? Pasirodo, šis lygis sumažėjo, t.y. mišinio tūris yra mažesnis už jam gaminti naudojamų ingredientų tūrių sumą. Šis reiškinys vadinamas skysčio tūrio susitraukimu. Paprastai tūris sumažėja keliais procentais.

Modelio paaiškinimas

Norėdami paaiškinti suspaudimo efektą, atliksime modelio eksperimentą. Alkoholio molekules šiame eksperimente atstovaus žirnių grūdeliai, o vandens molekules – aguonos. Į pirmąjį, siaurą, permatomą indą, pavyzdžiui, aukštą stiklainį, suberkite apie 0,4 m aukščio stambiagrūdžius žirnius.Į antrą tokį patį indą, tokio pat aukščio, suberkite aguonas (1a nuotrauka). Tada aguonas suberiame į indą su žirneliais ir liniuote išmatuojame aukštį, iki kurio pasiekia viršutinis grūdų lygis. Šį lygį pažymime žymekliu arba farmacine gumine juostele ant indo (1b nuotrauka). Uždarykite indą ir kelis kartus purtykite. Dedame juos vertikaliai ir patikriname, kokį aukštį dabar pasiekia viršutinis grūdų mišinio lygis. Pasirodo, jis yra mažesnis nei prieš maišant (1c nuotrauka).

Eksperimentas parodė, kad po sumaišymo mažos aguonos užpildo laisvus tarpus tarp žirnių, dėl to sumažėjo bendras mišinio tūris. Panaši situacija susidaro maišant vandenį su alkoholiu ir kai kuriais kitais skysčiais. Jų molekulės būna įvairių dydžių ir formų. Dėl to mažesnės dalelės užpildo tarpus tarp didesnių dalelių ir sumažėja skysčio tūris.

Nuotrauka 1. Šie suspaudimo modelio tyrimo etapai:

a) pupelės ir aguonos atskiruose induose,

b) grūdai po išpylimo, c) grūdų tūrio sumažėjimas sumaišius

Šiuolaikinės pasekmės

Šiandien gerai žinoma, kad visi mus supantys kūnai yra sudaryti iš molekulių, o tie, savo ruožtu, yra sudaryti iš atomų. Tiek molekulės, tiek atomai yra nuolatiniame atsitiktiniame judėjime, kurio greitis priklauso nuo temperatūros. Dėl šiuolaikinių mikroskopų, ypač skenuojančio tunelinio mikroskopo (STM), galima stebėti atskirus atomus. Taip pat žinomi metodai, kuriuose naudojamas atominės jėgos mikroskopas (AFM-), leidžiantis tiksliai perkelti atskirus atomus ir sujungti juos į sistemas, vadinamas nanostruktūros. Suspaudimo efektas taip pat turi praktinių pasekmių. Į tai turime atsižvelgti renkantis tam tikrų skysčių kiekį, reikalingą reikiamo tūrio mišiniui gauti. Turite į tai atsižvelgti, įskaitant. gaminant degtinę, kurios, kaip žinote, yra daugiausia etilo alkoholio (alkoholio) ir vandens mišiniai, nes gauto gėrimo tūris bus mažesnis nei sudedamųjų dalių tūrių suma.