Gå mot nanoteknologi

For tusenvis av år siden lurte folk på hva kroppene rundt er laget av. Svarene varierte. I antikkens Hellas uttrykte forskere den oppfatning at alle kropper består av små udelelige elementer, som de kalte atomer. Hvor lite kunne de ikke spesifisere. I flere århundrer forble grekernes syn bare hypoteser. De ble returnert til dem i det XNUMXth århundre, da eksperimenter ble utført for å estimere størrelsen på molekyler og atomer.

Et av de historisk betydningsfulle forsøkene, som gjorde det mulig å beregne partikkelstørrelser, ble utført Engelsk vitenskapsmann Lord Rayleigh. Siden det er enkelt å utføre og samtidig veldig overbevisende, la oss prøve å gjenta det hjemme. Deretter går vi til to andre eksperimenter som vil tillate oss å lære noen av egenskapene til molekyler.

Hva er partikkelstørrelsene?

Ris. 1. Fremgangsmåte for å forberede en sprøyte for å plassere en løsning av olje i ekstrahert bensin i den; p - poxylin,

c - sprøyte

La oss prøve å svare på dette spørsmålet ved å utføre følgende eksperiment. Fra en 2 cm sprøyte³ fjern stempelet og forsegl utløpet med Poxiline slik at det fyller utløpsrøret som er beregnet for innføring av nålen (fig. 1). Vi venter noen minutter til Poxilina stivner. Når dette skjer, hell inn i sprøyten ca. 0,2 cm³ matolje og noter denne verdien. Dette er mengden olje som brukes._o. Fyll det gjenværende volumet av sprøyten med bensin. Bland begge væskene med en tråd til en homogen løsning er oppnådd og fest sprøyten vertikalt i en hvilken som helst holder.

Hell deretter varmt vann i kummen slik at dybden er 0,5-1 cm Bruk varmt vann, men ikke varmt, slik at den stigende dampen ikke kan sees. Vi drar en papirstrimmel langs overflaten av vannet flere ganger tangentielt til den for å rense overflaten for tilfeldig pollen.

Vi samler en liten blanding av olje og bensin i dråpetelleren og kjører dråperen gjennom midten av fartøyet med vann. Ved å trykke forsiktig på viskelæret slipper vi en så liten dråpe som mulig på overflaten av vannet. En dråpe av en blanding av olje og bensin vil spre seg vidt i alle retninger over vannoverflaten og danne et meget tynt lag med en tykkelse lik en partikkeldiameter under de mest gunstige forhold – den s.k. monomolekylært lag. Etter en tid, vanligvis noen minutter, vil bensinen fordampe (som akselereres av økningen i vanntemperaturen), og etterlate et monomolekylært oljelag på overflaten (fig. 2). Det resulterende laget har oftest formen av en sirkel med en diameter på flere centimeter eller mer.

Ris. 2. Monomolekylært lag av olje på vannoverflaten

m – bekken, c – vann, o – olje, D – formasjonsdiameter, d – formasjonstykkelse

(oljepartikkelstørrelse)

Vi lyser opp vannoverflaten ved å rette en lysstråle fra en lommelykt diagonalt mot den. På grunn av dette er grensene til laget mer synlige. Vi kan enkelt bestemme dens omtrentlige diameter D fra en linjal som holdes rett over vannoverflaten. Når vi kjenner denne diameteren, kan vi beregne arealet av laget S ved å bruke formelen for arealet av en sirkel:

Hvis vi visste hva volumet av olje V₁ inneholdt i den dråpe dråpen, så kunne diameteren til oljemolekylet d lett beregnes, forutsatt at oljen smeltet og dannet et lag med en overflate S, dvs.:

Etter å ha sammenlignet formlene (1) og (2) og en enkel transformasjon, får vi en formel som lar oss beregne størrelsen på en oljepartikkel:

Den enkleste, men ikke den mest nøyaktige måten å bestemme volumet V₁ er å sjekke hvor mange dråper som kan oppnås fra det totale volumet av blandingen i sprøyten og dele volumet av olje Vo brukt med dette tallet. For å gjøre dette samler vi blandingen i en pipette og lager dråper, og prøver å få dem til samme størrelse som når de slippes på overflaten av vannet. Vi gjør dette til hele blandingen er oppbrukt.

En mer nøyaktig, men mer tidkrevende metode er å gjentatte ganger slippe en dråpe olje på overflaten av vannet, få et monomolekylært lag med olje og måle diameteren. Selvfølgelig, før hvert lag lages, må det tidligere brukte vannet og oljen helles ut av bassenget og helles rent. Fra de oppnådde målingene beregnes det aritmetiske gjennomsnittet.

Ved å erstatte de oppnådde verdiene med formel (3), ikke glem å konvertere enhetene og uttrykke uttrykket i meter (m) og V₁ i kubikkmeter (m³). Få partikkelstørrelsen i meter. Denne størrelsen vil avhenge av typen olje som brukes. Resultatet kan være feil på grunn av de forenklede antakelsene som ble gjort, spesielt fordi laget ikke var monomolekylært og at dråpestørrelsene ikke alltid var de samme. Det er lett å se at fraværet av et monomolekylært lag fører til en overestimering av verdien av d. De vanlige størrelsene på oljepartikler er i området 10^-8-10^-9 m. Blokk 10^-9 m kalles nanometer og brukes ofte i det blomstrende feltet kjent som nanoteknologi.

"Forsvinnende" volum av væske

Ris. 3. Utformingen av prøvebeholderen for væskekrymping;

g - gjennomsiktig, plastrør, p - poxylin, l - linjal,

t - gjennomsiktig tape

De følgende to eksperimentene vil tillate oss å konkludere med at molekylene til forskjellige kropper har forskjellige former og størrelser. For å gjøre det første, kutt to stykker gjennomsiktig plastrør, begge 1-2 cm i innvendig diameter og 30 cm lange. Hvert stykke rør limes med flere stykker teip til kanten av en egen linjal motsatt skalaen (fig. 3). Lukk de nedre endene av slangene med poxylinplugger. Fest begge linjalene med limte slanger i vertikal posisjon. Hell nok vann i en av slangene til å lage en kolonne som er omtrent halvparten av slangens lengde, si 14 cm. Hell samme mengde etylalkohol i det andre reagensglasset.

Nå spør vi, hva vil være høyden på kolonnen til blandingen av begge væsker? La oss prøve å få svar på dem eksperimentelt. Hell alkohol i vannslangen og mål umiddelbart det øverste nivået på væsken. Vi markerer dette nivået med en vanntett markør på slangen. Bland deretter begge væskene med en wire og kontroller nivået igjen. Hva legger vi merke til? Det viser seg at dette nivået har gått ned, d.v.s. volumet av blandingen er mindre enn summen av volumene av ingrediensene som ble brukt til å produsere den. Dette fenomenet kalles væskevolumsammentrekning. Volumreduksjonen er vanligvis noen få prosent.

Modellforklaring

For å forklare kompresjonseffekten vil vi gjennomføre et modelleksperiment. Alkoholmolekyler i dette eksperimentet vil være representert av ertekorn, og vannmolekyler vil være valmuefrø. Hell storkornede erter omtrent 0,4 m høye i den første, smale, gjennomsiktige skålen, for eksempel en høy krukke. Hell valmuefrø i det andre samme karet med samme høyde (bilde 1a). Deretter heller vi valmuefrø i et kar med erter og bruker en linjal for å måle høyden som toppnivået av korn når. Vi markerer dette nivået med en markør eller et farmasøytisk gummibånd på fartøyet (bilde 1b). Lukk beholderen og rist den flere ganger. Vi legger dem vertikalt og sjekker til hvilken høyde det øvre nivået av kornblandingen nå når. Det viser seg at det er lavere enn før blanding (bilde 1c).

Eksperimentet viste at etter blanding fylte små valmuefrø de ledige mellomrommene mellom ertene, som et resultat av at det totale volumet okkupert av blandingen ble redusert. En lignende situasjon oppstår når du blander vann med alkohol og noen andre væsker. Molekylene deres kommer i alle størrelser og former. Som et resultat fyller mindre partikler hullene mellom større partikler og volumet av væsken reduseres.

Foto 1. Følgende stadier av studiet av kompresjonsmodellen:

a) bønner og valmuefrø i separate kar,

b) korn etter utfelling, c) reduksjon i volumet av korn etter blanding

Moderne implikasjoner

I dag er det velkjent at alle kroppene rundt oss er bygd opp av molekyler, og de er i sin tur bygd opp av atomer. Både molekyler og atomer er i konstant tilfeldig bevegelse, hvor hastigheten avhenger av temperaturen. Takket være moderne mikroskoper, spesielt scanning tunneling microscope (STM), kan individuelle atomer observeres. Det er også kjente metoder som bruker et atomkraftmikroskop (AFM-), som lar deg flytte individuelle atomer nøyaktig og kombinere dem til systemer som kalles nanostrukturer. Kompresjonseffekten har også praktiske implikasjoner. Vi må ta hensyn til dette når vi velger mengden av visse væsker som er nødvendige for å oppnå en blanding av det nødvendige volumet. Du må ta hensyn til det, inkl. i produksjonen av vodka, som, som du vet, er blandinger av hovedsakelig etylalkohol (alkohol) og vann, siden volumet av den resulterende drikken vil være mindre enn summen av volumene av ingrediensene.