Чекор кон нанотехнологијата

Пред илјадници години, луѓето се прашуваа од што се направени околните тела. Одговорите се различни. Во античка Грција, научниците изразија мислење дека сите тела се составени од мали неделиви елементи, кои ги нарекоа атоми. Колку малку, не можеа да прецизираат. Неколку векови, ставовите на Грците останаа само хипотези. Тие им беа вратени во XNUMX век, кога беа спроведени експерименти за да се процени големината на молекулите и атомите.

Беше направен еден од историски значајните експерименти, што овозможи да се пресметаат големини на честички Англискиот научник Лорд Рејли. Бидејќи е едноставен за изведување и во исто време многу убедлив, ајде да се обидеме да го повториме дома. Потоа се свртуваме кон два други експерименти кои ќе ни овозможат да научиме некои од својствата на молекулите.

Кои се големини на честички?

Ориз. 1. Метод за подготовка на шприц за ставање раствор на масло во извлечен бензин во него; p - поксилин,

в - шприц

Ајде да се обидеме да одговориме на ова прашање со спроведување на следниот експеримент. Од шприц од 2 см³ извадете го клипот и затворете го неговиот излез со Poxiline така што целосно ќе ја наполни излезната цевка наменета за вметнување на иглата (сл. 1). Чекаме неколку минути додека Поксилина не се стврдне. Кога тоа ќе се случи, истурете во шприцот околу 0,2 см³ масло за јадење и запишете ја оваа вредност. Ова е количината на масло што се користи._o. Наполнете го преостанатиот волумен на шприцот со бензин. Измешајте ги двете течности со жица додека не се добие хомоген раствор и фиксирајте го шприцот вертикално во кој било држач.

Потоа истурете топла вода во легенот така што неговата длабочина да биде 0,5-1 см.Користете топла вода, но не топла, за да не се гледа пареата што се крева. Повлекуваме хартиена лента по површината на водата неколку пати тангенцијално на неа за да ја исчистиме површината од случаен полен.

Собираме малку мешавина од масло и бензин во капалката и ја пробиваме капалката низ центарот на садот со вода. Нежно притискајќи на гума за бришење, паѓаме што е можно помала капка на површината на водата. Капка мешавина од нафта и бензин ќе се прошири нашироко во сите правци по површината на водата и ќе формира многу тенок слој со дебелина еднаква на дијаметарот на една честичка под најповолни услови - т.н. мономолекуларен слој. По некое време, обично неколку минути, бензинот ќе испари (што се забрзува со порастот на температурата на водата), оставајќи мономолекуларен маслен слој на површината (сл. 2). Добиениот слој најчесто има облик на круг со дијаметар од неколку сантиметри или повеќе.

Ориз. 2. Мономолекуларен слој на масло на површината на водата

m – карлица, c – вода, o – масло, D – дијаметар на формацијата, d – дебелина на формацијата

(големина на честички од масло)

Ја осветлуваме површината на водата со насочување на зрак светлина од фенерче дијагонално на неа. Поради ова, границите на слојот се повидливи. Лесно можеме да го одредиме неговиот приближен дијаметар D од линијарот што се држи веднаш над површината на водата. Знаејќи го овој дијаметар, можеме да ја пресметаме површината на слојот S користејќи ја формулата за плоштина на круг:

Кога би знаеле колкав е волуменот на маслото V₁ содржани во испуштената капка, тогаш дијаметарот на молекулата на маслото d може лесно да се пресмета, под претпоставка дека маслото се стопи и формираше слој со површина S, т.е.

По споредувањето на формулите (1) и (2) и едноставна трансформација, добиваме формула која ни овозможува да ја пресметаме големината на честичката на маслото:

Најлесен, но не и најточен начин да се одреди волуменот V₁ е да се провери колку капки може да се добијат од вкупниот волумен на смесата содржана во шприцот и да се подели волуменот на маслото Vo што се користи со овој број. За да го направите ова, ја собираме смесата во пипета и создаваме капки, обидувајќи се да ги направиме со иста големина како кога ќе се испуштат на површината на водата. Ова го правиме додека не се исцрпи целата смеса.

Попрецизен, но одзема многу време метод е постојаното пуштање на капка масло на површината на водата, добивање на мономолекуларен маслен слој и мерење на неговиот дијаметар. Секако, пред да се направи секој слој, претходно искористената вода и масло мора да се истурат од легенот и да се истурат чисти. Од добиените мерења се пресметува аритметичката средина.

Заменувајќи ги добиените вредности во формулата (3), не заборавајте да ги конвертирате единиците и да го изразите изразот во метри (m) и V₁ во кубни метри (м³). Добијте ја големината на честичките во метри. Оваа големина ќе зависи од видот на маслото што се користи. Резултатот може да биде погрешен поради направените поедноставувачки претпоставки, особено затоа што слојот не бил мономолекуларен и дека големини на капките не биле секогаш исти. Лесно е да се види дека отсуството на мономолекуларен слој доведува до преценување на вредноста на d. Вообичаените големини на честичките од масло се во опсег од 10^-8-10^-9 м Блок 10^-9 m се нарекува нанометар и често се користи во полето во подем познато како нанотехнологија.

„Исчезнува“ волумен на течност

Ориз. 3. Дизајн на тест садот за собирање течност;

g - транспарентна, пластична цевка, p - поксилин, l - владетел,

t - транспарентна лента

Следните два експерименти ќе ни овозможат да заклучиме дека молекулите на различни тела имаат различни форми и големини. За да го направите првото, исечете две парчиња проѕирна пластична цевка, двете со внатрешен дијаметар од 1-2 cm и долги 30 cm. Секое парче цевка е залепено со неколку парчиња леплива лента до работ на посебен линијар спроти вагата (сл. 3). Затворете ги долните краеви на цревата со приклучоци за поксилин. Поправете ги двата линијари со залепени црева во вертикална положба. Истурете доволно вода во едно од цревата за да направите колона околу половина од должината на цревото, да речеме 14 см. Истурете ја истата количина на етил алкохол во втората епрувета.

Сега прашуваме, колкава ќе биде висината на столбот од смесата од двете течности? Ајде да се обидеме експериментално да добиеме одговор на нив. Истурете алкохол во цревото за вода и веднаш измерете го горното ниво на течноста. Ова ниво го означуваме со водоотпорен маркер на цревото. Потоа со жица измешајте ги двете течности и повторно проверете го нивото. Што забележуваме? Излегува дека ова ниво е намалено, т.е. волуменот на смесата е помал од збирот на волумените на состојките што се користат за нејзино производство. Овој феномен се нарекува контракција на течен волумен. Намалувањето на волуменот е обично неколку проценти.

Објаснување на моделот

За да го објасниме ефектот на компресија, ќе спроведеме моделски експеримент. Молекулите на алкохолот во овој експеримент ќе бидат претставени со зрна грашок, а молекулите на водата ќе бидат семе од афион. Во првиот, тесен, проѕирен сад, на пример, во висока тегла, истурете крупно зрнест грашок со висина од околу 0,4 m. Потоа во сад со грашок истураме семе од афион и со линијар ја мериме висината до која достигнува најгорното ниво на зрна. Ова ниво го означуваме со маркер или фармацевтска гумена лента на садот (слика 1б). Затворете го садот и протресете го неколку пати. Ги ставаме вертикално и проверуваме до која висина сега достигнува горното ниво на смесата од зрната. Излегува дека е пониско отколку пред мешање (слика 1в).

Експериментот покажа дека по мешањето, малите семки од афион ги исполнуваат слободните простори помеѓу грашокот, како резултат на што се намалил вкупниот волумен окупиран од смесата. Слична ситуација се јавува при мешање на вода со алкохол и некои други течности. Нивните молекули доаѓаат во сите големини и форми. Како резултат на тоа, помалите честички ги пополнуваат празнините помеѓу поголемите честички и волуменот на течноста се намалува.

Фотографија 1. Следниве фази на проучување на моделот на компресија:

а) грав и афион во посебни садови,

б) зрна по пролевање, в) намалување на волуменот на зрната по мешање

Модерни импликации

Денес е добро познато дека сите тела околу нас се составени од молекули, а тие, пак, се составени од атоми. И молекулите и атомите се во постојано случајно движење, чија брзина зависи од температурата. Благодарение на современите микроскопи, особено на микроскопот за скенирање тунели (STM), може да се набљудуваат поединечни атоми. Исто така, познати се методи кои користат микроскоп со атомска сила (AFM-), кој ви овозможува прецизно да преместите поединечни атоми и да ги комбинирате во системи т.н. наноструктури. Ефектот на компресија има и практични импликации. Ова мора да го земеме предвид при изборот на количината на одредени течности неопходни за да се добие мешавина од потребниот волумен. Мора да го земете предвид, вкл. во производството на вотки, кои, како што знаете, се мешавини главно од етил алкохол (алкохол) и вода, бидејќи волуменот на добиениот пијалок ќе биде помал од збирот на волумените на состојките.