Steg mot nanoteknik

För tusentals år sedan undrade folk vad de omgivande kropparna är gjorda av. Svaren varierade. I det antika Grekland uttryckte forskare åsikten att alla kroppar består av små odelbara element, som de kallade atomer. Hur lite kunde de inte specificera. Under flera århundraden förblev grekernas åsikter bara hypoteser. De återlämnades till dem på XNUMXth århundradet, när experiment utfördes för att uppskatta storleken på molekyler och atomer.

Ett av de historiskt betydelsefulla experimenten, som gjorde det möjligt att beräkna partikelstorlekar, genomfördes Engelske vetenskapsmannen Lord Rayleigh. Eftersom det är enkelt att utföra och samtidigt väldigt övertygande, låt oss försöka upprepa det hemma. Sedan vänder vi oss till två andra experiment som gör att vi kan lära oss några av egenskaperna hos molekyler.

Vilka är partikelstorlekarna?

Ris. 1. En metod för att förbereda en spruta för att placera en lösning av olja i extraherad bensin i den; p - poxylin,

c - spruta

Låt oss försöka svara på denna fråga genom att utföra följande experiment. Från en 2 cm spruta³ ta bort kolven och täta dess utlopp med Poxiline så att den helt fyller utloppsröret som är avsett för införande av nålen (Fig. 1). Vi väntar några minuter tills Poxilina stelnar. När detta händer, häll i sprutan ca 0,2 cm³ matolja och registrera detta värde. Detta är mängden olja som används._o. Fyll den återstående volymen av sprutan med bensin. Blanda båda vätskorna med en tråd tills en homogen lösning erhålls och fixera sprutan vertikalt i valfri hållare.

Häll sedan varmt vatten i bassängen så att dess djup blir 0,5-1 cm Använd varmt vatten, men inte varmt, så att den stigande ångan inte syns. Vi drar en pappersremsa längs vattenytan flera gånger tangentiellt till den för att rengöra ytan från slumpmässigt pollen.

Vi samlar en liten blandning av olja och bensin i dropparen och driver dropparen genom mitten av kärlet med vatten. Genom att försiktigt trycka på radergummit tappar vi en så liten droppe som möjligt på vattenytan. En droppe av en blandning av olja och bensin kommer att spridas brett i alla riktningar över vattenytan och bilda ett mycket tunt lager med en tjocklek lika med en partikeldiameter under de mest gynnsamma förhållandena - den s.k. monomolekylärt skikt. Efter en tid, vanligtvis några minuter, kommer bensinen att avdunsta (vilket accelereras av stigande vattentemperatur), vilket lämnar ett monomolekylärt oljeskikt på ytan (fig. 2). Det resulterande lagret har oftast formen av en cirkel med en diameter på flera centimeter eller mer.

Ris. 2. Monomolekylärt lager av olja på vattenytan

m – bäcken, c – vatten, o – olja, D – formationens diameter, d – formationens tjocklek

(oljepartikelstorlek)

Vi belyser vattenytan genom att rikta en ljusstråle från en ficklampa diagonalt mot den. På grund av detta är lagrets gränser mer synliga. Vi kan enkelt bestämma dess ungefärliga diameter D från en linjal som hålls strax ovanför vattenytan. Genom att känna till denna diameter kan vi beräkna arean av skiktet S med formeln för arean av en cirkel:

Om vi ​​visste vad volymen av olja är V₁ som finns i den droppade droppen, så kunde diametern på oljemolekylen d lätt beräknas, under antagande att oljan smälte och bildade ett lager med en yta S, dvs.

Efter att ha jämfört formlerna (1) och (2) och en enkel transformation får vi en formel som låter oss beräkna storleken på en oljepartikel:

Det enklaste, men inte det mest exakta sättet att bestämma volymen V₁ är att kontrollera hur många droppar som kan erhållas från den totala volymen av blandningen som finns i sprutan och dividera volymen olja Vo som används med detta nummer. För att göra detta samlar vi blandningen i en pipett och skapar droppar, och försöker göra dem i samma storlek som när de tappas på vattenytan. Vi gör detta tills hela blandningen är slut.

En mer exakt, men mer tidskrävande metod är att upprepade gånger tappa en oljedroppe på vattenytan, erhålla ett monomolekylärt oljeskikt och mäta dess diameter. Naturligtvis, innan varje lager görs, måste det tidigare använda vattnet och oljan hällas ut ur bassängen och hällas rent. Från de erhållna mätningarna beräknas det aritmetiska medelvärdet.

Genom att ersätta de erhållna värdena med formel (3), glöm inte att konvertera enheterna och uttrycka uttrycket i meter (m) och V₁ i kubikmeter (m³). Få partikelstorleken i meter. Denna storlek beror på vilken typ av olja som används. Resultatet kan vara felaktigt på grund av de förenklade antagandena som gjorts, i synnerhet eftersom skiktet inte var monomolekylärt och att droppstorlekarna inte alltid var desamma. Det är lätt att se att frånvaron av ett monomolekylärt skikt leder till en överskattning av värdet på d. De vanliga storlekarna på oljepartiklar är i intervallet 10^-8-10^-9 m. Block 10^-9 m kallas nanometer och används ofta i det blomstrande området som kallas nanoteknik.

"Försvinnande" volym vätska

Ris. 3. Utformningen av testkärlet för vätskekrympning;

g - transparent, plaströr, p - poxylin, l - linjal,

t - transparent tejp

Följande två experiment kommer att tillåta oss att dra slutsatsen att molekylerna i olika kroppar har olika former och storlekar. För att göra det första, skär två bitar av genomskinligt plaströr, båda 1-2 cm i innerdiameter och 30 cm långa. Varje tubbit limmas med flera bitar av tejp på kanten av en separat linjal mittemot skalan (Fig. 3). Stäng de nedre ändarna av slangarna med poxylinpluggar. Fäst båda linjalerna med limmade slangar i vertikalt läge. Häll tillräckligt med vatten i en av slangarna för att göra en kolonn ungefär hälften av slangens längd, säg 14 cm. Häll samma mängd etylalkohol i det andra provröret.

Nu frågar vi, vad blir höjden på kolonnen för blandningen av båda vätskorna? Låt oss försöka få svar på dem experimentellt. Häll alkohol i vattenslangen och mät omedelbart vätskans översta nivå. Vi markerar denna nivå med en vattentät markör på slangen. Blanda sedan båda vätskorna med en tråd och kontrollera nivån igen. Vad märker vi? Det visar sig att denna nivå har minskat, d.v.s. volymen av blandningen är mindre än summan av volymerna av ingredienserna som används för att producera den. Detta fenomen kallas vätskevolymkontraktion. Volymminskningen är vanligtvis några procent.

Modellförklaring

För att förklara kompressionseffekten kommer vi att genomföra ett modellexperiment. Alkoholmolekyler i detta experiment kommer att representeras av ärtkorn, och vattenmolekyler kommer att vara vallmofrön. Häll storkorniga ärtor ca 0,4 m höga i den första, smala, genomskinliga skålen, till exempel en hög burk. Häll vallmofrön i det andra samma kärlet med samma höjd (foto 1a). Sedan häller vi vallmofrön i ett kärl med ärter och använder en linjal för att mäta höjden till vilken den översta nivån av korn når. Vi markerar denna nivå med en markör eller ett farmaceutiskt gummiband på kärlet (foto 1b). Stäng behållaren och skaka den flera gånger. Vi lägger dem vertikalt och kontrollerar till vilken höjd den övre nivån av spannmålsblandningen nu når. Det visar sig att det är lägre än före blandning (foto 1c).

Experimentet visade att efter blandning fyllde små vallmofrön de fria utrymmena mellan ärtorna, vilket resulterade i att den totala volymen som upptogs av blandningen minskade. En liknande situation uppstår när man blandar vatten med alkohol och några andra vätskor. Deras molekyler finns i alla storlekar och former. Som ett resultat fyller mindre partiklar luckorna mellan större partiklar och volymen av vätskan minskar.

Foto 1. Följande stadier av studien av kompressionsmodellen:

a) bönor och vallmofrön i separata kärl,

b) korn efter utgjutning, c) minskning av volymen av korn efter blandning

Moderna implikationer

Idag är det välkänt att alla kroppar runt omkring oss är uppbyggda av molekyler, och de i sin tur är uppbyggda av atomer. Både molekyler och atomer är i konstant slumpmässig rörelse, vars hastighet beror på temperaturen. Tack vare moderna mikroskop, särskilt scanning tunneling microscope (STM), kan enskilda atomer observeras. Det är också kända metoder som använder ett atomkraftmikroskop (AFM-), som låter dig flytta enskilda atomer exakt och kombinera dem till system som kallas nanostrukturer. Kompressionseffekten har också praktiska konsekvenser. Vi måste ta hänsyn till detta när vi väljer mängden av vissa vätskor som krävs för att få en blandning av den erforderliga volymen. Du måste ta hänsyn till det, inkl. vid produktion av vodka, som, som du vet, är blandningar av huvudsakligen etylalkohol (alkohol) och vatten, eftersom volymen av den resulterande drycken kommer att vara mindre än summan av ingrediensernas volymer.