Pas spre nanotehnologie

Cu mii de ani în urmă, oamenii se întrebau din ce sunt făcute corpurile din jur. Răspunsurile au variat. În Grecia antică, oamenii de știință și-au exprimat opinia că toate corpurile constau din elemente mici indivizibile, pe care le-au numit atomi. Cât de puțin nu puteau indica. Timp de câteva secole, opiniile grecilor au rămas doar ipoteze. Le-au fost returnați în secolul al XNUMX-lea, când au fost efectuate experimente pentru a estima dimensiunile moleculelor și atomilor.

Unul dintre experimentele semnificative din punct de vedere istoric, care a făcut posibilă calcularea dimensiunilor particulelor, a fost efectuat Omul de știință englez Lord Rayleigh. Deoarece este simplu de executat și în același timp foarte convingător, să încercăm să o repetăm ​​acasă. Ne vom întoarce apoi la alte două experimente care ne vor permite să învățăm unele dintre proprietățile moleculelor.

Care sunt dimensiunile particulelor?

Orez. 1. O metodă de preparare a unei seringi pentru introducerea în ea a unei soluții de ulei în benzină extrasă; p – poxilina,

c – seringă

Să încercăm să răspundem la această întrebare realizând următorul experiment. Dintr-o seringă de 2 cm³ scoateți pistonul și sigilați orificiul acestuia cu Poxiline, astfel încât să umple complet tubul de evacuare destinat introducerii acului (Fig. 1). Așteptăm câteva minute până se întărește Poxilina. Când se întâmplă acest lucru, turnați aproximativ 0,2 cm în seringă³ ulei comestibil și înregistrați această valoare. Acesta este volumul de ulei B folosit._o. Umpleți volumul rămas al seringii cu benzină. Amestecați ambele lichide cu un fir până se obține o soluție omogenă și fixați seringa vertical în orice suport.

Apoi turnați apă caldă în lighean, astfel încât adâncimea acestuia să fie de 0,5-1 cm.Folosiți apă caldă, dar nu fierbinte, pentru ca aburul care se ridică să nu fie vizibil. Tragem o bandă de hârtie de-a lungul suprafeței apei tangențial la aceasta de mai multe ori pentru a curăța suprafața de polen rătăcit.

Punem puțin amestec de ulei și benzină în picurător și mutam picuratorul de-a lungul centrului vasului cu apă. Apăsând ușor radiera, aruncați o picătură cât mai mică posibil pe suprafața apei. O picătură dintr-un amestec de ulei și benzină se va răspândi larg în toate direcțiile pe suprafața apei și va forma un strat foarte subțire cu o grosime, în condițiile cele mai favorabile, egală cu diametrul unei particule - așa-numita strat monomolecular. După un timp, de obicei câteva minute, benzina se va evapora (care este accelerată prin creșterea temperaturii apei), iar la suprafață va rămâne un strat monomolecular de ulei (Fig. 2). Stratul rezultat are cel mai adesea forma unui cerc cu un diametru de câțiva centimetri sau mai mult.

Orez. 2. Strat monomolecular de ulei la suprafața apei

m – bazin, c – apă, o – ulei, D – diametrul formației, g – grosimea formației

(dimensiunea particulelor de ulei)

Iluminăm suprafața apei direcționând în diagonală un fascicul de lumină de la o lanternă. Acest lucru face limitele stratului mai vizibile. Putem determina cu ușurință diametrul său aproximativ D folosind o riglă ținută chiar deasupra suprafeței apei. Cunoscând acest diametru, putem calcula aria stratului S folosind formula pentru aria unui cerc:

Dacă am ști care este volumul de ulei V₁ continut in picatura picurata, atunci diametrul moleculei de ulei d ar putea fi calculat cu usurinta, presupunand ca uleiul s-a topit si a format un strat cu suprafata S, adica:

După compararea formulelor (1) și (2) și o transformare simplă, obținem o formulă care ne permite să calculăm dimensiunea unei particule de ulei:

Cel mai simplu, dar nu cel mai precis mod de a determina volumul V₁ este de a verifica câte picături se pot obține din întregul volum al amestecului conținut în seringă și de a împărți volumul de ulei Vo folosit la acest număr. Pentru a face acest lucru, luăm amestecul într-o pipetă și creăm picături, încercând să le păstrăm aceeași dimensiune ca atunci când le picuram pe suprafața apei. Facem asta până se epuizează întregul amestec.

O metodă mai precisă, dar mai laborioasă, presupune scăparea repetă a unei picături de ulei pe suprafața apei, obținerea unui strat monomolecular de ulei și măsurarea diametrului acestuia. Desigur, înainte de realizarea fiecărui strat, apa și uleiul folosit anterior trebuie turnate din bazin și umplute cu altele curate. Media aritmetică se calculează din măsurătorile obținute.

Înlocuind valorile obținute în formula (3), nu uitați să convertiți unitățile și să exprimați expresia în metri (m) și V₁ în metri cubi (m³). Obținem dimensiunea particulelor în metri. Această dimensiune va depinde de tipul de ulei folosit. Rezultatul poate fi eronat din cauza ipotezelor simplificate făcute, în special că stratul nu a fost monomolecular și că dimensiunile picăturilor nu au fost întotdeauna aceleași. Este ușor de observat că lipsa monomolecularității stratului duce la o supraestimare a valorii d. Dimensiunile tipice ale particulelor de ulei sunt în 10^-8-10^-9 m. Blocul 10^-9 m este numit nanometru și este adesea folosit într-un domeniu în dezvoltare rapidă cunoscut ca nanotehnologie.

Volumul lichidului „disparând”.

Orez. 3. Proiectarea vasului pentru testarea lichidului pentru contracție;

g – tub de plastic transparent, p – polioxilină, l – riglă,

t – bandă transparentă

Următoarele două experimente ne vor permite să concluzionam că moleculele diferitelor corpuri au forme și dimensiuni diferite. Pentru a face prima, tăiați două bucăți de tub din plastic transparent, ambele cu un diametru interior de 1-2 cm și o lungime de 30 cm. Fiecare bucată de tub este lipită cu mai multe bucăți de bandă de marginea unei rigle separate, vizavi de scară (fig. 3). Închideți capetele inferioare ale furtunurilor cu dopuri de poxilină. Fixați ambele rigle cu furtunuri lipite în poziție verticală. Turnați suficientă apă într-unul dintre furtunuri pentru a crea o coloană de aproximativ jumătate din lungimea furtunului, de exemplu 14 cm.Toarnă aceeași cantitate de alcool etilic în a doua eprubetă.

Acum să ne întrebăm, care va fi înălțimea coloanei amestecului ambelor lichide? Să încercăm să le răspundem experimental. Turnați alcool în furtunul de apă și măsurați imediat nivelul superior al lichidului. Marcam acest nivel cu un marker impermeabil pe furtun. Apoi amestecați ambele fluide cu un fir și verificați din nou nivelul. Ce observăm? Se dovedește că acest nivel a scăzut, adică. volumul amestecului este mai mic decât suma volumelor de ingrediente utilizate pentru producerea acestuia. Acest fenomen se numește contracție a volumului fluidului. Reducerea volumului este de obicei de câteva procente.

Explicația modelului

Pentru a explica efectul de compresie, vom efectua un experiment model. Moleculele de alcool din acest experiment vor fi reprezentate de boabe de mazăre, iar moleculele de apă vor fi semințe de mac. Turnați mazărea cu granule grosiere de aproximativ 0,4 m înălțime în primul recipient îngust, transparent, de exemplu un borcan înalt. Turnați semințele de mac într-un al doilea recipient de aceeași înălțime (foto 1a). Apoi turnăm semințele de mac în vasul cu mazărea și, folosind o riglă, măsuram înălțimea până la care atinge nivelul superior al boabelor. Marcam acest nivel cu un marker sau o radieră de farmacie pe vas (foto 1b). Închideți recipientul și agitați de mai multe ori. Le asezam vertical si verificam la ce inaltime ajunge acum nivelul superior al amestecului de cereale. Se dovedește că este mai jos decât înainte de amestecare (foto 1c).

Experimentul a arătat că după amestecare, semințe mici de mac au umplut spațiile goale dintre mazăre, rezultând o scădere a volumului total ocupat de amestec. O situație similară apare atunci când amestecați apă cu alcool și alte lichide. Moleculele lor vin în toate dimensiunile și formele. Ca rezultat, particulele mai mici umplu golurile dintre particulele mai mari și volumul lichidului scade.

Foto 1. Următoarele etape ale studiului modelului de compresie:

a) fasole și mac în vase separate,

b) boabe după vărsare, c) reducerea volumului boabelor după amestecare

Consecințele moderne

Astăzi este bine cunoscut faptul că toate corpurile din jurul nostru sunt formate din molecule, iar acestea, la rândul lor, sunt formate din atomi. Atât moleculele, cât și atomii se află într-o mișcare aleatorie constantă, a cărei viteză depinde de temperatură. Datorită microscoapelor moderne, în special microscopului de scanare tunel (STM), pot fi observați atomi individuali. Există, de asemenea, metode care utilizează un microscop cu forță atomică (AFM), care face posibilă mutarea cu precizie a atomilor individuali și combinarea acestora în sisteme numite nanostructuri. Efectul de compresie are și o semnificație practică. Trebuie să ținem cont de acest lucru atunci când selectăm cantitatea de anumite lichide necesară pentru a obține un amestec de volumul necesar. Trebuie să iei în calcul, inclusiv. în producția de vodcă, care, după cum se știe, sunt amestecuri de alcool etilic (alcool) și apă, deoarece volumul băuturii rezultate va fi mai mic decât suma volumelor ingredientelor.