Krok smerom k nanotechnológii

Pred tisíckami rokov sa ľudia čudovali, z čoho sú vyrobené okolité telá. Odpovede boli rôzne. V starovekom Grécku vedci vyjadrili názor, že všetky telesá sa skladajú z malých nedeliteľných prvkov, ktoré nazývali atómy. Ako málo, nevedeli špecifikovať. Názory Grékov zostali niekoľko storočí len hypotézami. Vrátili sa im v XNUMX. storočí, keď sa uskutočnili experimenty na odhadnutie veľkosti molekúl a atómov.

Uskutočnil sa jeden z historicky významných experimentov, ktorý umožnil vypočítať veľkosti častíc Anglický vedec Lord Rayleigh. Keďže je to jednoduché na prevedenie a zároveň veľmi presvedčivé, skúsme si to zopakovať doma. Potom prejdeme k dvom ďalším experimentom, ktoré nám umožnia spoznať niektoré vlastnosti molekúl.

Aké sú veľkosti častíc?

Ryža. 1. Spôsob prípravy injekčnej striekačky na umiestnenie roztoku oleja v extrahovanom benzíne do nej; p - poxylín,

c - striekačka

Pokúsme sa odpovedať na túto otázku vykonaním nasledujúceho experimentu. Z 2 cm striekačky³ vyberte piest a utesnite jeho výstup Poxiline tak, aby úplne vyplnil výstupnú hadičku určenú na vpichnutie ihly (obr. 1). Počkáme pár minút, kým Poxilina stuhne. Keď k tomu dôjde, nalejte do injekčnej striekačky asi 0,2 cm³ jedlého oleja a zaznamenajte túto hodnotu. Toto je množstvo použitého oleja._o. Naplňte zostávajúci objem striekačky benzínom. Obe kvapaliny premiešajte drôtom, kým sa nedosiahne homogénny roztok, a striekačku upevnite vertikálne v akomkoľvek držiaku.

Potom nalejte teplú vodu do umývadla tak, aby jeho hĺbka bola 0,5-1 cm.Použite teplú vodu, ale nie horúcu, aby nebolo vidieť stúpajúcu paru. Niekoľkokrát tangenciálne k nej potiahneme papierový pásik po povrchu vody, aby sme povrch očistili od náhodného peľu.

Do kvapkadla nazbierame trochu zmesi oleja a benzínu a pretlačíme kvapkadlo stredom nádoby s vodou. Jemným zatlačením na gumu kvapneme čo najmenšiu kvapku na hladinu vody. Kvapka zmesi oleja a benzínu sa za najpriaznivejších podmienok rozšíri všetkými smermi po hladine vody a vytvorí veľmi tenkú vrstvu s hrúbkou rovnajúcou sa jednému priemeru častíc - tzv. monomolekulárna vrstva. Po určitom čase, zvyčajne niekoľkých minútach, sa benzín vyparí (zrýchlené zvýšením teploty vody), pričom na povrchu zostane monomolekulárna olejová vrstva (obr. 2). Výsledná vrstva má najčastejšie tvar kruhu s priemerom niekoľko centimetrov a viac.

Ryža. 2. Monomolekulová vrstva oleja na vodnej hladine

m – panva, c – voda, o – olej, D – priemer útvaru, d – hrúbka útvaru

(veľkosť častíc oleja)

Vodnú hladinu osvetľujeme tak, že na ňu diagonálne nasmerujeme lúč svetla z baterky. Vďaka tomu sú hranice vrstvy viditeľnejšie. Jeho približný priemer D ľahko určíme z pravítka držaného tesne nad hladinou vody. Keď poznáme tento priemer, môžeme vypočítať plochu vrstvy S pomocou vzorca pre oblasť kruhu:

Keby sme vedeli, aký je objem ropy V₁ obsiahnutej v poklesnutej kvapke, potom by sa dal ľahko vypočítať priemer molekuly oleja d za predpokladu, že sa olej roztopil a vytvoril vrstvu s povrchom S, t.j.

Po porovnaní vzorcov (1) a (2) a jednoduchej transformácii získame vzorec, ktorý nám umožňuje vypočítať veľkosť olejovej častice:

Najjednoduchší, ale nie najpresnejší spôsob určenia objemu V₁ je skontrolovať, koľko kvapiek je možné získať z celkového objemu zmesi obsiahnutej v injekčnej striekačke a vydeliť objem použitého oleja Vo týmto číslom. Za týmto účelom zbierame zmes do pipety a vytvárame kvapôčky, pričom sa snažíme, aby mali rovnakú veľkosť, ako keď padajú na hladinu vody. Robíme to, kým sa celá zmes nevyčerpá.

Presnejšou, no časovo náročnejšou metódou je opakované kvapkanie kvapky oleja na vodnú hladinu, získanie monomolekulárnej olejovej vrstvy a meranie jej priemeru. Samozrejme, pred vytvorením každej vrstvy je potrebné predtým použitú vodu a olej vyliať z umývadla a vyliať čisté. Zo získaných meraní sa vypočíta aritmetický priemer.

Dosadením získaných hodnôt do vzorca (3) nezabudnite previesť jednotky a vyjadriť výraz v metroch (m) a V₁ v kubických metroch (m³). Získajte veľkosť častíc v metroch. Táto veľkosť bude závisieť od typu použitého oleja. Výsledok môže byť chybný v dôsledku zjednodušených predpokladov, najmä preto, že vrstva nebola monomolekulárna a že veľkosti kvapiek neboli vždy rovnaké. Je ľahké vidieť, že absencia monomolekulovej vrstvy vedie k nadhodnoteniu hodnoty d. Bežné veľkosti častíc oleja sú v rozmedzí 10^-8-10^-9 m. Blok 10^-9 m sa volá nanometer a často sa používa v rýchlo sa rozvíjajúcej oblasti známej ako nanotechnológie.

"Miznúci" objem kvapaliny

Ryža. 3. Konštrukcia skúšobnej nádoby na zmršťovanie kvapaliny;

g - priehľadná, plastová trubica, p - poxylín, l - pravítko,

t - priehľadná páska

Nasledujúce dva experimenty nám umožnia dospieť k záveru, že molekuly rôznych telies majú rôzne tvary a veľkosti. Najprv odrežte dva kusy priehľadnej plastovej trubice, obidva s vnútorným priemerom 1-2 cm a dĺžkou 30 cm. Každý kus trubice je prilepený niekoľkými kusmi lepiacej pásky na okraj samostatného pravítka oproti mierke (obr. 3). Zatvorte spodné konce hadíc poxylovými zátkami. Obe pravítka upevnite nalepenými hadicami vo zvislej polohe. Do jednej z hadíc nalejte toľko vody, aby ste vytvorili stĺpec asi v polovici dĺžky hadice, povedzme 14 cm. Do druhej skúmavky nalejte rovnaké množstvo etylalkoholu.

Teraz sa pýtame, aká bude výška stĺpca zmesi oboch kvapalín? Skúsme na ne získať odpoveď experimentálne. Nalejte alkohol do vodnej hadice a ihneď odmerajte hornú hladinu kvapaliny. Túto hladinu označíme vodotesnou fixkou na hadicu. Potom obe tekutiny premiešajte drôtom a znova skontrolujte hladinu. Čo si všímame? Ukazuje sa, že táto úroveň sa znížila, t.j. objem zmesi je menší ako súčet objemov zložiek použitých na jej výrobu. Tento jav sa nazýva kontrakcia objemu tekutiny. Zníženie objemu je zvyčajne niekoľko percent.

Vysvetlenie modelu

Aby sme vysvetlili kompresný efekt, vykonáme modelový experiment. Molekuly alkoholu v tomto experimente budú predstavovať zrnká hrachu a molekuly vody budú makové semienka. Do prvej úzkej priehľadnej misky, napríklad vysokej nádoby, nasypeme veľkozrnný hrášok vysoký asi 0,4 m. Do druhej rovnakej nádoby nasypeme mak (foto 1a). Potom mak nasypeme do nádoby s hráškom a pomocou pravítka odmeriame výšku, do ktorej siaha horná úroveň zŕn. Túto hladinu označíme fixkou alebo farmaceutickou gumičkou na nádobe (foto 1b). Nádobu zatvorte a niekoľkokrát pretrepte. Položíme ich kolmo a skontrolujeme, do akej výšky teraz siaha horná úroveň obilnej zmesi. Ukazuje sa, že je nižšia ako pred zmiešaním (foto 1c).

Pokus ukázal, že po premiešaní vypĺňali voľné miesta medzi hrachom drobné makové semienka, v dôsledku čoho sa zmenšil celkový objem, ktorý zmes zaberá. Podobná situácia nastáva pri zmiešaní vody s alkoholom a niektorými inými tekutinami. Ich molekuly prichádzajú vo všetkých veľkostiach a tvaroch. Výsledkom je, že menšie častice vyplnia medzery medzi väčšími časticami a objem kvapaliny sa zníži.

Foto 1. Nasledujúce fázy štúdie kompresného modelu:

a) fazuľa a mak v samostatných nádobách,

b) zrná po vysypaní, c) zmenšenie objemu zŕn po zmiešaní

Moderné implikácie

Dnes je dobre známe, že všetky telá okolo nás sa skladajú z molekúl a tie zasa z atómov. Molekuly aj atómy sú v neustálom náhodnom pohybe, ktorého rýchlosť závisí od teploty. Vďaka moderným mikroskopom, najmä skenovaciemu tunelovému mikroskopu (STM), možno pozorovať jednotlivé atómy. Známe sú aj metódy využívajúce mikroskop atómovej sily (AFM-), ktorý umožňuje presne presúvať jednotlivé atómy a spájať ich do systémov tzv. nanoštruktúry. Kompresný efekt má aj praktické dôsledky. Musíme to vziať do úvahy pri výbere množstva určitých tekutín potrebných na získanie zmesi požadovaného objemu. Musíte s tým počítať, vr. pri výrobe vodiek, ktoré, ako viete, sú zmesami hlavne etylalkoholu (alkoholu) a vody, pretože objem výsledného nápoja bude menší ako súčet objemov zložiek.