Korak k nanotehnologiji

Pred tisočletji so se ljudje spraševali, iz česa so sestavljena okoliška telesa. Odgovori so bili različni. V stari Grčiji so znanstveniki izrazili mnenje, da so vsa telesa sestavljena iz majhnih nedeljivih elementov, ki so jih imenovali atomi. Kako malo, niso mogli navesti. Več stoletij so pogledi Grkov ostali le hipoteze. Vrnili so jim jih v XNUMX. stoletju, ko so izvajali poskuse za oceno velikosti molekul in atomov.

Izveden je bil eden od zgodovinsko pomembnih poskusov, ki je omogočil izračun velikosti delcev Angleški znanstvenik Lord Rayleigh. Ker je enostavna za izvedbo in hkrati zelo prepričljiva, jo poskusimo ponoviti doma. Nato se obrnemo na dva druga poskusa, ki nam bosta omogočila, da se naučimo nekaterih lastnosti molekul.

Kakšne so velikosti delcev?

riž. 1. Metoda priprave brizge za dajanje raztopine olja v ekstrahiranem bencinu vanjo; p - poksilin,

c - brizga

Poskusimo odgovoriti na to vprašanje z naslednjim poskusom. Iz 2 cm brizge³ odstranite bat in zatesnite njegov izhod s poksilinom, tako da popolnoma napolni izhodno cev, namenjeno vstavitvi igle (slika 1). Počakamo nekaj minut, da se Poxilina strdi. Ko se to zgodi, nalijte v brizgo približno 0,2 cm³ jedilnega olja in zabeležite to vrednost. To je količina uporabljenega olja._o. Preostalo količino brizge napolnite z bencinom. Obe tekočini zmešajte z žico, dokler ne dobite homogene raztopine, in brizgo pritrdite navpično v poljubno držalo.

Nato v umivalnik nalijte toplo vodo, tako da je njena globina 0,5-1 cm, uporabite toplo vodo, vendar ne vročo, da se ne vidi dvigajoče se pare. Papirni trak povlečemo po površini vode večkrat tangencialno nanj, da očistimo površino naključnega cvetnega prahu.

V kapalko zberemo malo mešanice olja in bencina in kapalko zapeljemo skozi sredino posode z vodo. Z nežnim pritiskom na radirko spustimo čim manjšo kapljico na površino vode. Kapljica mešanice olja in bencina se bo razširila v vse smeri po površini vode in tvorila zelo tanko plast z debelino enega premera delcev pod najugodnejšimi pogoji - t.i. monomolekularna plast. Čez nekaj časa, običajno nekaj minut, bo bencin izhlapel (kar se pospeši z dvigom temperature vode), na površini pa ostane monomolekularna plast olja (slika 2). Nastala plast ima najpogosteje obliko kroga s premerom nekaj centimetrov ali več.

riž. 2. Monomolekularna plast olja na vodni površini

m – medenica, c – voda, o – olje, D – premer formacije, d – debelina formacije

(velikost oljnih delcev)

Vodno gladino osvetlimo tako, da nanjo diagonalno usmerimo snop svetlobe iz svetilke. Zaradi tega so meje plasti bolj vidne. Njegov približni premer D zlahka določimo z ravnilom, ki ga držimo tik nad gladino vode. Če poznamo ta premer, lahko izračunamo površino plasti S s formulo za površino kroga:

Če bi vedeli, kolikšen je volumen olja V₁ vsebovana v padli kapljici, potem bi lahko zlahka izračunali premer oljne molekule d ob predpostavki, da se je olje stopilo in tvorilo plast s površino S, tj:

Po primerjavi formul (1) in (2) ter preprosti transformaciji dobimo formulo, ki nam omogoča izračun velikosti oljnega delca:

Najlažji, vendar ne najbolj natančen način za določitev glasnosti V₁ je preveriti, koliko kapljic lahko dobimo iz celotnega volumna mešanice v brizgi, in količino uporabljenega olja Vo delimo s tem številom. Da bi to naredili, zmes zberemo v pipeto in ustvarimo kapljice, pri čemer jih poskušamo narediti enake velikosti kot takrat, ko jih spustimo na površino vode. To počnemo, dokler ni vsa mešanica izčrpana.

Natančnejša, a bolj zamudna metoda je večkratno spuščanje kapljice olja na površino vode, pridobivanje monomolekularne plasti olja in merjenje njenega premera. Seveda je treba pred vsako plastjo predhodno uporabljeno vodo in olje izliti iz posode in preliti čisto. Iz dobljenih meritev se izračuna aritmetična sredina.

Če zamenjate dobljene vrednosti v formulo (3), ne pozabite pretvoriti enot in izraziti izraz v metrih (m) in V₁ v kubičnih metrih (m³). Dobite velikost delcev v metrih. Ta velikost bo odvisna od vrste uporabljenega olja. Rezultat je lahko napačen zaradi poenostavitvenih predpostavk, zlasti ker plast ni bila monomolekularna in da velikosti kapljic niso bile vedno enake. Preprosto je videti, da odsotnost monomolekularne plasti vodi v precenjevanje vrednosti d. Običajne velikosti oljnih delcev so v območju 10^-8-10^-9 m. Blok 10^-9 m se imenuje nanometer in se pogosto uporablja na cvetočem področju, znanem kot nanotehnologija.

"Izginjajoči" volumen tekočine

riž. 3. zasnova preskusne posode za krčenje tekočine;

g - prozorna, plastična cev, p - poksilin, l - ravnilo,

t - prozoren trak

Naslednja dva poskusa nam bosta omogočila sklepanje, da imajo molekule različnih teles različne oblike in velikosti. Če želite narediti prvo, izrežite dva kosa prozorne plastične cevi, oba z notranjim premerom 1-2 cm in dolžino 30 cm. Vsak kos cevi je prilepljen z več kosi lepilnega traku na rob ločenega ravnila nasproti lestvice (sl. . 3). Zaprite spodnje konce cevi s poksilinskimi čepi. Oba ravnila pritrdite z lepljenimi cevmi v navpičnem položaju. V eno od cevi nalijte toliko vode, da nastane stolpec približno polovice dolžine cevi, recimo 14 cm, v drugo epruveto nalijte enako količino etilnega alkohola.

Zdaj se sprašujemo, kolikšna bo višina stebra mešanice obeh tekočin? Poskusimo poskusno dobiti odgovor nanje. V cev za vodo nalijte alkohol in takoj izmerite najvišjo raven tekočine. To raven označimo z vodoodpornim markerjem na cevi. Nato z žico zmešajte obe tekočini in ponovno preverite nivo. Kaj opazimo? Izkazalo se je, da se je ta raven zmanjšala, t.j. prostornina mešanice je manjša od vsote volumnov sestavin, uporabljenih za njeno proizvodnjo. Ta pojav imenujemo krčenje volumna tekočine. Zmanjšanje obsega je običajno nekaj odstotkov.

Razlaga modela

Da bi razložili učinek stiskanja, bomo izvedli modelni eksperiment. Molekule alkohola v tem poskusu bodo predstavljene z zrni graha, molekule vode pa makova semena. V prvo, ozko prozorno posodo, na primer visok kozarec, stresemo grah velikega zrna približno 0,4 m visoko, v drugo enako visoko posodo nalij mak (fotografija 1a). Nato v posodo z grahom nalijemo mak in z ravnilom izmerimo višino, do katere sega najvišji nivo zrn. To raven označimo z markerjem ali farmacevtskim gumijastim trakom na posodi (fotografija 1b). Zaprite posodo in jo večkrat pretresite. Postavimo jih navpično in preverimo, do katere višine zdaj doseže zgornji nivo zrnate mešanice. Izkazalo se je, da je nižje kot pred mešanjem (fotografija 1c).

Poskus je pokazal, da so po mešanju majhna makova semena zapolnila proste prostore med grahom, zaradi česar se je skupna prostornina, ki jo zaseda mešanica, zmanjšala. Podobna situacija se zgodi pri mešanju vode z alkoholom in nekaterimi drugimi tekočinami. Njihove molekule so vseh velikosti in oblik. Posledično manjši delci zapolnijo vrzeli med večjimi delci in volumen tekočine se zmanjša.

Fotografija 1. Naslednje faze študije kompresijskega modela:

a) fižol in mak v ločenih posodah,

b) zrna po osipanju, c) zmanjšanje volumna zrn po mešanju

Sodobne posledice

Danes je dobro znano, da so vsa telesa okoli nas sestavljena iz molekul, ta pa iz atomov. Tako molekule kot atomi so v stalnem naključnem gibanju, katerega hitrost je odvisna od temperature. Zahvaljujoč sodobnim mikroskopom, zlasti skenirnemu tunelskemu mikroskopu (STM), je mogoče opazovati posamezne atome. Znane so tudi metode, ki uporabljajo mikroskop atomske sile (AFM-), ki vam omogoča natančno premikanje posameznih atomov in njihovo združevanje v sisteme, imenovane nanostrukture. Učinek stiskanja ima tudi praktične posledice. To moramo upoštevati pri izbiri količine določenih tekočin, ki je potrebna za pridobitev mešanice zahtevane prostornine. To morate upoštevati, vklj. pri proizvodnji vodk, ki so, kot veste, mešanice predvsem etilnega alkohola (alkohola) in vode, saj bo prostornina nastale pijače manjša od vsote volumnov sestavin.