Korak ka nanotehnologiji

Pre hiljadama godina ljudi su se pitali od čega su napravljena okolna tela. Odgovori su bili različiti. U staroj Grčkoj, naučnici su izrazili mišljenje da su sva tijela sastavljena od malih nedjeljivih elemenata, koje su zvali atomi. Koliko malo, nisu mogli precizirati. Nekoliko vekova, stavovi Grka ostali su samo hipoteze. Oni su im vraćeni u XX vijeku, kada su provedeni eksperimenti za procjenu veličine molekula i atoma.

Izveden je jedan od istorijski značajnih eksperimenata koji je omogućio izračunavanje veličina čestica Engleski naučnik Lord Rayleigh. Budući da je jednostavan za izvođenje, a istovremeno vrlo uvjerljiv, pokušajmo ga ponoviti kod kuće. Zatim se okrećemo još dva eksperimenta koji će nam omogućiti da naučimo neka svojstva molekula.

Koje su veličine čestica?

Rice. 1. Metoda pripreme šprica za stavljanje u njega rastvora ulja u ekstrahovanom benzinu; p - poksilin,

c - špric

Pokušajmo odgovoriti na ovo pitanje provođenjem sljedećeg eksperimenta. Iz šprica od 2 cm³ uklonite klip i zatvorite njegov izlaz poksilinom tako da potpuno ispuni izlaznu cijev namijenjenu za ubacivanje igle (slika 1). Čekamo nekoliko minuta dok se Poxilina ne stvrdne. Kada se to dogodi, sipajte u špric oko 0,2 cm³ jestivo ulje i zabilježite ovu vrijednost. Ovo je količina ulja koja se koristi._o. Preostalu zapreminu šprica napunite benzinom. Pomiješajte obje tekućine žicom dok se ne dobije homogena otopina i učvrstite špric okomito u bilo koji držač.

Zatim u umivaonik nalijte toplu vodu tako da mu je dubina 0,5-1 cm. Koristite toplu vodu, ali ne vruću, kako se para ne bi mogla vidjeti. Papirnu traku povlačimo po površini vode nekoliko puta tangencijalno na nju da očistimo površinu od nasumičnih polena.

Sakupljamo malo mješavine ulja i benzina u kapaljku i probijamo kapaljku kroz sredinu posude s vodom. Laganim pritiskom na gumicu ispuštamo što manju kap na površinu vode. Kap mješavine ulja i benzina će se u najpovoljnijim uvjetima širiti u svim smjerovima naširoko u svim smjerovima i formirati vrlo tanak sloj debljine jednog prečnika čestice - tzv. monomolekularni sloj. Nakon nekog vremena, obično nekoliko minuta, benzin će ispariti (što se ubrzava porastom temperature vode), ostavljajući monomolekularni sloj ulja na površini (slika 2). Dobiveni sloj najčešće ima oblik kruga promjera nekoliko centimetara ili više.

Rice. 2. Monomolekularni sloj ulja na površini vode

m – karlica, c – voda, o – nafta, D – prečnik formacije, d – debljina formacije

(veličina čestica ulja)

Površinu vode osvjetljavamo usmjeravajući snop svjetla iz svjetiljke dijagonalno na nju. Zbog toga su granice sloja vidljivije. Njegov približni prečnik D lako možemo odrediti pomoću ravnala koji se drži neposredno iznad površine vode. Znajući ovaj promjer, možemo izračunati površinu sloja S pomoću formule za površinu kruga:

Kad bismo znali kolika je zapremina ulja V₁ sadržano u ispuštenoj kapi, tada bi se prečnik molekule ulja d mogao lako izračunati, uz pretpostavku da se ulje otopilo i formiralo sloj površine S, tj.:

Nakon poređenja formula (1) i (2) i jednostavne transformacije, dobijamo formulu koja nam omogućava da izračunamo veličinu čestice ulja:

Najlakši, ali ne i najprecizniji način za određivanje volumena V₁ je provjeriti koliko se kapi može dobiti iz ukupne zapremine smjese sadržane u špricu i podijeliti volumen ulja Vo koji se koristi ovim brojem. Da bismo to učinili, skupljamo smjesu u pipetu i stvaramo kapljice, pokušavajući da budu iste veličine kao kada se ispuštaju na površinu vode. To radimo dok se cijela smjesa ne iscrpi.

Preciznija, ali dugotrajnija metoda je da se više puta kap ulja na površinu vode, dobije monomolekularni sloj ulja i izmjeri njegov promjer. Naravno, prije izrade svakog sloja prethodno upotrijebljenu vodu i ulje potrebno je izliti iz bazena i izliti čisto. Iz dobijenih mjerenja izračunava se aritmetička sredina.

Zamjenjujući dobijene vrijednosti u formulu (3), ne zaboravite pretvoriti jedinice i izraziti izraz u metrima (m) i V₁ u kubnim metrima (m³). Dobijte veličinu čestice u metrima. Ova veličina ovisi o vrsti ulja koje se koristi. Rezultat može biti pogrešan zbog pojednostavljenih pretpostavki, posebno zato što sloj nije bio monomolekularan i da veličine kapljica nisu uvijek bile iste. Lako je vidjeti da odsustvo monomolekularnog sloja dovodi do precjenjivanja vrijednosti d. Uobičajene veličine čestica ulja su u rasponu od 10^-8-10^-9 m Blok 10^-9 m se zove nanometar i često se koristi na polju koje se razvija poznato kao nanotehnologija.

"Nestaje" zapremina tečnosti

Rice. 3. Dizajn posude za ispitivanje skupljanja tečnosti;

g - prozirna, plastična cijev, p - poksilin, l - ravnalo,

t - prozirna traka

Sljedeća dva eksperimenta će nam omogućiti da zaključimo da molekuli različitih tijela imaju različite oblike i veličine. Da biste uradili prvo, izrežite dva komada prozirne plastične cijevi, oba unutrašnjeg prečnika 1-2 cm i dužine 30 cm. Svaki komad cijevi je zalijepljen sa nekoliko komada ljepljive trake na rub posebnog ravnala nasuprot skali (sl. . 3). Zatvorite donje krajeve crijeva poksilinskim čepovima. Učvrstite oba ravnala sa zalijepljenim crijevima u okomitom položaju. U jedno od creva ulijte toliko vode da se napravi stub oko polovine dužine creva, recimo 14 cm.U drugu epruvetu sipajte istu količinu etil alkohola.

Sada se pitamo, kolika će biti visina stuba mješavine obje tečnosti? Pokušajmo eksperimentalno dobiti odgovor na njih. Sipajte alkohol u crevo za vodu i odmah izmerite gornji nivo tečnosti. Ovaj nivo označavamo vodootpornim markerom na crijevu. Zatim pomiješajte obje tečnosti žicom i ponovo provjerite nivo. Šta primjećujemo? Ispostavilo se da se ovaj nivo smanjio, tj. zapremina smjese je manja od zbira volumena sastojaka koji se koriste za proizvodnju. Ovaj fenomen se naziva kontrakcija zapremine tečnosti. Smanjenje zapremine je obično nekoliko procenata.

Objašnjenje modela

Da bismo objasnili efekat kompresije, sprovešćemo model eksperimenta. Molekule alkohola u ovom eksperimentu će biti predstavljene zrnom graška, a molekule vode bit će sjemenke maka. U prvu, usku, providnu posudu, na primjer visoku teglu, sipajte grašak krupnog zrna visine oko 0,4 m. U drugu sličnu posudu iste visine sipajte mak (slika 1a). Zatim sipamo mak u posudu sa graškom i ravnalom izmjerimo visinu do koje doseže gornji nivo zrna. Ovaj nivo označavamo markerom ili farmaceutskom gumicom na posudi (slika 1b). Zatvorite posudu i protresite je nekoliko puta. Postavljamo ih okomito i provjeravamo do koje visine sada doseže gornji nivo smjese zrna. Ispostavilo se da je niža nego prije miješanja (slika 1c).

Eksperiment je pokazao da je nakon miješanja sitno zrno maka ispunilo slobodne prostore između graška, zbog čega se smanjila ukupna zapremina koju smjesa zauzima. Slična situacija se dešava kada se voda miješa sa alkoholom i nekim drugim tekućinama. Njihovi molekuli dolaze u svim veličinama i oblicima. Kao rezultat toga, manje čestice popunjavaju praznine između većih čestica i volumen tekućine se smanjuje.

Slika 1. Sljedeće faze proučavanja modela kompresije:

a) pasulj i mak u odvojenim posudama,

b) zrna nakon osipanja, c) smanjenje zapremine zrna nakon mešanja

Moderne implikacije

Danas je dobro poznato da su sva tijela oko nas sastavljena od molekula, a ona od atoma. I molekuli i atomi su u stalnom nasumičnom kretanju, čija brzina ovisi o temperaturi. Zahvaljujući modernim mikroskopima, posebno skenirajućem tunelskom mikroskopu (STM), mogu se posmatrati pojedinačni atomi. Postoje i poznate metode koje koriste mikroskop atomske sile (AFM-), koji vam omogućava da precizno pomerate pojedinačne atome i kombinujete ih u sisteme tzv. nanostrukture. Efekat kompresije ima i praktične implikacije. Ovo moramo uzeti u obzir pri odabiru količine određenih tekućina potrebnih za dobivanje mješavine potrebne zapremine. Morate to uzeti u obzir, uklj. u proizvodnji votke, koje su, kao što znate, mješavine uglavnom etil alkohola (alkohola) i vode, budući da će volumen rezultirajućeg pića biti manji od zbira zapremina sastojaka.