Solis uz nanotehnoloģiju

Pirms tūkstošiem gadu cilvēki domāja, no kā ir izgatavoti apkārtējie ķermeņi. Atbildes bija dažādas. Senajā Grieķijā zinātnieki pauda uzskatu, ka visi ķermeņi sastāv no maziem nedalāmiem elementiem, kurus viņi sauca par atomiem. Cik maz, viņi nevarēja precizēt. Vairākus gadsimtus grieķu uzskati palika tikai hipotēzes. Viņi viņiem tika atgriezti XNUMX gadsimtā, kad tika veikti eksperimenti, lai novērtētu molekulu un atomu izmērus.

Tika veikts viens no vēsturiski nozīmīgajiem eksperimentiem, kas ļāva aprēķināt daļiņu izmērus Angļu zinātnieks Lords Reilijs. Tā kā tas ir vienkārši izpildāms un tajā pašā laikā ļoti pārliecinošs, mēģināsim to atkārtot mājās. Tad mēs pievēršamies diviem citiem eksperimentiem, kas ļaus mums uzzināt dažas molekulu īpašības.

Kādi ir daļiņu izmēri?

Rīsi. 1. Metode šļirces pagatavošanai, lai tajā ievietotu eļļas šķīdumu ekstrahētā benzīnā; p - poksilīns,

c - šļirce

Mēģināsim atbildēt uz šo jautājumu, veicot šādu eksperimentu. No 2 cm šļirces³ noņemiet virzuli un noslēdziet tā izvadu ar Poxiline, lai tas pilnībā aizpildītu adatas ievietošanai paredzēto izplūdes cauruli (1. att.). Mēs gaidām dažas minūtes, līdz Poxilina sacietē. Kad tas notiek, ielejiet šļircē apmēram 0,2 cm³ pārtikas eļļu un pierakstiet šo vērtību. Tas ir izmantotās eļļas daudzums._o. Piepildiet atlikušo šļirces tilpumu ar benzīnu. Abus šķidrumus sajauciet ar stiepli, līdz tiek iegūts viendabīgs šķīdums, un nofiksējiet šļirci vertikāli jebkurā turētājā.

Pēc tam ielejiet baseinā siltu ūdeni, lai tā dziļums būtu 0,5-1 cm. Izmantojiet siltu ūdeni, bet ne karstu, lai nevarētu redzēt augošos tvaikus. Mēs vairākas reizes velkam papīra sloksni pa ūdens virsmu tangenciāli tai, lai notīrītu virsmu no nejaušiem ziedputekšņiem.

Mēs savācam pilinātājā nedaudz eļļas un benzīna maisījuma un izvadām pilinātāju caur trauka centru ar ūdeni. Uzmanīgi nospiežot uz dzēšgumijas, pēc iespējas mazāku pilienu pilinām uz ūdens virsmas. Eļļas un benzīna maisījuma piliens plaši izkliedēsies visos virzienos pa ūdens virsmu un veidos ļoti plānu kārtiņu, kuras biezums ir vienāds ar vienas daļiņas diametru vislabvēlīgākajos apstākļos - t.s. monomolekulārais slānis. Pēc kāda laika, parasti pēc dažām minūtēm, benzīns iztvaiko (to paātrina ūdens temperatūras paaugstināšanās), atstājot uz virsmas monomolekulāru eļļas slāni (2. att.). Iegūtais slānis visbiežāk ir apļa forma, kura diametrs ir vairāki centimetri vai vairāk.

Rīsi. 2. Monomolekulārais eļļas slānis uz ūdens virsmas

m – iegurnis, c – ūdens, o – eļļa, D – veidojuma diametrs, d – veidojuma biezums

(eļļas daļiņu izmērs)

Izgaismojam ūdens virsmu, pa diagonāli uz to vēršot lukturīša gaismas staru. Pateicoties tam, slāņa robežas ir redzamākas. Mēs varam viegli noteikt tā aptuveno diametru D no lineāla, kas atrodas tieši virs ūdens virsmas. Zinot šo diametru, mēs varam aprēķināt slāņa S laukumu, izmantojot apļa laukuma formulu:

Ja mēs zinātu, kāds ir eļļas tilpums V₁ ko satur nomestais piliens, tad eļļas molekulas diametru d varēja viegli aprēķināt, pieņemot, ka eļļa izkusa un izveidoja slāni ar virsmu S, t.i.:

Pēc formulu (1) un (2) salīdzināšanas un vienkāršas pārveidošanas mēs iegūstam formulu, kas ļauj aprēķināt eļļas daļiņas izmēru:

Vienkāršākais, bet ne precīzākais veids, kā noteikt skaļumu V₁ ir pārbaudīt, cik pilienu var iegūt no kopējā maisījuma tilpuma, kas atrodas šļircē, un dalīt izmantotās eļļas Vo tilpumu ar šo skaitli. Lai to izdarītu, mēs savācam maisījumu pipetē un izveidojam pilienus, cenšoties padarīt tos tāda paša izmēra kā tad, kad tie tiek pilināti uz ūdens virsmas. Mēs to darām, līdz viss maisījums ir izsmelts.

Precīzāka, bet laikietilpīgāka metode ir atkārtoti pilināt eļļas pilienu uz ūdens virsmas, iegūt monomolekulāro eļļas slāni un izmērīt tā diametru. Protams, pirms katras kārtas veidošanas no baseina jāizlej iepriekš izlietotais ūdens un eļļa un jāizlej tīri. No iegūtajiem mērījumiem aprēķina vidējo aritmētisko.

Aizvietojot iegūtās vērtības formulā (3), neaizmirstiet konvertēt vienības un izteikt izteiksmi metros (m) un V₁ kubikmetros (m³). Iegūstiet daļiņu izmēru metros. Šis izmērs būs atkarīgs no izmantotās eļļas veida. Rezultāts var būt kļūdains izdarīto vienkāršojošo pieņēmumu dēļ, jo īpaši tāpēc, ka slānis nebija monomolekulārs un pilienu izmēri ne vienmēr bija vienādi. Ir viegli redzēt, ka monomolekulāra slāņa neesamības dēļ d vērtība tiek pārvērtēta. Parastie eļļas daļiņu izmēri ir robežās no 10^-8-10^-9 m. 10. bloks^-9 m sauc nanometrs un to bieži izmanto plaukstošajā jomā, kas pazīstama kā nanotehnoloģijas.

"Pazūdošs" šķidruma tilpums

Rīsi. 3. Šķidruma saraušanās testa tvertnes konstrukcija;

g - caurspīdīga, plastmasas caurule, p - poksilīns, l - lineāls,

t - caurspīdīga lente

Sekojošie divi eksperimenti ļaus secināt, ka dažādu ķermeņu molekulām ir dažādas formas un izmēri. Lai veiktu pirmo, izgrieziet divus caurspīdīgas plastmasas caurules gabalus, abus 1-2 cm iekšējo diametru un 30 cm garus. Katrs caurules gabals ir pielīmēts ar vairākiem līmlentes gabaliņiem pie atsevišķa lineāla malas, kas atrodas pretī skalai (att. . 3). Aizveriet šļūteņu apakšējos galus ar poksilīna aizbāžņiem. Piestipriniet abus lineālus ar līmētām šļūtenēm vertikālā stāvoklī. Vienā no šļūtenēm ielejiet tik daudz ūdens, lai izveidotu kolonnu apmēram pusi no šļūtenes garuma, piemēram, 14 cm. Otrajā mēģenē ielejiet tādu pašu daudzumu etilspirta.

Tagad jautājam, kāds būs abu šķidrumu maisījuma kolonnas augstums? Mēģināsim uz tiem iegūt atbildi eksperimentāli. Ielejiet spirtu ūdens šļūtenē un nekavējoties izmēriet šķidruma augšējo līmeni. Mēs atzīmējam šo līmeni ar ūdensnecaurlaidīgu marķieri uz šļūtenes. Pēc tam sajauciet abus šķidrumus ar stiepli un vēlreiz pārbaudiet līmeni. Ko mēs pamanām? Izrādās, ka šis līmenis ir samazinājies, t.i. maisījuma tilpums ir mazāks par tā ražošanā izmantoto sastāvdaļu tilpumu summu. Šo parādību sauc par šķidruma tilpuma samazināšanos. Apjoma samazinājums parasti ir daži procenti.

Modeļa skaidrojums

Lai izskaidrotu saspiešanas efektu, mēs veiksim modeļa eksperimentu. Alkohola molekulas šajā eksperimentā attēlos zirņu graudi, bet ūdens molekulas būs magoņu sēklas. Pirmajā, šaurajā, caurspīdīgajā traukā, piemēram, augstā burkā, ieber aptuveni 0,4 m augstus lielgraudu zirņus.Otrajā tāda paša augstuma traukā ieber magoņu sēklas (foto 1a). Pēc tam magoņu sēklas ieberam traukā ar zirņiem un ar lineālu izmērām augstumu, līdz kuram sasniedz augšējais graudu līmenis. Mēs atzīmējam šo līmeni ar marķieri vai farmaceitisko gumijas joslu uz trauka (foto 1b). Aizveriet trauku un vairākas reizes sakratiet. Noliekam tos vertikāli un pārbaudām, kādu augstumu tagad sasniedz graudu maisījuma augšējais līmenis. Izrādās, ka tas ir zemāks nekā pirms sajaukšanas (foto 1c).

Eksperiments parādīja, ka pēc sajaukšanas mazās magoņu sēklas aizpildīja brīvās vietas starp zirņiem, kā rezultātā kopējais maisījuma aizņemtais tilpums samazinājās. Līdzīga situācija rodas, sajaucot ūdeni ar spirtu un dažiem citiem šķidrumiem. Viņu molekulām ir visu izmēru un formu. Rezultātā mazākas daļiņas aizpilda spraugas starp lielākām daļiņām, un šķidruma tilpums tiek samazināts.

Foto 1. Sekojošie kompresijas modeļa izpētes posmi:

a) pupiņas un magoņu sēklas atsevišķos traukos,

b) graudus pēc izbiršanas, c) graudu tilpuma samazināšanos pēc sajaukšanas

Mūsdienu sekas

Mūsdienās ir labi zināms, ka visi ķermeņi mums apkārt sastāv no molekulām, bet tie, savukārt, sastāv no atomiem. Gan molekulas, gan atomi atrodas pastāvīgā nejaušā kustībā, kuras ātrums ir atkarīgs no temperatūras. Pateicoties mūsdienu mikroskopiem, īpaši skenējošajam tuneļa mikroskopam (STM), var novērot atsevišķus atomus. Ir zināmas arī metodes, kurās tiek izmantots atomspēka mikroskops (AFM-), kas ļauj precīzi pārvietot atsevišķus atomus un apvienot tos sistēmās, t.s. nanostruktūras. Kompresijas efektam ir arī praktiska nozīme. Mums tas ir jāņem vērā, izvēloties noteiktu šķidrumu daudzumu, kas nepieciešams, lai iegūtu vajadzīgā tilpuma maisījumu. Ar to jārēķinās, t.sk. degvīnu ražošanā, kas, kā zināms, ir galvenokārt etilspirta (spirta) un ūdens maisījumi, jo iegūtā dzēriena tilpums būs mazāks par sastāvdaļu tilpumu summu.