Korak prema nanotehnologiji

Prije nekoliko tisuća godina ljudi su se pitali od čega su sastavljena okolna tijela. Odgovori su bili različiti. U staroj Grčkoj znanstvenici su izrazili mišljenje da su sva tijela sastavljena od malih nedjeljivih elemenata, koje su nazivali atomima. Koliko malo, nisu mogli precizirati. Nekoliko stoljeća su pogledi Grka ostali samo hipoteze. Vraćeni su im u XNUMX. stoljeću, kada su provedeni pokusi za procjenu veličine molekula i atoma.

Proveden je jedan od povijesno značajnih pokusa koji je omogućio izračunavanje veličina čestica engleski znanstvenik Lord Rayleigh. Budući da je jednostavan za izvedbu, a ujedno vrlo uvjerljiv, pokušajmo ga ponoviti kod kuće. Zatim se okrećemo još dvama pokusima koji će nam omogućiti da naučimo neka svojstva molekula.

Koje su veličine čestica?

Riža. 1. Metoda pripreme štrcaljke za stavljanje otopine ulja u ekstrahiranom benzinu u nju; p - poksilin,

c - štrcaljka

Pokušajmo odgovoriti na ovo pitanje provodeći sljedeći eksperiment. Iz šprice od 2 cm³ izvadite klip i zatvorite njegov izlaz poksilinom tako da potpuno ispuni izlaznu cijev namijenjenu za umetanje igle (slika 1). Čekamo nekoliko minuta dok se Poxilina ne stvrdne. Kada se to dogodi, ulijte u špricu oko 0,2 cm³ jestivo ulje i zabilježite ovu vrijednost. Ovo je količina utrošenog ulja._o. Preostali volumen štrcaljke napunite benzinom. Pomiješajte obje tekućine žicom dok se ne dobije homogena otopina i učvrstite špricu okomito u bilo koji držač.

Zatim u umivaonik ulijte toplu vodu tako da joj dubina bude 0,5-1 cm. Koristite toplu vodu, ali ne vruću, kako se para ne bi mogla vidjeti. Papirnatu traku povlačimo po površini vode nekoliko puta tangencijalno na nju da očistimo površinu od nasumične peludi.

U kapaljku skupimo malo mješavine ulja i benzina i probijemo kapaljku kroz središte posude s vodom. Laganim pritiskom na gumicu ispuštamo što manju kapljicu na površinu vode. Kap mješavine ulja i benzina širit će se u svim smjerovima po površini vode i u najpovoljnijim uvjetima formirati vrlo tanak sloj debljine jednog promjera 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). Rezultirajući sloj najčešće ima oblik kruga promjera nekoliko centimetara ili više.

Riža. 2. Monomolekularni sloj ulja na površini vode

m – zdjelica, c – voda, o – ulje, D – promjer formacije, d – debljina formacije

(veličina čestica ulja)

Vodenu površinu osvjetljavamo usmjeravajući snop svjetla iz svjetiljke dijagonalno na nju. Zbog toga su granice sloja vidljivije. Njegov približni promjer 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 koliki je volumen ulja V₁ sadržano u ispuštenoj kapi, tada bi se promjer molekule ulja d mogao lako izračunati, uz pretpostavku da se ulje otopilo i stvorilo sloj površine S, tj.:

Nakon usporedbe formula (1) i (2) i jednostavne transformacije, dobivamo formulu koja nam omogućuje izračunavanje veličine čestice ulja:

Najlakši, ali ne i najtočniji način za određivanje volumena V₁ je provjeriti koliko se kapi može dobiti od ukupnog volumena smjese sadržane u štrcaljki 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 kad se ispuste na površinu vode. To radimo dok se cijela smjesa ne iscrpi.

Točnija, 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 dobivenih mjerenja izračunava se aritmetička sredina.

Zamjenom dobivenih vrijednosti u formulu (3), ne zaboravite pretvoriti jedinice i izraziti izraz u metrima (m) i V₁ u kubičnim metrima (m³). Dobijte veličinu čestice u metrima. Ova veličina ovisi o vrsti ulja koje se koristi. Rezultat može biti pogrešan zbog pojednostavljenih pretpostavki, posebice zato što sloj nije bio monomolekularan i što veličine kapljica nisu uvijek bile iste. Lako je vidjeti da odsutnost 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 u polju koje je u procvatu poznatom kao nanotehnologija.

"Nestaje" volumen tekućine

Riža. 3. Dizajn posude za ispitivanje skupljanja tekućine;

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

t - prozirna traka

Sljedeća dva pokusa omogućit će nam da zaključimo da molekule različitih tijela imaju različite oblike i veličine. Da biste napravili prvi, izrežite dva komada prozirne plastične cijevi, oba unutarnjeg promjera 1-2 cm i duljine 30 cm. Svaki komad cijevi je zalijepljen s nekoliko komada ljepljive trake na rub zasebnog ravnala nasuprot mjerilu (Sl. . 3). Zatvorite donje krajeve crijeva poksilinskim čepovima. Učvrstite oba ravnala zalijepljenim crijevima u okomitom položaju. U jedno od crijeva ulijte toliko vode da se napravi stupić otprilike polovice duljine crijeva, recimo 14 cm.U drugu epruvetu ulijte istu količinu etilnog alkohola.

Sada pitamo, kolika će biti visina stupca mješavine obiju tekućina? Pokušajmo eksperimentalno dobiti odgovor na njih. Ulijte alkohol u crijevo za vodu i odmah izmjerite gornju razinu tekućine. Ovu razinu označavamo vodootpornim markerom na crijevu. Zatim pomiješajte obje tekućine žicom i ponovno provjerite razinu. Što primjećujemo? Ispada da se ta razina smanjila, t.j. volumen smjese manji je od zbroja volumena sastojaka koji se koriste za njezinu proizvodnju. Taj se fenomen naziva kontrakcija volumena tekućine. Smanjenje volumena je obično nekoliko postotaka.

Objašnjenje modela

Kako bismo objasnili učinak kompresije, provest ćemo modelski eksperiment. Molekule alkohola u ovom eksperimentu bit će predstavljene zrncima graška, a molekule vode bit će sjemenke maka. U prvu, usku, prozirnu posudu, na primjer visoku teglu, usuti grašak krupnog zrna visine oko 0,4 m. U drugu istu posudu iste visine (slika 1a) sipajte mak. Zatim u posudu s graškom ulijemo mak i ravnalom izmjerimo visinu do koje doseže gornja razina zrna. Ovu razinu označavamo markerom ili farmaceutskom gumicom na posudi (slika 1b). Zatvorite posudu i nekoliko puta je protresite. Postavljamo ih okomito i provjeravamo do koje visine sada doseže gornja razina smjese zrna. Ispada da je niža nego prije miješanja (fotografija 1c).

Eksperiment je pokazao da nakon miješanja male makove sjemenke ispunjavaju slobodne prostore između graška, uslijed čega se smanjuje ukupni volumen koji smjesa zauzima. Slična situacija se događa i kod miješanja vode s alkoholom i nekim drugim tekućinama. Njihove molekule dolaze u svim veličinama i oblicima. Kao rezultat toga, manje čestice popunjavaju praznine između većih čestica i volumen tekućine se smanjuje.

Fotografija 1. Sljedeće faze proučavanja modela kompresije:

a) grah i mak u odvojenim posudama,

b) zrna nakon osipanja, c) smanjenje volumena zrna nakon miješanja

Moderne implikacije

Danas je dobro poznato da su sva tijela oko nas sastavljena od molekula, a ona su pak od atoma. I molekule i atomi su u stalnom nasumičnom gibanju, čija brzina ovisi o temperaturi. Zahvaljujući modernim mikroskopima, posebno skenirajućem tunelskom mikroskopu (STM), mogu se promatrati pojedinačni atomi. Također su poznate metode koje koriste mikroskop atomske sile (AFM-), koji vam omogućuje precizno pomicanje pojedinačnih atoma i njihovo kombiniranje u sustave tzv. nanostrukture. Učinak kompresije također ima praktične posljedice. To moramo uzeti u obzir pri odabiru količine određenih tekućina potrebnih za dobivanje mješavine potrebnog volumena. Morate to uzeti u obzir, uklj. u proizvodnji votke, koje su, kao što znate, mješavine uglavnom etilnog alkohola (alkohola) i vode, budući da će volumen dobivenog pića biti manji od zbroja volumena sastojaka.