Samm nanotehnoloogia poole

Tuhandeid aastaid tagasi imestasid inimesed, millest on valmistatud ümbritsevad kehad. Vastused olid erinevad. Vana-Kreekas avaldasid teadlased arvamust, et kõik kehad koosnevad väikestest jagamatutest elementidest, mida nad nimetasid aatomiteks. Kui vähe, ei osanud nad täpsustada. Kreeklaste vaated jäid mitmeks sajandiks vaid hüpoteesideks. Nad tagastati neile XNUMX sajandil, kui viidi läbi katseid molekulide ja aatomite suuruse hindamiseks.

Viidi läbi üks ajalooliselt oluline katse, mis võimaldas arvutada osakeste suurusi Inglise teadlane Lord Rayleigh. Kuna seda on lihtne teostada ja samas väga veenev, proovime seda kodus korrata. Seejärel pöördume kahe teise katse juurde, mis võimaldavad meil õppida mõningaid molekulide omadusi.

Millised on osakeste suurused?

Riis. 1. Meetod süstla valmistamiseks ekstraheeritud bensiinis oleva õlilahuse sisestamiseks; p-poksüliin,

c - süstal

Proovime sellele küsimusele vastata järgmise katsega. 2 cm süstlast³ eemaldage kolb ja sulgege selle väljalaskeava Poxiliiniga nii, et see täidaks täielikult nõela sisestamiseks mõeldud väljalasketoru (joonis 1). Ootame paar minutit, kuni Poxilina kõveneb. Kui see juhtub, valage süstlasse umbes 0,2 cm³ toiduõli ja registreerige see väärtus. See on kasutatud õli kogus._o. Täitke ülejäänud süstla maht bensiiniga. Segage mõlemat vedelikku traadiga kuni homogeense lahuse saamiseni ja kinnitage süstal vertikaalselt mis tahes hoidikusse.

Seejärel valage basseini sooja vett, nii et selle sügavus oleks 0,5-1 cm. Kasutage sooja vett, kuid mitte kuuma, et tõusev aur ei oleks näha. Lohistame pabeririba mööda veepinda mitu korda tangentsiaalselt, et puhastada pind juhuslikust õietolmust.

Kogume tilgutisse veidi õli ja bensiini segu ning juhime tilguti veega läbi anuma keskosa. Vajutades õrnalt kustutuskummi, tilgutame võimalikult väikese tilga veepinnale. Nafta ja bensiini segu tilk levib laialt igas suunas üle veepinna ja moodustab kõige soodsamatel tingimustel väga õhukese kihi, mille paksus on võrdne ühe osakese läbimõõduga - nn. monomolekulaarne kiht. Mõne aja pärast, tavaliselt mõne minuti pärast, bensiin aurustub (mida kiirendab vee temperatuuri tõus), jättes pinnale monomolekulaarse õlikihi (joonis 2). Saadud kiht on enamasti ringikujuline, mille läbimõõt on mitu sentimeetrit või rohkem.

Riis. 2. Monomolekulaarne õlikiht veepinnal

m – vaagen, c – vesi, o – õli, D – moodustumise läbimõõt, d – moodustumise paksus

(õliosakeste suurus)

Valgustame veepinda, juhtides sellele diagonaalselt taskulambi valgusvihu. Tänu sellele on kihi piirid paremini nähtavad. Selle ligikaudse läbimõõdu D saame hõlpsasti määrata veepinna kohal asuva joonlaua järgi. Teades seda läbimõõtu, saame arvutada kihi S pindala, kasutades ringi pindala valemit:

Kui me teaksime, milline on õli maht V₁ langenud tilgas sisalduv, siis saab õlimolekuli d läbimõõdu kergesti välja arvutada, eeldades, et õli sulas ja moodustas kihi pinnaga S, st:

Pärast valemite (1) ja (2) võrdlemist ning lihtsat teisendust saame valemi, mis võimaldab arvutada õliosakese suuruse:

Lihtsaim, kuid mitte kõige täpsem viis helitugevuse V määramiseks₁ on kontrollida, mitu tilka on võimalik saada süstlas oleva segu kogumahust ja jagada kasutatud õli maht Vo selle arvuga. Selleks kogume segu pipetti ja tekitame tilgad, püüdes muuta need sama suureks kui veepinnale tilgutades. Teeme seda seni, kuni kogu segu on ammendatud.

Täpsem, kuid aeganõudvam meetod on tilk õli korduvalt veepinnale, saada monomolekulaarne õlikiht ja mõõta selle läbimõõt. Loomulikult tuleb enne iga kihi tegemist eelnevalt kasutatud vesi ja õli basseinist välja valada ning puhtaks valada. Saadud mõõtmiste põhjal arvutatakse aritmeetiline keskmine.

Asendades saadud väärtused valemiga (3), ärge unustage ühikuid teisendada ja väljendada avaldist meetrites (m) ja V₁ kuupmeetrites (m³). Hankige osakeste suurus meetrites. See suurus sõltub kasutatava õli tüübist. Tulemus võib olla ekslik tehtud lihtsustavate eelduste tõttu, eelkõige seetõttu, et kiht ei olnud monomolekulaarne ja tilkade suurused ei olnud alati ühesugused. On lihtne näha, et monomolekulaarse kihi puudumine viib d väärtuse ülehindamiseni.Tavalised õliosakeste suurused jäävad vahemikku 10^-8-10^-9 m Plokk 10^-9 m kutsutakse nanomeeter ja seda kasutatakse sageli õitsevas valdkonnas nanotehnoloogia.

"Kaduv" vedeliku maht

Riis. 3. Vedeliku kokkutõmbumise katseanuma konstruktsioon;

g - läbipaistev plasttoru, p - poksüliin, l - joonlaud,

t - läbipaistev lint

Järgmised kaks katset võimaldavad meil järeldada, et erinevate kehade molekulid on erineva kuju ja suurusega. Esimeseks tegemiseks lõigake läbipaistvast plasttorust kaks tükki, mõlemad 1-2 cm siseläbimõõduga ja 30 cm pikkused. Iga torutükk liimitakse mitme kleeplindi tükiga eraldi joonlaua skaala vastas olevale servale (joon. . 3). Sulgege voolikute alumised otsad poksülliini pistikutega. Kinnitage mõlemad joonlauad liimitud voolikutega vertikaalsesse asendisse. Valage ühte voolikusse nii palju vett, et tekiks umbes poole vooliku pikkusest kolonn, näiteks 14 cm. Valage teise katseklaasi sama kogus etüülalkoholi.

Nüüd küsime, milline saab olema mõlema vedeliku segu kolonni kõrgus? Proovime neile eksperimentaalselt vastust saada. Valage veevoolikusse alkohol ja mõõtke kohe vedeliku ülemine tase. Märgime selle taseme voolikule veekindla markeriga. Seejärel segage mõlemad vedelikud traadiga ja kontrollige uuesti taset. Mida me märkame? Selgub, et see tase on langenud, st. segu maht on väiksem kui selle valmistamiseks kasutatud koostisosade mahtude summa. Seda nähtust nimetatakse vedeliku mahu kokkutõmbumiseks. Mahu vähenemine on tavaliselt paar protsenti.

Mudeli selgitus

Kompressiooniefekti selgitamiseks viime läbi mudelkatse. Alkoholimolekule esindavad selles katses herneterad ja veemolekulid on mooniseemned. Esimesse kitsasse läbipaistvasse nõusse, näiteks kõrgesse purki, vala umbes 0,4 m kõrgused suureteralised herned.Teise samasse, sama kõrgusesse anumasse kalla mooniseemned (foto 1a). Seejärel valame mooniseemned hernestega anumasse ja mõõdame joonlauaga kõrgust, milleni terade ülemine tase ulatub. Märgistame selle taseme anuma markeri või farmatseutilise kummipaelaga (foto 1b). Sulgege anum ja loksutage seda mitu korda. Asetame need vertikaalselt ja kontrollime, millise kõrguseni teraviljasegu ülemine tase nüüd ulatub. Selgub, et see on madalam kui enne segamist (foto 1c).

Katse näitas, et pärast segamist täitsid väikesed mooniseemned hernestevahelised vabad ruumid, mille tulemusena vähenes segu kogumaht. Sarnane olukord tekib ka vee segamisel alkoholi ja mõne muu vedelikuga. Nende molekule on igasuguse suuruse ja kujuga. Selle tulemusena täidavad väiksemad osakesed suuremate osakeste vahelised tühimikud ja vedeliku maht väheneb.

Foto 1. Tihendusmudeli uurimise järgmised etapid:

a) oad ja mooniseemned eraldi anumates,

b) terad pärast pudenemist, c) terade mahu vähendamine pärast segamist

Kaasaegsed tagajärjed

Tänapäeval on hästi teada, et kõik meid ümbritsevad kehad koosnevad molekulidest ja need omakorda aatomitest. Nii molekulid kui aatomid on pidevas juhuslikus liikumises, mille kiirus sõltub temperatuurist. Tänu kaasaegsetele mikroskoopidele, eriti skaneerivale tunnelimikroskoobile (STM), saab jälgida üksikuid aatomeid. Tuntud on ka meetodeid, mis kasutavad aatomjõumikroskoopi (AFM-), mis võimaldab üksikuid aatomeid täpselt liigutada ja kombineerida süsteemideks nn. nanostruktuurid. Kompressiooniefektil on ka praktiline tähendus. Peame seda arvesse võtma, kui valime teatud vedelike koguse, mis on vajalik vajaliku mahuga segu saamiseks. Peate sellega arvestama, sh. viinade tootmisel, mis, nagu teate, on peamiselt etüülalkoholi (alkoholi) ja vee segud, kuna saadud joogi maht on väiksem kui koostisosade mahtude summa.