Askel kohti nanoteknologiaa

Tuhansia vuosia sitten ihmiset ihmettelivät, mistä ympäröivät ruumiit on tehty. Vastaukset vaihtelivat. Muinaisessa Kreikassa tiedemiehet ilmaisivat mielipiteen, että kaikki kehot koostuvat pienistä jakamattomista elementeistä, joita he kutsuivat atomeiksi. Kuinka vähän, he eivät voineet tarkentaa. Useiden vuosisatojen ajan kreikkalaisten näkemykset pysyivät vain hypoteeseina. Ne palautettiin heille XNUMX-luvulla, kun suoritettiin kokeita molekyylien ja atomien koon arvioimiseksi.

Yksi historiallisesti merkittävistä kokeista, joka mahdollisti hiukkaskokojen laskemisen, suoritettiin Englantilainen tiedemies Lord Rayleigh. Koska se on yksinkertainen suorittaa ja samalla erittäin vakuuttava, yritetään toistaa se kotona. Sitten siirrymme kahteen muuhun kokeeseen, joiden avulla voimme oppia joitain molekyylien ominaisuuksia.

Mitkä ovat hiukkaskoot?

Riisi. 1. Menetelmä ruiskun valmistamiseksi uutetussa bensiinissä olevan öljyliuoksen laittamiseksi siihen; p - poksyliini,

c - ruisku

Yritetään vastata tähän kysymykseen suorittamalla seuraava koe. 2 cm ruiskusta³ irrota mäntä ja sulje sen ulostulo Poxiliinilla niin, että se täyttää kokonaan neulan työntämistä varten tarkoitetun ulostuloputken (kuva 1). Odotamme muutaman minuutin, kunnes Poxilina kovettuu. Kun näin tapahtuu, kaada ruiskuun noin 0,2 cm³ ruokaöljyä ja kirjaa tämä arvo ylös. Tämä on käytetty öljymäärä._o. Täytä loput ruiskusta bensiinillä. Sekoita molempia nesteitä langalla, kunnes saadaan homogeeninen liuos, ja kiinnitä ruisku pystysuoraan mihin tahansa pidikkeeseen.

Kaada sitten lämmintä vettä altaaseen niin, että sen syvyys on 0,5-1 cm Käytä lämmintä vettä, mutta ei kuumaa, jotta nouseva höyry ei näy. Vedämme paperinauhaa veden pintaa pitkin useita kertoja tangentiaalisesti siihen puhdistaaksemme pinnan satunnaisesta siitepölystä.

Keräämme tiputtimeen hieman öljyn ja bensiinin seosta ja ajamme tiputtimen astian keskustan läpi vedellä. Painamalla pyyhekumia kevyesti pudotamme mahdollisimman pienen pisaran veden pinnalle. Pisara öljyn ja bensiinin seosta leviää laajasti kaikkiin suuntiin veden pinnalla ja muodostaa erittäin ohuen kerroksen, jonka paksuus vastaa yhtä hiukkashalkaisijaa edullisimmissa olosuhteissa - ns. yksimolekyylinen kerros. Jonkin ajan kuluttua, yleensä muutaman minuutin kuluttua, bensiini haihtuu (mitä kiihdyttää veden lämpötilan nousu), jolloin pinnalle jää yksimolekyylinen öljykerros (kuva 2). Tuloksena oleva kerros on useimmiten ympyrän muotoinen, jonka halkaisija on useita senttejä tai enemmän.

Riisi. 2. Yksimolekyylinen öljykerros veden pinnalla

m – lantio, c – vesi, o – öljy, D – muodostuman halkaisija, d – muodostuman paksuus

(öljyhiukkaskoko)

Valaisimme veden pinnan kohdistamalla valonsäteen taskulampusta vinottain siihen. Tästä johtuen kerroksen rajat näkyvät paremmin. Voimme helposti määrittää sen likimääräisen halkaisijan D viivaimella, joka pidetään juuri vedenpinnan yläpuolella. Kun tiedämme tämän halkaisijan, voimme laskea kerroksen S pinta-alan käyttämällä ympyrän pinta-alan kaavaa:

Jos tietäisimme, mikä on öljyn tilavuus V₁ pudotetun pisaran sisällä, niin öljymolekyylin halkaisija d voidaan helposti laskea olettaen, että öljy sulasi ja muodosti kerroksen, jonka pinta on S, eli:

Kaavojen (1) ja (2) vertailun ja yksinkertaisen muunnoksen jälkeen saamme kaavan, jonka avulla voimme laskea öljyhiukkasen koon:

Helpoin, mutta ei tarkin tapa määrittää äänenvoimakkuus V₁ on tarkistaa, kuinka monta tippaa voidaan saada ruiskussa olevan seoksen kokonaistilavuudesta ja jakaa käytetyn öljyn tilavuus Vo tällä numerolla. Tätä varten keräämme seoksen pipettiin ja luomme pisaroita yrittäen tehdä niistä samankokoisia kuin silloin, kun ne pudotetaan veden pinnalle. Teemme tätä, kunnes koko seos on loppunut.

Tarkempi, mutta aikaa vievämpi menetelmä on pudottaa toistuvasti tippa öljyä veden pinnalle, saada yksimolekyylinen öljykerros ja mitata sen halkaisija. Tietenkin ennen jokaisen kerroksen valmistamista aiemmin käytetty vesi ja öljy on kaadettava altaalta ja kaadettava puhtaaksi. Saaduista mittauksista lasketaan aritmeettinen keskiarvo.

Korvaa saadut arvot kaavaan (3), älä unohda muuntaa yksiköitä ja ilmaista lauseke metreinä (m) ja V₁ kuutiometreissä (m³). Hanki hiukkaskoko metreinä. Tämä koko riippuu käytetyn öljyn tyypistä. Tulos voi olla virheellinen tehtyjen yksinkertaistavien oletusten vuoksi, erityisesti koska kerros ei ollut yksimolekyylinen ja pisaroiden koot eivät aina olleet samat. On helppo nähdä, että monomolekyylikerroksen puuttuminen johtaa d:n arvon yliarviointiin. Öljyhiukkasten tavanomaiset koot ovat alueella 10^-8-10^-9 m. Lohko 10^-9 m kutsutaan nanometri ja sitä käytetään usein kukoistavalla alalla, joka tunnetaan nimellä nanoteknologia.

"Katoava" nestemäärä

Riisi. 3. Nesteen kutistumisen testiastian rakenne;

g - läpinäkyvä muoviputki, p - poksyliini, l - viivain,

t - läpinäkyvä nauha

Seuraavat kaksi koetta antavat meille mahdollisuuden päätellä, että eri kappaleiden molekyyleillä on eri muotoja ja kokoja. Ensin leikkaa kaksi läpinäkyvää muoviputkea, molemmat sisähalkaisijaltaan 1-2 cm ja pituudeltaan 30 cm. Jokainen putken pala liimataan useilla teipillä erillisen viivaimen reunaan asteikkoa vastapäätä (kuva . 3). Sulje letkujen alapäät poksyliinitulpilla. Kiinnitä molemmat viivoittimet liimatuilla letkuilla pystyasentoon. Kaada yhteen letkuun niin paljon vettä, että muodostuu noin puolet letkun pituudesta, esim. 14 cm. Kaada sama määrä etyylialkoholia toiseen koeputkeen.

Nyt kysymme, mikä on molempien nesteiden seoksen kolonnin korkeus? Yritetään saada vastaus niihin kokeellisesti. Kaada alkoholia vesiletkuun ja mittaa välittömästi nesteen ylätaso. Merkitsemme tämän tason vedenpitävällä merkillä letkuun. Sekoita sitten molemmat nesteet langalla ja tarkista taso uudelleen. Mitä me huomaamme? Osoittautuu, että tämä taso on laskenut, ts. seoksen tilavuus on pienempi kuin sen valmistukseen käytettyjen ainesosien tilavuuksien summa. Tätä ilmiötä kutsutaan nestetilavuuden supistumiseksi. Määrä vähenee yleensä muutaman prosentin.

Mallin selitys

Puristusvaikutuksen selittämiseksi teemme mallikokeen. Alkoholimolekyylejä tässä kokeessa edustavat herneenjyvät, ja vesimolekyylit ovat unikonsiemeniä. Kaada ensimmäiseen, kapeaan, läpinäkyvään astiaan, esimerkiksi korkeaan purkkiin, noin 0,4 m korkeat isojyväiset herneet. Kaada unikonsiemenet toiseen samankorkeaan astiaan (kuva 1a). Sitten kaadetaan unikonsiemenet astiaan herneiden kanssa ja mitataan viivaimella korkeus, johon jyvien ylätaso saavuttaa. Merkitsemme tämän tason tussilla tai farmaseuttisella kuminauhalla astiaan (kuva 1b). Sulje säiliö ja ravista sitä useita kertoja. Laitamme ne pystysuoraan ja tarkistamme, mihin korkeuteen viljaseoksen ylätaso nyt saavuttaa. Osoittautuu, että se on alhaisempi kuin ennen sekoittamista (kuva 1c).

Koe osoitti, että sekoittamisen jälkeen pienet unikonsiemenet täyttivät herneiden väliset vapaat tilat, minkä seurauksena seoksen viemä kokonaistilavuus pieneni. Samanlainen tilanne syntyy, kun vettä sekoitetaan alkoholin ja joidenkin muiden nesteiden kanssa. Niiden molekyylejä on kaikenkokoisia ja -muotoisia. Tämän seurauksena pienemmät hiukkaset täyttävät suurempien hiukkasten väliset raot ja nesteen tilavuus pienenee.

Kuva 1. Puristusmallin tutkimuksen seuraavat vaiheet:

a) pavut ja unikonsiemenet erillisissä astioissa,

b) jyvät varistamisen jälkeen, c) jyvien tilavuuden pienentäminen sekoittamisen jälkeen

Nykyajan vaikutukset

Nykyään tiedetään hyvin, että kaikki ympärillämme olevat kehot koostuvat molekyyleistä, ja ne puolestaan ​​koostuvat atomeista. Sekä molekyylit että atomit ovat jatkuvassa satunnaisessa liikkeessä, jonka nopeus riippuu lämpötilasta. Nykyaikaisten mikroskooppien, erityisesti pyyhkäisytunnelimikroskoopin (STM) ansiosta yksittäisiä atomeja voidaan tarkkailla. Tunnetaan myös menetelmiä, joissa käytetään atomivoimamikroskooppia (AFM-), jonka avulla voit siirtää yksittäisiä atomeja tarkasti ja yhdistää ne järjestelmiksi ns. nanorakenteita. Puristusvaikutuksella on myös käytännön vaikutuksia. Meidän on otettava tämä huomioon valittaessa tiettyjen nesteiden määrää, joka tarvitaan vaaditun tilavuuden seoksen saamiseksi. Sinun tulee ottaa se huomioon, mm. vodkojen valmistuksessa, jotka, kuten tiedätte, ovat pääasiassa etyylialkoholin (alkoholin) ja veden seoksia, koska tuloksena olevan juoman tilavuus on pienempi kuin ainesosien tilavuuksien summa.