Стъпка към нанотехнологиите

Преди хиляди години хората са се чудили от какво са направени телата около тях. Отговорите бяха различни. В древна Гърция учените изразиха мнение, че всички тела са изградени от малки неделими елементи, които те нарекоха атоми. Колко малко, не можаха да уточнят. В продължение на няколко века възгледите на гърците остават само хипотези. Те са им върнати през XNUMX век, когато са проведени експерименти за оценка на размера на молекулите и атомите.

Беше проведен един от исторически значимите експерименти, който направи възможно изчисляването на размерите на частиците Английски учен лорд Рейли. Тъй като е прост за изпълнение и в същото време много убедителен, нека се опитаме да го повторим у дома. След това се обръщаме към два други експеримента, които ще ни позволят да научим някои от свойствата на молекулите.

Какви са размерите на частиците?

Ориз. 1. Метод за приготвяне на спринцовка за поставяне на разтвор на масло в екстрахиран бензин в нея; p - поксилин,

c - спринцовка

Нека се опитаме да отговорим на този въпрос, като проведем следния експеримент. От спринцовка 2 см³ извадете буталото и запечатайте изхода му с Poxiline, така че да запълни напълно изходната тръба, предназначена за поставяне на иглата (фиг. 1). Изчакваме няколко минути, докато Poxilina се втвърди. Когато това се случи, изсипете в спринцовката около 0,2 см³ хранително масло и запишете тази стойност. Това е количеството използвано масло._o. Напълнете останалия обем на спринцовката с бензин. Смесете двете течности с тел, докато се получи хомогенен разтвор и фиксирайте спринцовката вертикално във всеки държач.

След това налейте топла вода в легена, така че дълбочината му да е 0,5-1 см. Използвайте топла вода, но не гореща, за да не се вижда издигащата се пара. Плъзваме хартиена лента по повърхността на водата няколко пъти тангенциално към нея, за да почистим повърхността от произволен прашец.

Събираме малко смес от масло и бензин в капкомера и прокарваме капкомера през центъра на съда с вода. Внимателно натискайки гумата, пускаме възможно най-малка капка върху повърхността на водата. Капка смес от масло и бензин ще се разпространи широко във всички посоки по повърхността на водата и ще образува много тънък слой с дебелина, равна на един диаметър на частиците при най-благоприятни условия - т.нар. мономолекулен слой. След известно време, обикновено няколко минути, бензинът ще се изпари (което се ускорява от повишаването на температурата на водата), оставяйки мономолекулен маслен слой на повърхността (фиг. 2). Полученият слой най-често има формата на кръг с диаметър няколко сантиметра или повече.

Ориз. 2. Мономолекулен слой масло върху повърхността на водата

m – леген, c – вода, o – масло, D – диаметър на пласта, d – дебелина на пласта

(размер на маслените частици)

Осветяваме водната повърхност, като насочваме лъч светлина от фенерче диагонално върху нея. Поради това границите на слоя са по-видими. Лесно можем да определим неговия приблизителен диаметър D от линийка, държана точно над повърхността на водата. Знаейки този диаметър, можем да изчислим площта на слоя S, използвайки формулата за площта на кръг:

Ако знаехме какъв е обемът на маслото V₁ съдържаща се в пуснатата капка, тогава диаметърът на маслената молекула d може лесно да се изчисли, като се приеме, че маслото се стопи и образува слой с повърхност S, т.е.

След сравняване на формули (1) и (2) и проста трансформация получаваме формула, която ни позволява да изчислим размера на маслена частица:

Най-лесният, но не и най-точният начин за определяне на обема V₁ е да проверите колко капки могат да се получат от общия обем на сместа, съдържаща се в спринцовката, и да разделите обема на маслото Vo, използвано на това число. За да направите това, събираме сместа в пипета и създаваме капчици, като се опитваме да ги направим със същия размер, както при пускането им върху повърхността на водата. Правим това, докато се изчерпи цялата смес.

По-точен, но по-отнемащ време метод е многократно изпускане на капка масло върху повърхността на водата, получаване на мономолекулен слой масло и измерване на неговия диаметър. Разбира се, преди да се направи всеки слой, използваните преди това вода и олио трябва да се излеят от легена и да се излеят чисти. От получените измервания се изчислява средноаритметичната стойност.

Замествайки получените стойности във формула (3), не забравяйте да преобразувате мерните единици и да изразите израза в метри (m) и V₁ в кубични метри (м³). Вземете размера на частиците в метри. Този размер ще зависи от вида на използваното масло. Резултатът може да е погрешен поради направените опростяващи предположения, по-специално защото слоят не е мономолекулен и че размерите на капчиците не винаги са едни и същи. Лесно е да се види, че отсъствието на мономолекулен слой води до надценяване на стойността на d. Обичайните размери на маслените частици са в диапазона от 10^-8-10^-9 м. блок 10^-9 m се нарича нанометър и често се използва в процъфтяващото поле, известно като нанотехнологии.

"Изчезващ" обем течност

Ориз. 3. Конструкцията на съда за изпитване на свиване на течност;

g - прозрачна, пластмасова тръба, p - poxylin, l - владетел,

t - прозрачна лента

Следващите два експеримента ще ни позволят да заключим, че молекулите на различни тела имат различни форми и размери. За да направите първото, изрежете две парчета прозрачна пластмасова тръба, и двете с вътрешен диаметър 1-2 см и дължина 30 см. Всяко парче тръба е залепено с няколко парчета тиксо към ръба на отделна линийка срещу скалата (фиг. . 3). Затворете долните краища на маркучите с поксилинови тапи. Фиксирайте и двете линийки със залепени маркучи във вертикално положение. Налейте вода в един от маркучите, колкото да се получи колона около половината от дължината на маркуча, да речем 14 см. Изсипете същото количество етилов алкохол във втората епруветка.

Сега питаме каква ще бъде височината на колоната на сместа от двете течности? Нека се опитаме да получим отговор на тях експериментално. Изсипете алкохол във водния маркуч и незабавно измерете горното ниво на течността. Маркираме това ниво с водоустойчив маркер върху маркуча. След това смесете двете течности с тел и проверете отново нивото. Какво забелязваме? Оказва се, че това ниво е намаляло, т.е. обемът на сместа е по-малък от сбора от обемите на съставките, използвани за производството й. Това явление се нарича свиване на обема на течността. Намаляването на обема обикновено е няколко процента.

Обяснение на модела

За да обясним ефекта на компресията, ще проведем моделен експеримент. Молекулите на алкохола в този експеримент ще бъдат представени от грахови зърна, а водните молекули ще бъдат макови семена. В първия, тесен, прозрачен съд, например висок буркан, изсипете едрозърнест грах с височина около 0,4 м. Във втория подобен съд със същата височина изсипете маково семе (снимка 1а). След това изсипваме маково семе в съд с грах и с линийка измерваме височината, до която достига горното ниво на зърната. Маркираме това ниво с маркер или фармацевтична гумена лента върху съда (снимка 1b). Затворете съда и го разклатете няколко пъти. Поставяме ги вертикално и проверяваме до каква височина сега достига горното ниво на зърнената смес. Оказва се, че е по-ниско, отколкото преди смесването (снимка 1в).

Експериментът показа, че след смесване малките макови семена запълват свободните пространства между граха, в резултат на което общият обем, зает от сместа, намалява. Подобна ситуация възниква при смесване на вода с алкохол и някои други течности. Техните молекули се предлагат във всякакви размери и форми. В резултат на това по-малките частици запълват празнините между по-големите частици и обемът на течността се намалява.

Снимка 1. Следните етапи на изследване на модела на компресия:

а) боб и маково семе в отделни съдове,

б) зърна след осипване, в) намаляване на обема на зърната след смесване

Съвременни последици

Днес е добре известно, че всички тела около нас са изградени от молекули, а тези от своя страна са изградени от атоми. И молекулите, и атомите са в постоянно произволно движение, чиято скорост зависи от температурата. Благодарение на съвременните микроскопи, особено на сканиращия тунелен микроскоп (STM), могат да се наблюдават отделни атоми. Съществуват също така известни методи, които използват микроскоп с атомна сила (AFM-), който ви позволява да премествате точно отделни атоми и да ги комбинирате в системи, наречени наноструктури. Ефектът на компресия има и практически последици. Трябва да вземем това предвид при избора на количеството на определени течности, необходимо за получаване на смес с необходимия обем. Трябва да го вземете предвид, вкл. при производството на водки, които, както знаете, са смеси главно от етилов алкохол (алкохол) и вода, тъй като обемът на получената напитка ще бъде по-малък от сбора от обемите на съставките.