Βήμα προς τη νανοτεχνολογία

Πριν από χιλιάδες χρόνια, οι άνθρωποι αναρωτιόντουσαν από τι είναι φτιαγμένα τα γύρω σώματα. Οι απαντήσεις διέφεραν. Στην αρχαία Ελλάδα, οι επιστήμονες εξέφρασαν την άποψη ότι όλα τα σώματα αποτελούνται από μικρά αδιαίρετα στοιχεία, τα οποία ονόμαζαν άτομα. Πόσο λίγο, δεν μπορούσαν να προσδιορίσουν. Για αρκετούς αιώνες, οι απόψεις των Ελλήνων παρέμειναν μόνο υποθέσεις. Τους επέστρεψαν τον XNUMXο αιώνα, όταν πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την εκτίμηση του μεγέθους των μορίων και των ατόμων.

Πραγματοποιήθηκε ένα από τα ιστορικά σημαντικά πειράματα, που επέτρεψε τον υπολογισμό των μεγεθών των σωματιδίων Άγγλος επιστήμονας Λόρδος Ρέιλι. Επειδή είναι απλό στην εκτέλεση και ταυτόχρονα πολύ πειστικό, ας προσπαθήσουμε να το επαναλάβουμε στο σπίτι. Στη συνέχεια θα στραφούμε σε δύο άλλα πειράματα που θα μας επιτρέψουν να μάθουμε μερικές από τις ιδιότητες των μορίων.

Ποια είναι τα μεγέθη των σωματιδίων;

Ρύζι. 1. Μια μέθοδος παρασκευής μιας σύριγγας για την τοποθέτηση ενός διαλύματος λαδιού σε εκχυλισμένη βενζίνη σε αυτήν. p - poxylin,

γ - σύριγγα

Ας προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση πραγματοποιώντας το ακόλουθο πείραμα. Από σύριγγα 2 εκ³ αφαιρέστε το έμβολο και σφραγίστε την έξοδο του με Poxiline έτσι ώστε να γεμίσει πλήρως το σωλήνα εξόδου που προορίζεται για την εισαγωγή της βελόνας (Εικ. 1). Περιμένουμε λίγα λεπτά μέχρι να σκληρύνει η Poxilina. Όταν συμβεί αυτό, ρίξτε περίπου 0,2 cm στη σύριγγα³ βρώσιμο λάδι και καταγράψτε αυτή την τιμή. Αυτός είναι ο όγκος του λαδιού Β που χρησιμοποιείται._o. Γεμίστε τον υπόλοιπο όγκο της σύριγγας με βενζίνη. Ανακατέψτε και τα δύο υγρά με ένα σύρμα μέχρι να ληφθεί ένα ομοιογενές διάλυμα και στερεώστε τη σύριγγα κατακόρυφα σε οποιαδήποτε θήκη.

Στη συνέχεια, ρίξτε ζεστό νερό στη λεκάνη ώστε το βάθος της να είναι 0,5-1 εκ. Χρησιμοποιήστε ζεστό νερό, αλλά όχι καυτό, για να μην φαίνεται ο ατμός που ανεβαίνει. Σέρνουμε μια χάρτινη λωρίδα κατά μήκος της επιφάνειας του νερού εφαπτομενικά σε αυτό αρκετές φορές για να καθαρίσει την επιφάνεια από την αδέσποτη γύρη.

Βάζουμε λίγο μείγμα λαδιού και βενζίνης στο σταγονόμετρο και μετακινούμε το σταγονόμετρο στο κέντρο του δοχείου με νερό. Πιέζοντας απαλά τη γόμα, ρίξτε όσο το δυνατόν μικρότερη σταγόνα στην επιφάνεια του νερού. Μια σταγόνα ενός μείγματος λαδιού και βενζίνης θα εξαπλωθεί ευρέως προς όλες τις κατευθύνσεις στην επιφάνεια του νερού και θα σχηματίσει ένα πολύ λεπτό στρώμα με πάχος, υπό τις πιο ευνοϊκές συνθήκες, ίσο με μια διάμετρο σωματιδίου - το λεγόμενο μονομοριακό στρώμα. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, συνήθως λίγα λεπτά, η βενζίνη θα εξατμιστεί (η οποία επιταχύνεται αυξάνοντας τη θερμοκρασία του νερού) και ένα μονομοριακό στρώμα λαδιού θα παραμείνει στην επιφάνεια (Εικ. 2). Το στρώμα που προκύπτει έχει τις περισσότερες φορές το σχήμα ενός κύκλου με διάμετρο πολλών εκατοστών ή περισσότερο.

Ρύζι. 2. Μονομοριακό στρώμα λαδιού στην επιφάνεια του νερού

m – λεκάνη, γ – νερό, o – λάδι, D – διάμετρος σχηματισμού, δ – πάχος σχηματισμού

(μέγεθος σωματιδίων λαδιού)

Φωτίζουμε την επιφάνεια του νερού κατευθύνοντας μια δέσμη φωτός από έναν φακό διαγώνια σε αυτήν. Αυτό κάνει τα όρια του επιπέδου πιο ορατά. Μπορούμε εύκολα να προσδιορίσουμε την κατά προσέγγιση διάμετρό του D χρησιμοποιώντας έναν χάρακα που κρατιέται ακριβώς πάνω από την επιφάνεια του νερού. Γνωρίζοντας αυτή τη διάμετρο, μπορούμε να υπολογίσουμε την περιοχή του στρώματος S χρησιμοποιώντας τον τύπο για την περιοχή ενός κύκλου:

Αν γνωρίζαμε ποιος είναι ο όγκος του λαδιού V₁ που περιέχεται στην σταγόνα που έπεσε, τότε η διάμετρος του μορίου ελαίου d θα μπορούσε εύκολα να υπολογιστεί, υποθέτοντας ότι το λάδι έλιωσε και σχημάτισε ένα στρώμα με επιφάνεια S, δηλαδή:

Αφού συγκρίνουμε τους τύπους (1) και (2) και έναν απλό μετασχηματισμό, λαμβάνουμε έναν τύπο που μας επιτρέπει να υπολογίσουμε το μέγεθος ενός σωματιδίου ελαίου:

Ο απλούστερος, αλλά όχι ο πιο ακριβής τρόπος προσδιορισμού του όγκου V₁ είναι να ελέγξετε πόσες σταγόνες μπορούν να ληφθούν από ολόκληρο τον όγκο του μείγματος που περιέχεται στη σύριγγα και να διαιρέσετε τον όγκο του λαδιού Vo που χρησιμοποιήθηκε με αυτόν τον αριθμό. Για να γίνει αυτό, παίρνουμε το μείγμα σε μια πιπέτα και δημιουργούμε σταγονίδια, προσπαθώντας να τα διατηρήσουμε στο ίδιο μέγεθος όπως όταν τα στάζουν στην επιφάνεια του νερού. Αυτό το κάνουμε μέχρι να εξαντληθεί όλο το μείγμα.

Μια πιο ακριβής αλλά πιο εντατική μέθοδος περιλαμβάνει τη ρίψη μιας σταγόνας λαδιού επανειλημμένα στην επιφάνεια του νερού, τη λήψη ενός μονομοριακού στρώματος λαδιού και τη μέτρηση της διαμέτρου του. Φυσικά, πριν γίνει κάθε στρώση, το νερό και το λάδι που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως πρέπει να χύνονται από τη λεκάνη και να ξαναγεμίζονται με καθαρά. Ο αριθμητικός μέσος όρος υπολογίζεται από τις μετρήσεις που λαμβάνονται.

Αντικαθιστώντας τις λαμβανόμενες τιμές στον τύπο (3), μην ξεχάσετε να μετατρέψετε τις μονάδες και να εκφράσετε την έκφραση σε μέτρα (m) και V₁ σε κυβικά μέτρα (μ³). Παίρνουμε το μέγεθος των σωματιδίων σε μέτρα. Αυτό το μέγεθος θα εξαρτηθεί από τον τύπο λαδιού που χρησιμοποιείται. Το αποτέλεσμα μπορεί να είναι λανθασμένο λόγω των απλοποιητικών υποθέσεων που έγιναν, ιδίως ότι το στρώμα δεν ήταν μονομοριακό και ότι τα μεγέθη των σταγονιδίων δεν ήταν πάντα τα ίδια. Είναι εύκολο να δει κανείς ότι η έλλειψη μονομοριακού χαρακτήρα του στρώματος οδηγεί σε υπερεκτίμηση της τιμής d. Τα τυπικά μεγέθη σωματιδίων λαδιού είναι εντός 10^-8-10^-9 μ. Μπλοκ 10^-9 m λέγεται νανόμετρο και χρησιμοποιείται συχνά σε ένα ταχέως αναπτυσσόμενο πεδίο γνωστό ως νανοτεχνολογίας.

«Εξαφανιζόμενος» όγκος υγρού

Ρύζι. 3. Σχεδιασμός σκάφους για δοκιμή υγρού για συρρίκνωση.

g - διαφανές, πλαστικός σωλήνας, p - poxylin, l - χάρακας,

t - διαφανής ταινία

Τα ακόλουθα δύο πειράματα θα μας επιτρέψουν να συμπεράνουμε ότι τα μόρια διαφορετικών σωμάτων έχουν διαφορετικά σχήματα και μεγέθη. Για να κάνετε το πρώτο, κόψτε δύο κομμάτια διαφανούς πλαστικού σωλήνα, και τα δύο με εσωτερική διάμετρο 1-2 cm και μήκος 30 cm. Κάθε κομμάτι σωλήνα είναι κολλημένο με πολλά κομμάτια ταινίας στην άκρη ενός ξεχωριστού χάρακα απέναντι από το κλίμακα (Εικ. 3). Κλείστε τα κάτω άκρα των εύκαμπτων σωλήνων με βύσματα poxylin. Στερεώστε και τους δύο χάρακες με κολλημένους σωλήνες σε κάθετη θέση. Ρίξτε αρκετό νερό σε έναν από τους σωλήνες για να δημιουργήσετε μια στήλη περίπου στο μισό μήκος του σωλήνα, για παράδειγμα 14 εκ. Ρίξτε την ίδια ποσότητα αιθυλικής αλκοόλης στον δεύτερο δοκιμαστικό σωλήνα.

Ας ρωτήσουμε τώρα, ποιο θα είναι το ύψος της στήλης του μείγματος και των δύο υγρών; Ας προσπαθήσουμε να τους απαντήσουμε πειραματικά. Ρίξτε οινόπνευμα στον εύκαμπτο σωλήνα νερού και μετρήστε αμέσως την ανώτερη στάθμη του υγρού. Σημειώνουμε αυτό το επίπεδο με έναν αδιάβροχο μαρκαδόρο στον εύκαμπτο σωλήνα. Στη συνέχεια, ανακατέψτε και τα δύο υγρά με ένα σύρμα και ελέγξτε ξανά τη στάθμη. Τι παρατηρούμε; Αποδεικνύεται ότι αυτό το επίπεδο έχει μειωθεί, δηλ. ο όγκος του μείγματος είναι μικρότερος από το άθροισμα των όγκων των συστατικών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συστολή όγκου ρευστού. Η μείωση του όγκου είναι συνήθως αρκετά τοις εκατό.

Εξήγηση μοντέλου

Για να εξηγήσουμε το φαινόμενο συμπίεσης, θα πραγματοποιήσουμε ένα πείραμα μοντέλου. Τα μόρια αλκοόλης σε αυτό το πείραμα θα αντιπροσωπεύονται από κόκκους μπιζελιού και τα μόρια του νερού θα είναι σπόροι παπαρούνας. Ρίξτε χονδρόκοκκο αρακά ύψους περίπου 0,4 m στο πρώτο, στενό, διαφανές δοχείο, για παράδειγμα ένα ψηλό βάζο, Ρίξτε τους σπόρους παπαρούνας σε ένα δεύτερο δοχείο του ίδιου ύψους (φωτογραφία 1α). Στη συνέχεια ρίχνουμε τους παπαρουνόσπορους στο σκεύος με τον αρακά και με ένα χάρακα μετράμε το ύψος στο οποίο φτάνει το πάνω επίπεδο των κόκκων. Σημειώνουμε αυτό το επίπεδο με μαρκαδόρο ή γόμα φαρμακείου στο δοχείο (φωτογραφία 1β). Κλείστε το δοχείο και ανακινήστε πολλές φορές. Τα τοποθετούμε κάθετα και ελέγχουμε μέχρι ποιο ύψος φτάνει τώρα το πάνω επίπεδο του μείγματος των κόκκων. Αποδεικνύεται ότι είναι χαμηλότερο από πριν από την ανάμειξη (φωτογραφία 1c).

Το πείραμα έδειξε ότι μετά την ανάμειξη, μικροί παπαρουνόσποροι γέμισαν τα κενά διαστήματα μεταξύ των μπιζελιών, με αποτέλεσμα να μειωθεί ο συνολικός όγκος που καταλάμβανε το μείγμα. Παρόμοια κατάσταση συμβαίνει κατά την ανάμειξη νερού με οινόπνευμα και κάποια άλλα υγρά. Τα μόριά τους υπάρχουν σε όλα τα μεγέθη και σχήματα. Ως αποτέλεσμα, μικρότερα σωματίδια γεμίζουν τα κενά μεταξύ μεγαλύτερων σωματιδίων και ο όγκος του υγρού μειώνεται.

Φωτογραφία 1. Τα επόμενα στάδια της μελέτης του μοντέλου συμπίεσης:

α) φασόλια και παπαρουνόσποροι σε χωριστά δοχεία,

β) οι κόκκοι μετά την αποβολή, γ) η μείωση του όγκου των κόκκων μετά την ανάμειξη

Σύγχρονες συνέπειες

Σήμερα είναι ευρέως γνωστό ότι όλα τα σώματα γύρω μας αποτελούνται από μόρια και αυτά με τη σειρά τους αποτελούνται από άτομα. Τόσο τα μόρια όσο και τα άτομα βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση, η ταχύτητα της οποίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Χάρη στα σύγχρονα μικροσκόπια, ειδικά στο μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM), μπορούν να παρατηρηθούν μεμονωμένα άτομα. Υπάρχουν επίσης μέθοδοι που χρησιμοποιούν μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), το οποίο καθιστά δυνατή την ακριβή μετακίνηση μεμονωμένων ατόμων και τον συνδυασμό τους σε συστήματα που ονομάζονται νανοδομές. Το φαινόμενο συμπίεσης έχει επίσης πρακτική σημασία. Αυτό πρέπει να το λάβουμε υπόψη όταν επιλέγουμε την ποσότητα ορισμένων υγρών που απαιτούνται για να ληφθεί ένα μείγμα του απαιτούμενου όγκου. Πρέπει να το λάβετε υπόψη, συμπεριλαμβανομένου στην παραγωγή βότκας, οι οποίες, όπως είναι γνωστό, είναι μείγματα κυρίως αιθυλικής αλκοόλης (αλκοόλ) και νερού, αφού ο όγκος του ποτού που προκύπτει θα είναι μικρότερος από το άθροισμα των όγκων των συστατικών.