Skref í átt að nanótækni

Fyrir þúsundum ára velti fólk því fyrir sér úr hverju líkin í kring eru gerð. Svörin voru mismunandi. Í Grikklandi til forna lýstu vísindamenn þeirri skoðun sinni að allir líkamar væru samsettir úr litlum óskiptanlegum frumefnum, sem þeir kölluðu atóm. Hversu lítið gátu þeir ekki tilgreint. Í nokkrar aldir voru skoðanir Grikkja aðeins tilgátur. Þeim var skilað til þeirra á XNUMXth öld, þegar tilraunir voru gerðar til að meta stærð sameinda og atóma.

Ein af sögulega mikilvægu tilraununum, sem gerði kleift að reikna kornastærðir, var gerð Enski vísindamaðurinn Lord Rayleigh. Þar sem það er einfalt í framkvæmd og á sama tíma mjög sannfærandi, skulum við reyna að endurtaka það heima. Síðan snúum við okkur að tveimur öðrum tilraunum sem gera okkur kleift að læra nokkra eiginleika sameinda.

Hverjar eru kornastærðir?

Hrísgrjón. 1. Aðferð til að útbúa sprautu til að setja olíulausn í útdregnu bensíni í hana; p - poxylín,

c - sprauta

Við skulum reyna að svara þessari spurningu með því að gera eftirfarandi tilraun. Úr 2 cm sprautu³ fjarlægðu stimpilinn og lokaðu úttakinu með Poxiline þannig að það fylli alveg útgangsrörið sem ætlað er að stinga nálinni í (Mynd 1). Við bíðum í nokkrar mínútur þar til Poxilina harðnar. Þegar þetta gerist skaltu hella um 0,2 cm í sprautuna³ matarolíu og skráðu þetta gildi. Þetta er magn olíu sem notað er._o. Fylltu það sem eftir er af rúmmáli sprautunnar með bensíni. Blandið báðum vökvunum saman með vír þar til einsleit lausn fæst og festið sprautuna lóðrétt í hvaða hylki sem er.

Helltu svo volgu vatni í skálina þannig að dýpt hennar sé 0,5-1 cm Notaðu heitt vatn, en ekki heitt, svo að gufan sem hækkar sjáist ekki. Við drögum pappírsrönd meðfram yfirborði vatnsins nokkrum sinnum í snertingu við það til að hreinsa yfirborðið af tilviljunarkenndum frjókornum.

Við söfnum smá blöndu af olíu og bensíni í dropateljarann ​​og keyrum dropateljaranum í gegnum miðju skipsins með vatni. Með því að þrýsta varlega á strokleðrið sleppum við eins litlum dropa og hægt er á yfirborð vatnsins. Dropi af blöndu af olíu og bensíni mun dreifast víða í allar áttir yfir vatnsyfirborðið og mynda mjög þunnt lag með þykkt sem nemur einni agnaþvermáli við hagstæðustu aðstæður - s.k. einsameinda lag. Eftir nokkurn tíma, venjulega nokkrar mínútur, gufar bensínið upp (sem flýtir fyrir hækkun vatnshita), sem skilur eftir sig einsameindalag af olíu á yfirborðinu (mynd 2). Lagið sem myndast hefur oftast lögun hrings með þvermál nokkurra sentímetra eða meira.

Hrísgrjón. 2. Einsameindalag af olíu á vatnsyfirborði

m – mjaðmagrind, c – vatn, o – olía, D – þvermál myndunar, d – formþykkt

(stærð olíukorna)

Við lýsum upp vatnsyfirborðið með því að beina ljósgeisla frá vasaljósi á ská á það. Vegna þessa eru mörk lagsins sýnilegri. Við getum auðveldlega ákvarðað áætlaða þvermál hans D út frá reglustiku sem er rétt fyrir ofan vatnsyfirborðið. Með því að þekkja þetta þvermál getum við reiknað út flatarmál lagsins S með því að nota formúluna fyrir flatarmál hrings:

Ef við vissum hvað er rúmmál olíu V₁ sem er í dropanum, þá var auðvelt að reikna út þvermál olíusameindarinnar d, miðað við að olían bráðnaði og myndaði lag með yfirborði S, þ.e.

Eftir að hafa borið saman formúlur (1) og (2) og einfalda umbreytingu fáum við formúlu sem gerir okkur kleift að reikna út stærð olíuagnar:

Auðveldasta, en ekki nákvæmasta leiðin til að ákvarða rúmmál V₁ er að athuga hversu marga dropa er hægt að fá úr heildarrúmmáli blöndunnar sem er í sprautunni og deila rúmmálinu af olíu Vo sem er notað með þessari tölu. Til að gera þetta söfnum við blöndunni í pípettu og búum til dropa, reynum að gera þá í sömu stærð og þegar þeim er sleppt á yfirborð vatnsins. Við gerum þetta þar til öll blandan er uppurin.

Nákvæmari, en tímafrekari aðferð er að láta dropa af olíu ítrekað á yfirborð vatnsins, fá einsameindalag af olíu og mæla þvermál þess. Auðvitað, áður en hvert lag er búið til, þarf að hella áður notaðu vatni og olíu úr skálinni og hella hreinu. Út frá þeim mælingum sem fengust er reiknað meðaltal reiknað.

Að skipta út fengnum gildum í formúlu (3), ekki gleyma að umreikna einingarnar og tjá tjáninguna í metrum (m) og V₁ í rúmmetrum (m³). Fáðu kornastærð í metrum. Þessi stærð fer eftir tegund olíu sem notuð er. Niðurstaðan gæti verið röng vegna einfaldari forsendna sem gerðar voru, einkum vegna þess að lagið var ekki einsameinda og að dropastærðir voru ekki alltaf þær sömu. Það er auðvelt að sjá að skortur á einsameindalagi leiðir til ofmats á gildi d. Venjulegar stærðir olíuagna eru á bilinu 10^-8-10^-9 m. Blokk 10^-9 m heitir nanómetra og er oft notað á blómstrandi sviði sem kallast nanótækni.

"Hverfandi" rúmmál vökva

Hrísgrjón. 3. Hönnun vökva rýrnunarprófunarílátsins;

g - gagnsætt, plaströr, p - poxylin, l - reglustiku,

t - gagnsæ borði

Eftirfarandi tvær tilraunir munu leyfa okkur að álykta að sameindir mismunandi líkama hafi mismunandi lögun og stærð. Til að gera það fyrsta, klippið tvö stykki af gagnsæju plaströri, bæði 1-2 cm í innra þvermál og 30 cm að lengd. Hvert stykki af túpu er límt með nokkrum stykki af límbandi á brún sérstakrar reglustiku á móti kvarðanum (mynd . 3). Lokaðu neðri endum slöngunnar með poxylin-töppum. Festu báðar stikurnar með límdum slöngum í lóðréttri stöðu. Helltu nægu vatni í eina af slöngunum til að búa til súlu sem er um helmingur af slöngunni, segjum 14 cm.. Helltu sama magni af etýlalkóhóli í annað tilraunaglasið.

Nú spyrjum við, hver verður hæð súlunnar í blöndu beggja vökva? Við skulum reyna að fá svar við þeim í tilraunaskyni. Hellið áfengi í vatnsslönguna og mælið strax efsta stig vökvans. Við merkjum þetta stig með vatnsheldu merki á slönguna. Blandið síðan báðum vökvunum saman með vír og athugaðu magnið aftur. Hvað tökum við eftir? Í ljós kemur að þetta magn hefur lækkað, þ.e. rúmmál blöndunnar er minna en summan af rúmmáli innihaldsefnanna sem notuð eru til að framleiða hana. Þetta fyrirbæri er kallað vökvarúmmálssamdráttur. Lækkun á magni er yfirleitt nokkur prósent.

Líkanskýring

Til að útskýra þjöppunaráhrifin munum við gera líkantilraun. Áfengissameindir í þessari tilraun verða táknaðar með ertakornum og vatnssameindir verða valmúafræ. Hellið stórkornum ertum um 0,4 m á hæð í fyrsta, mjóa, gagnsæja fatið, til dæmis háa krukku. Hellið valmúafræjum í annað sama ílátið af sömu hæð (mynd 1a). Síðan hellum við valmúafræjum í ílát með ertum og notum reglustiku til að mæla hæðina sem efsta kornstigið nær. Við merkjum þetta stig með merki eða lyfjagúmmíbandi á skipinu (mynd 1b). Lokaðu ílátinu og hristu það nokkrum sinnum. Við setjum þær lóðrétt og athugum í hvaða hæð efri hæð kornblöndunnar nær núna. Það kemur í ljós að það er lægra en fyrir blöndun (mynd 1c).

Tilraunin sýndi að eftir blöndun fylltu lítil valmúafræ lausu rýmin á milli ertanna, sem leiddi til þess að heildarrúmmál blöndunnar minnkaði. Svipað ástand kemur upp þegar blandað er vatni við áfengi og aðra vökva. Sameindir þeirra eru af öllum stærðum og gerðum. Fyrir vikið fylla smærri agnir eyðurnar á milli stærri agna og rúmmál vökvans minnkar.

Mynd 1. Eftirfarandi stig rannsóknarinnar á þjöppunarlíkaninu:

a) baunir og valmúafræ í aðskildum ílátum,

b) korn eftir losun, c) minnkun á rúmmáli korns eftir blöndun

Nútímaleg áhrif

Í dag er vel þekkt að allir líkamar í kringum okkur eru gerðir úr sameindum og þær eru aftur á móti úr frumeindum. Bæði sameindir og atóm eru á stöðugri tilviljunarkenndri hreyfingu, hraði þeirra fer eftir hitastigi. Þökk sé nútíma smásjám, sérstaklega skannagöngusmásjánni (STM), er hægt að fylgjast með einstökum atómum. Það eru líka þekktar aðferðir sem nota atómaflssmásjá (AFM-), sem gerir þér kleift að færa einstök atóm nákvæmlega og sameina þau í kerfi sem kallast nanóbyggingar. Þjöppunaráhrifin hafa einnig hagnýt áhrif. Við verðum að taka tillit til þessa þegar við veljum magn tiltekinna vökva sem þarf til að fá blöndu af nauðsynlegu rúmmáli. Þú verður að taka tillit til þess, þ.m.t. í framleiðslu á vodka, sem, eins og þú veist, eru blöndur af aðallega etýlalkóhóli (alkóhóli) og vatni, þar sem rúmmál drykkjarins sem myndast verður minna en summan af rúmmáli innihaldsefnanna.