Крок да нанатэхналогій

Тысячы гадоў таму людзі задаваліся пытаннем, з чаго складаюцца навакольныя целы. Адказы былі рознымі. У Старажытнай Грэцыі навукоўцы выказвалі меркаванне, што ўсе целы складаюцца з маленькіх непадзельных элементаў, якія яны звалі атамамі. Наколькі мала - яны не змаглі паказаць. На працягу некалькіх стагоддзяў погляды грэкаў заставаліся толькі гіпотэзамі. Іх вярнулі ім у XNUMX стагоддзі, калі праводзіліся доследы па ацэнцы памераў малекул і атамаў.

Адзін з гістарычна значных эксперыментаў, які дазволіў разлічыць памеры часціц, быў праведзены. англійская вучоны лорд Рэлей. Бо ён просты ў выкананні і ў той жа час вельмі пераканаўчы, паспрабуем паўтарыць яго хаты. Затым мы звернемся да двух іншых эксперыментаў, якія дазволяць нам пазнаць некаторыя ўласцівасці малекул.

Якія памеры часціц?

Мал. 1. Спосаб падрыхтоўкі шпрыца для памяшкання ў яго раствора алею ў экстрагаваным бензіне; р - поксіліна,

з - шпрыц

Паспрабуем адказаць на гэтае пытанне, правядучы наступны эксперымент. Са шпрыца 2 гл³ выміце поршань і заляпіце яго вынахад Poxiline так, каб ён цалкам запоўніў выходную трубку, прызначаную для ўводзін іголкі (мал. 1). Чакаем некалькі хвілін, пакуль Poxilina зацвярдзее. Калі гэта адбудзецца, наліце ​​ў шпрыц каля 0,2 гл³ харчовага алею і запішыце гэта значэнне. Гэта аб'ём выкарыстоўванага алею Ў._o. Запоўніце пакінуты аб'ём шпрыца бензінам. Змяшайце абедзве вадкасці дротам да атрымання аднастайнага раствора і замацуеце шпрыц вертыкальна ў любым трымальніку.

Затым наліце ​​ў таз цёплую ваду так, каб яго глыбіня была 0,5-1 гл. Выкарыстоўвайце цёплую ваду, але не гарачую, каб не было відаць узнімальнай пары. Па паверхні вады протаскиваем па датычнай да яе некалькі разоў папяровую палоску, каб ачысціць паверхню ад выпадковага пылка.

Набіраем у кропельніцу трохі сумесі алею і бензіну і водзім кропельніцай па цэнтры пасудзіны з вадой. Акуратна націскаючы на ​​гумку, капаем на паверхню вады як мага драбнейшую кроплю. Кропля сумесі нафты і бензіну будзе шырока расцякацца ва ўсе бакі па паверхні вады і ўтвараць вельмі тонкі пласт таўшчынёй, пры самых спрыяльных умовах роўны аднаму дыяметру часціцы, - так званы. монамалекулярны пласт. Праз некаторы час, звычайна некалькі хвілін, бензін выпарыцца (што паскараецца за рахунак падвышэння тэмпературы вады), а на паверхні застанецца манамалекулярны пласт алею (мал. 2). Атрымоўваны пласт часцей за ўсё мае форму круга дыяметрам некалькі сантыметраў і больш.

Мал. 2. Монамалекулярны пласт нафты на паверхні вады

м - лаханка, у - вада, аб - нафта, Д - дыяметр пласта, г - таўшчыня пласта

(памер часціц алею)

Асвятляем водную роўнядзь, накіраваўшы на яе прамень святла ад ліхтарыка па дыяганалі. Дзякуючы гэтаму межы пласта больш прыкметныя. Мы можам лёгка вызначыць яго прыблізны дыяметр D па лінейцы, якую трымаюць прама над паверхняй вады. Ведаючы гэты дыяметр, мы можам вылічыць плошчу пласта S па формуле пляца круга:

Калі б мы ведалі, які аб'ём алею V₁ якая змяшчаецца ў выпалай кроплі, то дыяметр малекулы алею d можна было б лёгка вылічыць, мяркуючы, што алей расплавілася і ўтварыла пласт з паверхняй S, гэта значыць:

Пасля параўнання формул (1) і (2) і простага пераўтварэння атрымліваем формулу, якая дазваляе разлічыць памер часціцы алею:

Самы просты, але не самы дакладны спосаб вызначэння аб'ёму V₁ складаецца ў тым, каб праверыць, колькі кропель можна атрымаць з усяго аб'ёму сумесі, якая змяшчаецца ў шпрыцы, і падзяліць аб'ём выкарыстанага алею Vo на гэты лік. Для гэтага набіраем сумесь у піпетку і ствараем кропелькі, імкнучыся, каб яны былі такога ж памеру, як пры капанні іх на паверхню вады. Які робіцца гэта датуль, пакуль уся сумесь не будзе вычарпаная.

Больш дакладны, але больш працаёмкі метад заключаецца ў шматразовым падзенні кроплі алею на паверхню вады, атрыманні монамалекулярнага пласта алею і вымярэнні яго дыяметра. Зразумела, перад тым, як будзе зроблены кожны пласт, раней скарыстаную ваду і алей неабходна выліць з таза і заліць чыстымі. З атрыманых вымярэнняў вылічаюць сярэдняе арыфметычнае значэнне.

Падставіўшы атрыманыя значэнні ў формулу (3), не забудзьцеся перавесці адзінкі і выказаць выраз у метрах (м) і В₁ у кубічных метрах (м³). Атрымліваем памер часціц у метрах. Гэты памер будзе залежаць ад тыпу выкарыстоўванага алею. Вынік можа быць памылковым з-за зробленых якія спрашчаюць здагадак, у прыватнасці з-за таго, што пласт не быў манамалекулярным і што памеры кропель не заўсёды былі аднолькавымі. Няцяжка заўважыць, што адсутнасць монамалекулярнасці пласта прыводзіць да завышэння значэння d. Звычайныя памеры часціц алею знаходзяцца ў межах 10^-810-^-9 м. Блок 10^-9 м называецца нанаметр і часта выкарыстоўваецца ў хутка развіваецца вобласці, вядомай як нанатэхналогіі.

«Знікаючы» аб'ём вадкасці

Мал. 3. Канструкцыя пасудзіны для выпрабавання вадкасці на ўсаджванне;

ж - празрыстая, пластыкавая трубка, п - поксіліна, л - лінейка,

т - празрысты скотч

Наступныя два эксперыменты дазволяць зрабіць вывад, што малекулы розных цел маюць розную форму і памеры. Для выканання першага адрэжце два кавалка празрыстай пластыкавай трубкі, абодва ўнутраным дыяметрам 1-2 гл і даўжынёй 30 гл. Кожны адрэзак трубкі прыляпляецца некалькімі кавалачкамі ліпкай стужкі да боку асобнай лінейкі, процілегламу шкале (мал. 3). Зачыніць ніжнія канцы шлангаў заглушкамі з поксіліну. Замацуеце абедзве лінейкі прылепленымі шлангамі ў вертыкальным становішчы. Наліце ​​ў адзін са шлангаў дастатковую колькасць вады, каб атрымаўся слуп даўжынёй прыкладна ў палову даўжыні шланга, напрыклад 14 гл. У другую прабірку наліце ​​такую ​​ж колькасць этылавага спірту.

Цяпер спытаем, якая будзе вышыня слупа сумесі абедзвюх вадкасцяў? Паспрабуем атрымаць на іх адказ эксперыментальным шляхам. Наліце ​​спірт у шланг для вады і адразу ж вымерайце верхні ўзровень вадкасці. Мы адзначаем гэты ўзровень водатрывалым маркерам на шлангу. Затым змяшайце абедзве вадкасці дротам і зноў праверце ўзровень. Што мы заўважаем? Атрымліваецца, што гэты ўзровень паменшыўся, г.зн. аб'ём сумесі меншы за суму аб'ёмаў інгрэдыентаў, выкарыстаных для яе вытворчасці. Гэта з'ява называецца скарачэннем аб'ёму вадкасці. Памяншэнне аб'ёму звычайна складае некалькі працэнтаў.

Тлумачэнне мадэлі

Для тлумачэння эфекту сціску правядзём мадэльны эксперымент. Малекулы спірту ў гэтым эксперыменце будуць прадстаўлены зернямі гароху, а малекулы вады - насеннем маку. У першы, вузкі, празрысты посуд, напрыклад высокі слоік, насыпаць крупнозерністой гарох вышынёй прыкладна 0,4 м. У другой такі ж посуд такой жа вышыні насыпце мак (фота 1а). Затым насыпаем мак у посуд з гарошкам і з дапамогай лінейкі вымяраем вышыню, да якой даходзіць верхні ўзровень зерняў. Адзначаем гэты ўзровень маркерам ці аптэкарскай гумкай на пасудзіне (фота 1б). Закрываем посуд і некалькі разоў падтрасаем. Ставім іх вертыкальна і правяраем, да якой вышыні зараз даходзіць верхні ўзровень збожжасумесі. Атрымліваецца, што яна ніжэй, чым да змешвання (фота 1в).

Эксперымент паказаў, што пасля мяшання дробнае насенне маку запоўнілі вольныя прасторы паміж гарошынамі, у выніку чаго агульны аб'ём, займаны сумессю, паменшыўся. Аналагічная сітуацыя ўзнікае пры змешванні вады са спіртам і некаторымі іншымі вадкасцямі. Іх малекулы бываюць усіх памераў і формаў. У выніку часціцы меншага памеру запаўняюць прамежкі паміж буйнейшымі часціцамі і адбываецца скарачэнне аб'ёму вадкасці.

Фота 1. Наступныя этапы даследавання мадэлі сціску:

а) бабы і мак у асобных сасудах,

б) збожжа пасля абсыпання, у) памяншэнне аб'ёму зерняў пасля мяшання

Сучасныя наступствы

Сёння добра вядома, што ўсе целы вакол нас складаюцца з малекул, а тыя, у сваю чаргу, складаюцца з атамаў. І малекулы, і атамы знаходзяцца ў пастаянным бязладным руху, скорасць якога залежыць ад тэмпературы. Дзякуючы сучасным мікраскопам, асабліва сканавальнага тунэльнаму мікраскопу (СТМ), можна назіраць асобныя атамы. Вядомыя таксама метады, у якіх выкарыстоўваецца атамна-сілавы мікраскоп (АСМ-), які дазваляе сапраўды перамяшчаць асобныя атамы і аб'ядноўваць іх у сістэмы, званыя нанаструктурамі. Эфект сціску мае і практычнае значэнне. Мы павінны ўлічваць гэта пры падборы колькасці тых ці іншых вадкасцей, неабходных для атрымання сумесі неабходнага аб'ёму. Вы павінны прыняць яго да ўвагі, у т.л. пры вытворчасці гарэлак, якія, як вядома, уяўляюць сабою сумесі пераважна этылавага спірту (спірту) і воды, бо аб'ём атрымоўванага напоя будзе менш сумы аб'ёмаў інгрэдыентаў.