Hakbang patungo sa nanotechnology

Libu-libong taon na ang nakalilipas, ang mga tao ay nagtaka kung ano ang gawa sa nakapalibot na mga katawan. Iba-iba ang mga sagot. Sa sinaunang Greece, ang mga siyentipiko ay nagpahayag ng opinyon na ang lahat ng mga katawan ay binubuo ng maliliit na hindi mahahati na elemento, na tinatawag nilang mga atomo. Kung gaano kaliit, hindi nila matukoy. Sa loob ng ilang siglo, ang mga pananaw ng mga Greek ay nanatiling hypotheses lamang. Ibinalik sila sa kanila noong ika-XNUMX na siglo, nang ang mga eksperimento ay isinagawa upang tantiyahin ang laki ng mga molekula at atomo.

Isa sa mga makabuluhang eksperimento sa kasaysayan, na naging posible upang makalkula ang mga laki ng butil, ay isinagawa Ang siyentipikong Ingles na si Lord Rayleigh. Dahil ito ay simple upang maisagawa at sa parehong oras ay napaka-kapani-paniwala, subukan nating ulitin ito sa bahay. Pagkatapos ay bumaling tayo sa dalawang iba pang mga eksperimento na magpapahintulot sa atin na matutunan ang ilan sa mga katangian ng mga molekula.

Ano ang mga laki ng butil?

kanin. 1. Isang paraan ng paghahanda ng isang hiringgilya para sa paglalagay ng solusyon ng langis sa nakuhang gasolina dito; p - poxylin,

c - hiringgilya

Subukan nating sagutin ang tanong na ito sa pamamagitan ng pagsasagawa ng sumusunod na eksperimento. Mula sa isang 2 cm syringe³ tanggalin ang plunger at i-seal ang outlet nito ng Poxiline upang ganap nitong mapuno ang exit tube na inilaan para sa pagpasok ng karayom ​​(Fig. 1). Naghihintay kami ng ilang minuto hanggang sa tumigas ang Poxilina. Kapag nangyari ito, ibuhos sa syringe ang tungkol sa 0,2 cm³ edible oil at itala ang halagang ito. Ito ang dami ng langis na ginamit._o. Punan ang natitirang dami ng hiringgilya ng gasolina. Paghaluin ang parehong likido gamit ang isang wire hanggang sa makuha ang isang homogenous na solusyon at ayusin ang syringe nang patayo sa anumang may hawak.

Pagkatapos ay ibuhos ang maligamgam na tubig sa palanggana upang ang lalim nito ay 0,5-1 cm. Gumamit ng maligamgam na tubig, ngunit hindi mainit, upang hindi makita ang tumataas na singaw. Kinaladkad namin ang isang piraso ng papel sa ibabaw ng tubig nang maraming beses nang magkadikit dito upang linisin ang ibabaw ng random na pollen.

Kinokolekta namin ang isang maliit na halo ng langis at gasolina sa dropper at itaboy ang dropper sa gitna ng sisidlan na may tubig. Dahan-dahang pagpindot sa pambura, ibinabagsak namin ang maliit na patak hangga't maaari sa ibabaw ng tubig. Ang isang patak ng pinaghalong langis at gasolina ay kumakalat nang malawak sa lahat ng direksyon sa ibabaw ng tubig at bubuo ng isang napakanipis na layer na may kapal na katumbas ng isang diameter ng butil sa ilalim ng pinaka-kanais-nais na mga kondisyon - ang tinatawag na monomolecular layer. Pagkaraan ng ilang oras, kadalasan ng ilang minuto, ang gasolina ay sumingaw (na pinabilis ng pagtaas ng temperatura ng tubig), na nag-iiwan ng monomolecular layer ng langis sa ibabaw (Larawan 2). Ang nagreresultang layer ay kadalasang may hugis ng isang bilog na may diameter na ilang sentimetro o higit pa.

kanin. 2. Monomolecular layer ng langis sa ibabaw ng tubig

m - pelvis, c - tubig, o - langis, D - diameter ng pagbuo, d - kapal ng pagbuo

(laki ng butil ng langis)

Iniilawan namin ang ibabaw ng tubig sa pamamagitan ng pagdidirekta ng isang sinag ng liwanag mula sa isang flashlight nang pahilis papunta dito. Dahil dito, mas nakikita ang mga hangganan ng layer. Madali nating matukoy ang tinatayang diameter D nito mula sa isang ruler na nasa ibabaw lamang ng tubig. Alam ang diameter na ito, maaari nating kalkulahin ang lugar ng layer S gamit ang formula para sa lugar ng isang bilog:

Kung alam natin kung ano ang dami ng langis V₁ na nakapaloob sa nahulog na patak, kung gayon ang diameter ng molekula ng langis d ay madaling kalkulahin, sa pag-aakalang ang langis ay natunaw at nabuo ang isang layer na may ibabaw na S, ibig sabihin.:

Matapos ihambing ang mga formula (1) at (2) at isang simpleng pagbabago, nakakuha kami ng isang formula na nagpapahintulot sa amin na kalkulahin ang laki ng isang particle ng langis:

Ang pinakamadali, ngunit hindi ang pinakatumpak na paraan upang matukoy ang volume V₁ ay upang suriin kung gaano karaming mga patak ang maaaring makuha mula sa kabuuang dami ng pinaghalong nakapaloob sa hiringgilya at hatiin ang dami ng langis na Vo na ginamit sa numerong ito. Upang gawin ito, kinokolekta namin ang pinaghalong sa isang pipette at lumikha ng mga droplet, sinusubukang gawin ang mga ito sa parehong laki tulad ng kapag sila ay bumaba sa ibabaw ng tubig. Ginagawa namin ito hanggang sa maubos ang buong timpla.

Ang isang mas tumpak, ngunit mas matagal na paraan ay ang paulit-ulit na pagbagsak ng isang patak ng langis sa ibabaw ng tubig, kumuha ng monomolecular layer ng langis at sukatin ang diameter nito. Siyempre, bago gawin ang bawat layer, ang dating ginamit na tubig at langis ay dapat ibuhos mula sa palanggana at ibuhos nang malinis. Mula sa mga sukat na nakuha, ang arithmetic mean ay kinakalkula.

Ang pagpapalit ng mga nakuha na halaga sa formula (3), huwag kalimutang i-convert ang mga yunit at ipahayag ang expression sa metro (m) at V₁ sa metro kubiko (m³). Kunin ang laki ng butil sa metro. Ang laki na ito ay depende sa uri ng langis na ginamit. Maaaring mali ang resulta dahil sa pagpapasimple ng mga pagpapalagay na ginawa, lalo na dahil ang layer ay hindi monomolecular at ang mga droplet na laki ay hindi palaging pareho. Madaling makita na ang kawalan ng monomolecular layer ay humahantong sa labis na pagtatantya ng halaga ng d. Ang karaniwang sukat ng mga particle ng langis ay nasa hanay na 10^-8-10^-9 m. Block 10^-9 m ay tinatawag nanometer at kadalasang ginagamit sa umuusbong na larangan na kilala bilang nanotechnology.

"Nawawala" na dami ng likido

kanin. 3. Ang disenyo ng liquid shrinkage test vessel;

g - transparent, plastic tube, p - poxylin, l - ruler,

t - transparent na tape

Ang sumusunod na dalawang eksperimento ay magbibigay-daan sa amin upang tapusin na ang mga molekula ng iba't ibang mga katawan ay may iba't ibang mga hugis at sukat. Upang gawin ang una, gupitin ang dalawang piraso ng transparent plastic tube, parehong 1-2 cm ang panloob na diameter at 30 cm ang haba.Ang bawat piraso ng tubo ay nakadikit na may ilang piraso ng adhesive tape sa gilid ng isang hiwalay na ruler sa tapat ng sukat (Fig . 3). Isara ang ibabang dulo ng mga hose gamit ang mga plug ng poxylin. Ayusin ang parehong mga pinuno na may nakadikit na mga hose sa isang patayong posisyon. Ibuhos ang sapat na tubig sa isa sa mga hose upang makagawa ng haligi na humigit-kumulang kalahati ng haba ng hose, sabihin nating 14 cm. Ibuhos ang parehong dami ng ethyl alcohol sa pangalawang test tube.

Ngayon itatanong namin, ano ang magiging taas ng haligi ng pinaghalong parehong likido? Subukan nating makakuha ng sagot sa kanila sa eksperimentong paraan. Ibuhos ang alkohol sa hose ng tubig at agad na sukatin ang pinakamataas na antas ng likido. Minarkahan namin ang antas na ito gamit ang isang hindi tinatagusan ng tubig na marker sa hose. Pagkatapos ay ihalo ang parehong mga likido sa isang wire at suriin muli ang antas. Ano ang napapansin natin? Lumalabas na ang antas na ito ay nabawasan, i.e. ang dami ng pinaghalong mas mababa kaysa sa kabuuan ng mga volume ng mga sangkap na ginamit sa paggawa nito. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na liquid volume contraction. Ang pagbawas sa volume ay karaniwang ilang porsyento.

Pagpapaliwanag ng modelo

Upang ipaliwanag ang epekto ng compression, magsasagawa kami ng isang eksperimento sa modelo. Ang mga molekula ng alkohol sa eksperimentong ito ay kakatawanin ng mga butil ng pea, at ang mga molekula ng tubig ay mga buto ng poppy. Ibuhos ang malalaking butil na mga gisantes na humigit-kumulang 0,4 m ang taas sa una, makitid, transparent na ulam, halimbawa, isang mataas na garapon. Ibuhos ang mga buto ng poppy sa pangalawang parehong sisidlan na may parehong taas (larawan 1a). Pagkatapos ay ibuhos namin ang mga buto ng poppy sa isang sisidlan na may mga gisantes at gumamit ng isang ruler upang sukatin ang taas kung saan naabot ang pinakamataas na antas ng mga butil. Minarkahan namin ang antas na ito ng isang marker o isang pharmaceutical rubber band sa sisidlan (larawan 1b). Isara ang lalagyan at iling ng ilang beses. Inilalagay namin ang mga ito nang patayo at suriin kung anong taas ang naabot na ngayon ng itaas na antas ng pinaghalong butil. Ito ay lumiliko na ito ay mas mababa kaysa sa bago paghahalo (larawan 1c).

Ipinakita ng eksperimento na pagkatapos ng paghahalo, napuno ng maliliit na buto ng poppy ang mga libreng puwang sa pagitan ng mga gisantes, bilang isang resulta kung saan ang kabuuang dami na inookupahan ng pinaghalong nabawasan. Ang isang katulad na sitwasyon ay nangyayari kapag ang paghahalo ng tubig sa alkohol at ilang iba pang mga likido. Ang kanilang mga molekula ay dumating sa lahat ng laki at hugis. Bilang resulta, pinupunan ng maliliit na particle ang mga puwang sa pagitan ng mas malalaking particle at nababawasan ang dami ng likido.

Larawan 1. Ang mga sumusunod na yugto ng pag-aaral ng modelo ng compression:

a) beans at poppy seeds sa magkahiwalay na sisidlan,

b) mga butil pagkatapos malaglag, c) pagbawas sa dami ng mga butil pagkatapos ng paghahalo

Mga modernong implikasyon

Ngayon ay kilala na ang lahat ng mga katawan sa paligid natin ay binubuo ng mga molekula, at ang mga iyon naman ay binubuo ng mga atomo. Parehong molecule at atoms ay nasa pare-parehong random na paggalaw, ang bilis nito ay depende sa temperatura. Salamat sa mga modernong mikroskopyo, lalo na ang pag-scan ng tunneling microscope (STM), ang mga indibidwal na atom ay maaaring maobserbahan. Alam din ang mga pamamaraan na gumagamit ng atomic force microscope (AFM-), na nagbibigay-daan sa iyong tumpak na ilipat ang mga indibidwal na atom at pagsamahin ang mga ito sa mga system na tinatawag na mga nanostructure. Ang epekto ng compression ay mayroon ding mga praktikal na implikasyon. Dapat nating isaalang-alang ito kapag pumipili ng dami ng ilang partikular na likidong kinakailangan upang makakuha ng pinaghalong kinakailangang dami. Dapat mong isaalang-alang ito, kasama. sa paggawa ng mga vodka, na, tulad ng alam mo, ay mga pinaghalong pangunahin na ethyl alcohol (alkohol) at tubig, dahil ang dami ng nagresultang inumin ay mas mababa kaysa sa kabuuan ng mga volume ng mga sangkap.