Корак ка нанотехнологији

Пре хиљадама година људи су се питали од чега су направљена околна тела. Одговори су били различити. У старој Грчкој, научници су изразили мишљење да се сва тела састоје од малих недељивих елемената, које су називали атомима. Колико мало нису могли да укажу. Неколико векова, ставови Грка остали су само хипотезе. Они су им враћени у КСНУМКС веку, када су спроведени експерименти за процену величина молекула и атома.

Изведен је један од историјски значајних експеримената који је омогућио израчунавање величина честица енглески научник Лорд Рејли. Пошто је једноставан за извођење и истовремено веома убедљив, покушајмо да га поновимо код куће. Затим се окрећемо још два експеримента који ће нам омогућити да научимо нека својства молекула.

Које су величине честица?

Пиринач. 1. Метода за припрему шприца за стављање у њега раствора уља у екстрахованом бензину; п – поксилина,

ц – шприц

Покушајмо да одговоримо на ово питање спроводећи следећи експеримент. Из шприца од 2 цм³ извадите клип и затворите његов излаз поксилином тако да потпуно испуни излазну цев намењену за убацивање игле (слика 1). Чекамо неколико минута док се Поксилина не стврдне. Када се то деси, сипајте у шприц око 0,2 цм³ јестиво уље и забележите ову вредност. Ово је количина уља која се користи._o. Преосталу запремину шприца напуните бензином. Мешајте обе течности жицом док се не добије хомогени раствор и фиксирајте шприц вертикално у било који држач.

Затим у умиваоник сипајте топлу воду тако да јој дубина буде 0,5-1 цм.Користите топлу воду, али не врућу, да се не види пара која се диже. Повлачимо папирну траку дуж површине воде неколико пута тангенцијално на њу да бисмо очистили површину од насумичних полена.

Сакупљамо мало мешавине уља и бензина у капаљку и провлачимо капаљку кроз центар посуде са водом. Лаганим притиском на гумицу испуштамо што мању кап на површину воде. Кап мешавине уља и бензина широко ће се раширити у свим правцима по површини воде и под најповољнијим условима формирати веома танак слој дебљине једног пречника честице – тзв. мономолекуларни слој. Након неког времена, обично неколико минута, бензин ће испарити (што се убрзава порастом температуре воде), остављајући мономолекуларни слој уља на површини (слика 2). Добијени слој најчешће има облик круга пречника неколико центиметара или више.

Пиринач. 2. Мономолекуларни слој уља на површини воде

м – карлица, ц – вода, о – уље, Д – пречник формације, г – дебљина формације

(величина честица уља)

Осветљавамо површину воде усмеравањем снопа светлости из батеријске лампе дијагонално на њу. Због тога су границе слоја видљивије. Његов приближни пречник Д лако можемо одредити помоћу лењира који се држи непосредно изнад површине воде. Знајући овај пречник, можемо израчунати површину слоја С користећи формулу за површину круга:

Кад бисмо знали колика је запремина уља В₁ садржано у испуштеној капи, онда би се пречник молекула уља д могао лако израчунати, под претпоставком да се уље истопило и формирало слој површине С, тј.

Након поређења формула (1) и (2) и једноставне трансформације, добијамо формулу која нам омогућава да израчунамо величину честице уља:

Најлакши, али не и најтачнији начин за одређивање запремине В₁ је да се провери колико капи може да се добије од укупне запремине смеше која се налази у шприцу и подели запремину уља Во који се користи овим бројем. Да бисмо то урадили, сакупљамо смешу у пипету и стварамо капљице, покушавајући да буду исте величине као када се испуштају на површину воде. То радимо док се цела смеша не исцрпи.

Прецизнији, али дуготрајнији метод је да се кап уља више пута испусти на површину воде, добије се мономолекуларни слој уља и измери његов пречник. Наравно, пре сваког слоја претходно коришћена вода и уље морају се излити из умиваоника и прелити чисто. Из добијених мерења израчунава се аритметичка средина.

Замењујући добијене вредности у формулу (3), не заборавите да претворите јединице и изразите израз у метрима (м) и В₁ у кубним метрима (м³). Добијте величину честице у метрима. Ова величина зависи од врсте уља које се користи. Резултат може бити погрешан због поједностављених претпоставки, посебно зато што слој није био мономолекуларан и да величине капљица нису увек биле исте. Лако је видети да одсуство мономолекуларног слоја доводи до прецењивања вредности д. Уобичајене величине честица уља су у опсегу од 10^-8-КСНУМКС^-9 м. Блок 10^-9 м се зове нанометар и често се користи у пољу које је у процвату познатом као нанотехнологија.

"Нестаје" запремина течности

Пиринач. 3. Дизајн посуде за испитивање скупљања течности;

г – провидна пластична цев, п – полиоксилин, л – лењир,

т – провидна трака

Следећа два експеримента ће нам омогућити да закључимо да молекули различитих тела имају различите облике и величине. Да бисте урадили прво, исеците два комада провидне пластичне цеви, оба унутрашњег пречника 1-2 цм и дужине 30 цм. Сваки комад цеви је залепљен са неколико комада лепљиве траке на ивицу посебног лењира насупрот скали (сл. . 3). Затворите доње крајеве црева поксилинским чеповима. Причврстите оба лењира са лепљеним цревима у вертикалном положају. У једно црево сипајте толико воде да се направи стуб око половине дужине црева, рецимо 14 цм.У другу епрувету сипајте исту количину етил алкохола.

Сада питамо, колика ће бити висина стуба мешавине обе течности? Покушајмо експериментално да добијемо одговор на њих. Сипајте алкохол у црево за воду и одмах измерите горњи ниво течности. Овај ниво означавамо водоотпорним маркером на цреву. Затим помешајте обе течности жицом и поново проверите ниво. Шта примећујемо? Испоставља се да се овај ниво смањио, тј. запремина смеше је мања од збира запремина састојака који се користе за њену производњу. Ова појава се назива контракција запремине течности. Смањење запремине је обично неколико процената.

Објашњење модела

Да бисмо објаснили ефекат компресије, спровешћемо модел експеримента. Молекули алкохола у овом експерименту биће представљени зрном грашка, а молекули воде ће бити семенке мака. У прву, уску провидну посуду, на пример високу теглу, сипајте грашак крупног зрна висине око 0,4 м. У другу сличну посуду исте висине сипајте мак (слика 1а). Затим сипамо мак у посуду са грашком и лењиром меримо висину до које досеже горњи ниво зрна. Овај ниво означавамо маркером или фармацеутском гуменом траком на посуди (слика 1б). Затворите посуду и протресите неколико пута. Постављамо их вертикално и проверавамо до које висине сада достиже горњи ниво мешавине зрна. Испоставило се да је ниже него пре мешања (слика 1ц).

Експеримент је показао да је након мешања ситно семе мака испунило слободне просторе између грашка, услед чега се смањила укупна запремина коју мешавина заузима. Слична ситуација се дешава и при мешању воде са алкохолом и неким другим течностима. Њихови молекули долазе у свим величинама и облицима. Као резултат тога, мање честице попуњавају празнине између већих честица и запремина течности се смањује.

Слика 1. Следеће фазе проучавања модела компресије:

а) пасуљ и мак у одвојеним посудама,

б) зрна после осипања, в) смањење запремине зрна после мешања

Модерне импликације

Данас је добро познато да су сва тела око нас састављена од молекула, а она од атома. И молекули и атоми су у сталном насумичном кретању, чија брзина зависи од температуре. Захваљујући савременим микроскопима, посебно скенирајућем тунелском микроскопу (СТМ), могу се посматрати појединачни атоми. Познате су и методе које користе микроскоп атомске силе (АФМ-), који вам омогућава да прецизно померате појединачне атоме и комбинујете их у системе тзв. наноструктуре. Ефекат компресије такође има практичне импликације. Ово морамо узети у обзир при одабиру количине одређених течности неопходних за добијање смеше потребне запремине. Морате то узети у обзир, укљ. у производњи вотке, које су, као што знате, мешавине углавном етил алкохола (алкохола) и воде, пошто ће запремина добијеног пића бити мања од збира запремина састојака.