Schrëtt a Richtung Nanotechnologie

Virun Dausende vu Joer hunn d'Leit sech gefrot, aus wat d'Kierper ëmginn ass. D'Äntwerten variéiert. Am antike Griicheland hunn d'Wëssenschaftler d'Meenung ausgedréckt datt all Kierper aus klengen ondeelbaren Elementer besteet, déi se Atomer genannt hunn. Wéi wéineg, konnten se net präziséieren. Fir e puer Joerhonnerte sinn d'Meenungen vun de Griichen nëmmen Hypothesen bliwwen. Si goufen hinnen am XNUMXth Joerhonnert zréckgezunn, wann Experimenter duerchgefouert goufen fir d'Gréisst vu Molekülen an Atomer ze schätzen.

Ee vun den historesch bedeitendsten Experimenter, déi et méiglech gemaach hunn, Partikelgréissten ze berechnen, gouf duerchgefouert Englesch Wëssenschaftler Lord Rayleigh. Well et einfach ze maachen ass a gläichzäiteg ganz iwwerzeegend ass, loosst eis probéieren et doheem ze widderhuelen. Da wende mir eis op zwee aner Experimenter, déi eis erlaben e puer vun den Eegeschafte vu Molekülen ze léieren.

Wat sinn d'Partikelgréissten?

Reis. 1. Eng Methode fir eng Sprëtz ze preparéieren fir eng Léisung vun Ueleg an extrahéierte Benzin ze setzen; p - poxylin,

c - Sprëtz

Loosst eis probéieren dës Fro ze beäntweren andeems Dir de folgenden Experiment ausféiert. Vun enger 2 cm Sprëtz³ Huelt de Plunger erof a schléisst säin Auslaaf mat Poxiline sou datt et den Ausgangsröhr komplett ausfëllt fir d'Insertioun vun der Nadel (Fig. 1). Mir waarden e puer Minutten bis Poxilina härt. Wann dat geschitt, gitt an d'Sprëtz ongeféier 0,2 cm³ essbare Ueleg a notéiert dëse Wäert. Dëst ass d'Quantitéit vum Ueleg benotzt._o. Fëllt de Rescht Volume vun der Sprëtz mat Benzin. Mix béid Flëssegkeete mat engem Drot bis eng homogen Léisung kritt gëtt a fixéiert d'Sprëtz vertikal an all Halter.

Da gitt waarm Waasser an de Basin, sou datt seng Tiefe 0,5-1 cm ass.Benotzt waarm Waasser, awer net waarm, sou datt de steigenden Damp net ze gesinn ass. Mir zéien e Pabeierstreifen laanscht d'Uewerfläch vum Waasser e puer Mol tangentiell op et fir d'Uewerfläch vum zoufälleg Pollen ze botzen.

Mir sammelen eng kleng Mëschung aus Ueleg a Benzin an den Drëpsen a fuere den Drëpsen duerch d'Mëtt vum Schiff mat Waasser. Dréckt sanft op de Gummi, mir falen esou kleng wéi méiglech e Tropfen op d'Uewerfläch vum Waasser. E Tropfen vun enger Mëschung aus Ueleg a Benzin verbreet sech wäit an all Richtungen iwwer d'Uewerfläch vum Waasser a bilden eng ganz dënn Schicht mat enger Dicke gläich wéi engem Partikelduerchmiesser ënner de gënschtegsten Konditiounen - déi sougenannt monomolekulär Schicht. No enger Zäit, normalerweis e puer Minutten, verdampft de Benzin (beschleunegt duerch d'Erhéijung vun der Waassertemperatur), a léisst eng monomolekulär Uelegschicht op der Uewerfläch (Fig. 2). Déi resultéierend Schicht huet meeschtens d'Form vun engem Krees mat engem Duerchmiesser vu e puer Zentimeter oder méi.

Reis. 2. Monomolecular Schicht vun Ueleg op der Waasser Uewerfläch

m – Becken, c – Waasser, o – Ueleg, D – Formation Duerchmiesser, d – Formation Dicke

(Ueleg Partikelgréisst)

Mir beliichten d'Waasseroberfläche andeems mir e Liichtstrahl vun enger Taschenlamp diagonal drop riichten. Dofir sinn d'Grenze vun der Schicht méi siichtbar. Mir kënnen säin ongeféieren Duerchmiesser D ganz einfach aus engem Lineal bestëmmen, deen just iwwer der Uewerfläch vum Waasser gehale gëtt. Wann Dir dësen Duerchmiesser kennt, kënne mir d'Gebitt vun der Schicht S berechnen mat der Formel fir d'Gebitt vun engem Krees:

Wa mir wossten wat de Volume vun Ueleg V ass₁ am erofgaangenen Drëps enthale sinn, da konnt den Duerchmiesser vum Uelegmolekül d liicht berechent ginn, unzehuelen datt den Ueleg geschmollt an eng Schicht mat enger Uewerfläch S geformt huet, d.h.:

Nodeems mir d'Formelen (1) an (2) an eng einfach Transformatioun vergläichen, kréie mir eng Formel déi eis erlaabt d'Gréisst vun engem Uelegpartikel ze berechnen:

Deen einfachsten, awer net de genauste Wee fir de Volume V ze bestëmmen₁ ass fir z'iwwerpréiwen wéivill Drëpsen aus dem Gesamtvolumen vun der Mëschung an der Sprëtz kritt kënne ginn an de Volume vun Ueleg Vo benotzt vun dëser Zuel deelt. Fir dëst ze maachen, sammelen mir d'Mëschung an enger Pipette a kreéieren Drëpsen, probéiert se déi selwecht Gréisst ze maachen wéi wann se op d'Uewerfläch vum Waasser gefall sinn. Mir maachen dat bis déi ganz Mëschung erschöpft ass.

Eng méi genee, awer méi Zäitopwänneg Method ass ëmmer erëm en Uelegdrop op d'Waasseroberfläche ze falen, eng monomolekulär Uelegschicht ze kréien a säin Duerchmiesser ze moossen. Natierlech, ier all Schicht gemaach gëtt, muss de virdru benotzte Waasser an Ueleg aus dem Basin gegoss ginn a propper gegoss ginn. Vun de kritt Miessunge gëtt de arithmetesche Moyenne berechent.

Ersetzen déi kritt Wäerter an d'Formel (3), vergiesst net d'Eenheeten ze konvertéieren an den Ausdrock a Meter (m) a V auszedrécken₁ an Kubikmeter (m³). Gitt d'Partikelgréisst a Meter. Dës Gréisst hänkt vun der Aart vun Ueleg benotzt. D'Resultat ka falsch sinn wéinst de vereinfachte Viraussetzungen, besonnesch well d'Schicht net monomolekulär war an datt d'Drëpsgréissten net ëmmer d'selwecht waren. Et ass einfach ze gesinn datt d'Feele vun enger monomolekulärer Schicht zu enger Iwwerschätzung vum Wäert vun d. Déi üblech Gréisste vun Uelegpartikelen sinn am Beräich vun 10^-8-10^-9 m. Block 10^-9 m genannt gëtt nanometer a gëtt dacks am boomende Feld benotzt bekannt als Nanotechnologie.

"Verschwannen" Volumen vu Flëssegkeet

Reis. 3. Den Design vum flëssege Schrumpfungstestbehälter;

g - transparent, Plastiksrohr, p - Poxylin, l - Lineal,

t - transparent Band

Déi folgend zwee Experimenter erlaben eis ze schléissen datt d'Moleküle vu verschiddene Kierper verschidde Formen a Gréissten hunn. Fir d'éischt schneiden zwee Stécker vun transparenten Plastikröhren, souwuel 1-2 cm am internen Duerchmiesser an 30 cm laang.All Stéck Röhre gëtt mat e puer Stéck Klebeband un de Rand vun engem getrennten Lineal vis-à-vis vun der Skala gepecht (Fig. 3). Zoumaachen déi ënnescht Enn vun de Schlauch mat Poxylin Stecker. Fixéiert déi zwee Linealer mat gekollt Schlauch an enger vertikaler Positioun. Gidd genuch Waasser an ee vun de Schlauch fir eng Kolonn ongeféier d'Halschent vun der Längt vum Schlauch ze maachen, sot 14 cm.Gitt déi selwecht Quantitéit Ethylalkohol an dat zweet Reagenzglieser.

Elo froe mir, wat wäert d'Héicht vun der Kolonn vun der Mëschung vu béide Flëssegkeeten sinn? Loosst eis probéieren experimentell eng Äntwert op hinnen ze kréien. Gitt Alkohol an de Waasserschlauch an moosst direkt den Topniveau vun der Flëssegkeet. Mir markéieren dësen Niveau mat engem waasserdichte Marker um Schlauch. Dann mëschen béid Flëssegkeeten mat engem Drot a kontrolléiert den Niveau erëm. Wat mierken mir? Et stellt sech eraus datt dësen Niveau erofgaang ass, d.h. de Volume vun der Mëschung ass manner wéi d'Zomm vun de Volumen vun den Zutaten, déi benotzt gi fir se ze produzéieren. Dëst Phänomen gëtt Flëssegkeetsvolumen Kontraktioun genannt. D'Reduktioun vum Volume ass normalerweis e puer Prozent.

Modellerklärung

Fir de Kompressiounseffekt z'erklären, wäerte mir e Modellexperiment maachen. Alkoholmoleküle an dësem Experiment ginn duerch Erbsenkorn vertruede ginn, a Waassermoleküle wäerten Mohnsamen sinn. Gießen grouss-grained Erbsen ongeféier 0,4 m héich an déi éischt, schmuel, transparent Plat, zum Beispill, eng grouss Jar. Pour mohn Samen an déi zweet selwecht Schëffer vun der selwechter Héicht (Foto 1a). Da gi mer Mohnsamen an e Schiff mat Erbsen a benotzen e Lineal fir d'Héicht ze moossen, op déi den Topniveau vu Kären erreecht. Mir markéieren dësen Niveau mat engem Marker oder engem pharmazeuteschen Gummiband op de Schiff (Foto 1b). Maacht de Container zou a schütt et e puer Mol. Mir setzen se vertikal a kontrolléieren op wéi eng Héicht den ieweschte Niveau vun der Getreidemëschung elo erreecht. Et stellt sech eraus datt et méi niddereg ass wéi virum Vermëschung (Foto 1c).

D'Experiment huet gewisen, datt nom Vermëschung kleng Mohnsamen déi fräi Plazen tëscht den Erbsen gefüllt hunn, als Resultat vun deem d'Gesamtvolumen, déi vun der Mëschung besat ass, erofgaang ass. Eng ähnlech Situatioun geschitt wann Waasser mat Alkohol an e puer aner Flëssegkeeten vermëschen. Hir Moleküle kommen an alle Gréissten a Formen. Als Resultat fëllen méi kleng Partikelen d'Lücken tëscht gréissere Partikelen an de Volume vun der Flëssegkeet gëtt reduzéiert.

Foto 1. Déi folgend Etappe vun der Studie vum Kompressiounsmodell:

a) Bounen a Mohnsamen an getrennten Behälter,

b) Kären nom Offall, c) Reduktioun vum Volume vu Kären no Mëschung

Modern Implikatioune

Haut ass et bekannt datt all d'Kierper ronderëm eis aus Moleküle besteet, an déi, am Tour, aus Atomer sinn. Béid Molekülen an Atomer sinn a konstante zoufälleg Bewegung, d'Geschwindegkeet vun där hänkt vun der Temperatur of. Dank modernen Mikroskopen, besonnesch dem Scannentunnelmikroskop (STM), kënnen eenzel Atomer observéiert ginn. Methoden sinn och bekannt, déi en Atomkraaftmikroskop (AFM-) benotzen, wat Iech erlaabt individuell Atomer präzis ze beweegen an ze kombinéieren a Systemer genannt nanostrukturen. De Kompressiounseffekt huet och praktesch Implikatiounen. Mir mussen dëst berücksichtegen wann Dir d'Quantitéit vu bestëmmte Flëssegkeete wielt déi néideg ass fir eng Mëschung vum erfuerderleche Volumen ze kréien. Dir musst et Rechnung droen, inkl. an der Produktioun vu Wodka, déi, wéi Dir wësst, Mëschunge vun haaptsächlech Ethylalkohol (Alkohol) a Waasser sinn, well de Volume vum resultéierende Getränk manner wéi d'Zomm vun de Volumen vun den Zutaten ass.