Нанотехнологияға қадам жасаңыз

Мыңдаған жылдар бұрын адамдар айналадағы денелер неден тұрады деп таң қалды. Жауаптар әртүрлі болды. Ежелгі Грецияда ғалымдар барлық денелер атомдар деп атаған ұсақ бөлінбейтін элементтерден тұрады деген пікір білдірді. Қаншалықты аз, олар нақтылай алмады. Бірнеше ғасырлар бойы гректердің көзқарастары тек гипотеза болып қала берді. Олар XNUMX ғасырда молекулалар мен атомдардың мөлшерін бағалау үшін эксперименттер жүргізілген кезде оларға қайтарылды.

Бөлшектердің өлшемдерін есептеуге мүмкіндік беретін тарихи маңызды тәжірибелердің бірі жүргізілді Ағылшын ғалымы Лорд Рэйли. Орындау қарапайым және сонымен бірге өте сенімді болғандықтан, оны үйде қайталауға тырысайық. Содан кейін біз молекулалардың кейбір қасиеттерін білуге ​​​​мүмкіндік беретін тағы екі тәжірибеге жүгінеміз.

Бөлшектердің өлшемдері қандай?

Күріш. 1. Экстракцияланған бензинге мұнай ерітіндісін салуға арналған шприцті дайындау тәсілі; p - поксилин,

в - шприц

Бұл сұраққа келесі тәжірибені жүргізу арқылы жауап беруге тырысайық. 2 см шприцтен³ поршеньді алып тастаңыз және оның саңылауын инені енгізуге арналған шығатын түтікті толығымен толтыратындай етіп Поксилинмен жабыңыз (Cурет 1). Біз Poxilina қатайғанша бірнеше минут күтеміз. Бұл кезде шприцке шамамен 0,2 см құйыңыз³ тағамдық май және осы мәнді жазып алыңыз. Бұл пайдаланылған майдың мөлшері._o. Шприцтің қалған көлемін бензинмен толтырыңыз. Біртекті ерітінді алынғанша екі сұйықтықты сыммен араластырыңыз және шприцті кез келген ұстағышқа тігінен бекітіңіз.

Содан кейін бассейнге оның тереңдігі 0,5-1 см болатындай жылы су құйыңыз, көтеріліп жатқан бу көрінбейтін етіп жылы суды пайдаланыңыз, бірақ ыстық емес. Кездейсоқ тозаңның бетін тазарту үшін біз қағаз жолағын су беті бойымен оған жанама түрде бірнеше рет сүйреп апарамыз.

Тамшылағышқа май мен бензиннің кішкене қоспасын жинап, тамызғышты ыдыстың ортасынан сумен өткіземіз. Өшіргішті ақырын басып, су бетіне мүмкіндігінше аз тамшысын тамызамыз. Мұнай мен бензин қоспасының бір тамшысы су бетінде барлық бағыттарда кең таралады және ең қолайлы жағдайларда қалыңдығы бір бөлшек диаметріне тең өте жұқа қабат түзеді - деп аталатын мономолекулалық қабат. Біраз уақыттан кейін, әдетте, бірнеше минуттан кейін бензин буланып (бұл су температурасының көтерілуімен жеделдетіледі), бетінде мономолекулалық май қабаты қалады (2-сурет). Алынған қабат көбінесе диаметрі бірнеше сантиметр немесе одан да көп шеңбер пішініне ие.

Күріш. 2. Су бетіндегі мұнайдың мономолекулалық қабаты

m – жамбас, с – су, o – мұнай, D – қабат диаметрі, d – қабат қалыңдығы

(май бөлшектерінің мөлшері)

Шамның жарық шоғын диагональ бойынша бағыттау арқылы су бетін жарықтандырамыз. Осыған байланысты қабаттың шекаралары көбірек көрінеді. Біз оның шамамен D диаметрін су бетінің дәл үстінде орналасқан сызғыш арқылы оңай анықтай аламыз. Бұл диаметрді біле отырып, біз S қабатының ауданын шеңбердің ауданы үшін формула арқылы есептей аламыз:

Мұнайдың көлемі қандай екенін білсек V₁ төмендеген тамшы құрамында болса, онда мұнай молекуласының диаметрін d оңай есептеуге болады, егер мұнай балқып, S беті бар қабат түзді, яғни:

(1) және (2) формулаларды және қарапайым түрлендіруді салыстырғаннан кейін мұнай бөлшектерінің өлшемін есептеуге мүмкіндік беретін формуланы аламыз:

V көлемін анықтаудың ең оңай, бірақ дәл емес әдісі₁ шприцтегі қоспаның жалпы көлемінен қанша тамшы алуға болатынын тексеру және жұмсалған майдың Vo көлемін осы санға бөлу. Мұны істеу үшін біз қоспаны тамшуырға жинап, тамшылар жасаймыз, оларды су бетіне түсірген кездегідей етіп жасауға тырысамыз. Біз мұны бүкіл қоспасы таусылғанша жасаймыз.

Дәлірек, бірақ көп уақытты қажет ететін әдіс - су бетіне бір тамшы мұнайды бірнеше рет түсіріп, мұнайдың мономолекулалық қабатын алу және оның диаметрін өлшеу. Әрине, әрбір қабатты жасамас бұрын, бұрын пайдаланылған су мен майды бассейннен төгіп, таза құйып алу керек. Алынған өлшемдерден орташа арифметикалық шама есептеледі.

Алынған мәндерді формулаға (3) ауыстырып, бірліктерді түрлендіруді және өрнекті метр (м) және V арқылы көрсетуді ұмытпаңыз.₁ текше метрде (м³). Бөлшектердің өлшемін метрмен алыңыз. Бұл өлшем қолданылатын май түріне байланысты болады. Нәтиже жасалған жеңілдетілген болжамдарға байланысты қате болуы мүмкін, атап айтқанда, қабат мономолекулалық емес және тамшылардың өлшемдері әрқашан бірдей болмағандықтан. Мономолекулалық қабаттың болмауы d мәнін асыра бағалауға әкелетінін байқау қиын емес.Мұнай бөлшектерінің әдеттегі өлшемдері 10 диапазонында.^-8-10^-9 м 10 блок^-9 m деп аталады нанометр деп аталатын өркендеп келе жатқан өрісте жиі қолданылады нанотехнология.

Сұйықтықтың «жоғалу» көлемі

Күріш. 3. Сұйықтық шөгуін тексеретін ыдыстың конструкциясы;

g - мөлдір, пластик түтік, p - поксилин, l - сызғыш,

t - мөлдір таспа

Келесі екі тәжірибе әртүрлі денелердің молекулалары әртүрлі пішіндер мен өлшемдерге ие деген қорытынды жасауға мүмкіндік береді. Біріншісін орындау үшін ішкі диаметрі 1-2 см және ұзындығы 30 см болатын екі мөлдір пластик түтікшені кесіңіз.Трубаның әрбір бөлігі шкалаға қарама-қарсы бөлек сызғыштың шетіне бірнеше жабысқақ таспамен жабыстырылады (Cурет 3). 14). Түтіктердің төменгі ұштарын поксилин тығындарымен жабыңыз. Екі сызғышты желімделген түтіктермен тік күйде бекітіңіз. Шлангтардың біріне жеткілікті су құйып, шлангтың ұзындығының жартысына жуығы, айталық XNUMX см баған жасаңыз.Екінші пробиркаға бірдей мөлшерде этил спиртін құйыңыз.

Енді екі сұйықтық қоспасының бағанының биіктігі қандай болады деп сұраймыз? Оларға эксперименттік түрде жауап алуға тырысайық. Су түтігіне спиртті құйып, сұйықтықтың жоғарғы деңгейін дереу өлшеңіз. Біз бұл деңгейді шлангқа су өткізбейтін маркермен белгілейміз. Содан кейін екі сұйықтықты сыммен араластырып, деңгейін қайтадан тексеріңіз. Біз не байқаймыз? Бұл деңгей төмендегені белгілі болды, т. қоспаның көлемі оны өндіруге жұмсалған ингредиенттер көлемінің қосындысынан аз. Бұл құбылыс сұйықтық көлемінің қысқаруы деп аталады. Көлемнің төмендеуі әдетте бірнеше пайызды құрайды.

Үлгі түсіндіру

Сығымдау әсерін түсіндіру үшін үлгілік эксперимент жүргіземіз. Бұл тәжірибедегі алкоголь молекулалары бұршақ дәндерімен, ал су молекулалары көкнәр тұқымдарымен бейнеленетін болады. Бірінші, тар, мөлдір ыдысқа, мысалы, биік құмыраға биіктігі шамамен 0,4 м ірі түйіршікті бұршақ құйыңыз.Бірдей биіктіктегі екінші ұқсас ыдысқа көкнәр тұқымын құйыңыз (фото 1а). Содан кейін көкнәр тұқымын бұршақ салынған ыдысқа құйып, дәндердің жоғарғы деңгейі жететін биіктікті сызғышпен өлшейміз. Біз бұл деңгейді маркермен немесе ыдыстағы фармацевтикалық резеңке таспамен белгілейміз (фото 1b). Контейнерді жауып, бірнеше рет шайқаңыз. Біз оларды тігінен қойып, астық қоспасының жоғарғы деңгейі қазір қандай биіктікке жеткенін тексереміз. Ол араластырғанға қарағанда төменірек болып шықты (фото 1c).

Тәжірибе көрсеткендей, араластырғаннан кейін ұсақ көкнәр бұршақ арасындағы бос жерлерді толтырады, нәтижесінде қоспаның алатын жалпы көлемі азаяды. Ұқсас жағдай суды спиртпен және кейбір басқа сұйықтықтармен араластырғанда орын алады. Олардың молекулалары барлық өлшемдер мен пішіндерде келеді. Нәтижесінде кішірек бөлшектер үлкен бөлшектер арасындағы бос орындарды толтырады және сұйықтық көлемі азаяды.

Фото 1. Сығымдау моделін зерттеудің келесі кезеңдері:

а) бұршақтар мен көкнәр тұқымдары бөлек ыдыстарда;

б) төгілгеннен кейінгі дәндер, в) араластырғаннан кейін дән көлемінің азаюы

Заманауи салдарлар

Бүгінгі таңда бізді қоршаған барлық денелер молекулалардан, ал олар өз кезегінде атомдардан тұратыны белгілі. Молекулалар да, атомдар да тұрақты кездейсоқ қозғалыста болады, олардың жылдамдығы температураға байланысты. Қазіргі микроскоптардың, әсіресе сканерлеуші ​​туннельдік микроскоптың (STM) арқасында жеке атомдарды байқауға болады. Жеке атомдарды дәл жылжытуға және оларды жүйеге біріктіруге мүмкіндік беретін атомдық күшті микроскопты (AFM-) қолданатын белгілі әдістер де бар. наноқұрылымдар. Қысу әсерінің практикалық мәні де бар. Қажетті көлемнің қоспасын алу үшін қажетті белгілі бір сұйықтықтардың мөлшерін таңдау кезінде біз мұны ескеруіміз керек. Сіз оны ескеруіңіз керек, соның ішінде. Арақ өндірісінде, олар негізінен этил спирті (алкоголь) мен судың қоспалары болып табылады, өйткені алынған сусынның көлемі ингредиенттер көлемінің қосындысынан аз болады.