Нанотехнологияга кадам таштоо

Миңдеген жылдар мурун адамдар курчап турган денелер эмнеден жасалганына кызыккан. Жооптор ар кандай болду. Байыркы Грецияда окумуштуулар бардык денелер атомдор деп атаган майда бөлүнгүс элементтерден турат деген пикирди айтышкан. Канчалык аз, так айта алышкан жок. Бир нече кылымдар бою гректердин көз караштары гипотеза катары гана кала берген. Алар XNUMX-кылымда, молекулалардын жана атомдордун өлчөмүн баалоо үчүн эксперименттер жүргүзүлгөндө аларга кайтарылган.

бөлүкчөлөрдүн өлчөмдөрүн эсептөөгө мүмкүндүк берген тарыхый маанилүү эксперименттердин бири ишке ашырылды Англис окумуштуусу Лорд Рэйли. Аткаруу жөнөкөй жана ошол эле учурда абдан ынанымдуу болгондуктан, аны үйдө кайталаганга аракет кылалы. Андан кийин биз молекулалардын кээ бир касиеттерин үйрөнүүгө мүмкүндүк бере турган дагы эки экспериментке кайрылабыз.

Бөлүкчөлөрдүн өлчөмдөрү кандай?

Райс. 1. Алынган бензинге майдын эритмесин салуу үчүн шприцти даярдоо ыкмасы; p - поксилин,

в - шприц

Бул суроого төмөнкү экспериментти жүргүзүү менен жооп берүүгө аракет кылалы. 2 см шприцтен³ плунжерди алып салыңыз жана ийнени киргизүүгө арналган чыгуучу түтүктү толугу менен толтургудай кылып анын чыгуучу жерин Поксилин менен бекитиңиз (1-сүрөт). Poxilina катып калганга чейин бир нече мүнөт күтөбүз. Мындай болгондо, шприцке болжол менен 0,2 см куюңуз³ жегич май жана бул маанини жазыңыз. Бул колдонулган майдын көлөмү._o. Шприцтин калган көлөмүн бензин менен толтуруңуз. Бир тектүү эритме алынганга чейин эки суюктукту тең зым менен аралаштырыңыз жана шприцти вертикалдуу түрдө каалаган кармагычка бекитиңиз.

Андан соң бассейнге анын тереңдиги 0,5-1 см болгудай жылуу суу куюп, көтөрүлүп жаткан буу көрүнбөшү үчүн жылуу сууну колдонуңуз, бирок ысык эмес. Кагаз тилкесин суунун үстүн бойлото ага бир нече жолу тангенциалдуу сүйрөп чыгабыз, бетин туш келди чаңчалардан тазалайбыз.

Тамчылаткычка май менен бензиндин бир аз аралашмасын чогултуп, тамчылаткычты идиштин ортосунан суу менен айдайбыз. Өчүргүчтү акырын басып, суунун бетине мүмкүн болушунча кичине тамчыны тамчылайбыз. Нефть менен бензиндин аралашмасынын бир тамчысы суунун бетине бардык багыттар боюнча кеңири жайылып, эң ыңгайлуу шарттарда калыңдыгы бир бөлүкчөнүн диаметрине барабар өтө жука катмарды пайда кылат. мономолекулярдык катмар. Бир нече убакыттан кийин, адатта, бир нече мүнөттөн кийин, бензин бууланып (суунун температурасынын көтөрүлүшү менен тездетип), бетинде мономолекулалык май катмары калат (2-сүрөт). Натыйжада катмар көбүнчө бир нече сантиметр же андан көп диаметри менен тегеректин формасына ээ.

Райс. 2. Суу бетиндеги майдын мономолекулалык катмары

м – жамбаш, в – суу, о – май, D – катмар диаметри, d – катмардын калыңдыгы

(май бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү)

Биз суунун бетин жарыктандыруучу фонариктен жарыктын шооласын ага диагональ боюнча багыттайбыз. Ушундан улам катмардын чек аралары көбүрөөк көрүнүп турат. Биз анын болжолдуу диаметрин D суунун үстүнкү бетинде кармалуучу сызгычтан оңой эле аныктай алабыз. Бул диаметрди билип, биз тегеректин аянты үчүн формуланы колдонуп S катмарынын аянтын эсептей алабыз:

Эгерде мунайдын көлөмү канча экенин билсек V₁ тамчыда камтылган болсо, анда мунай молекуласынын диаметрин d оңой эсептөөгө болот, мунай эрип, S бети бар катмарды түздү, б.а.

(1) жана (2) формулаларды жана жөнөкөй өзгөртүүнү салыштырып көргөндөн кийин, мунай бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүн эсептөөгө мүмкүндүк берген формуланы алабыз:

Көлөмдү аныктоонун эң оңой, бирок так эмес жолу V₁ шприцтин ичиндеги аралашманын жалпы көлөмүнөн канча тамчы алууга болорун текшерүү жана колдонулган майдын Vo көлөмүн ушул санга бөлүү. Бул үчүн биз аралашманы пипеткага чогултуп, тамчыларды түзөбүз, аларды суунун бетине түшүргөндөй көлөмдө кылууга аракет кылабыз. Биз муну бүт аралашма түгөнгөнгө чейин жасайбыз.

Тагыраак, бирок көп убакытты талап кылган ыкма суунун бетине бир нече жолу мунай тамчысын түшүрүү, мономолекулярдык мунай катмарын алуу жана анын диаметрин өлчөө. Албетте, ар бир катмар жасалаардан мурун, мурда колдонулган суу жана майды бассейнден куюп, таза төгүү керек. Алынган өлчөөлөрдөн орточо арифметикалык көрсөткүч эсептелет.

Алынган маанилерди формулага (3) алмаштыруу менен, бирдиктерди айландырууну жана туюнтманы метр (м) жана V менен туюнтууну унутпаңыз.₁ куб метр менен (м³). Бөлүкчөлөрдүн өлчөмүн метр менен алыңыз. Бул өлчөмү колдонулган мунай түрүнө жараша болот. Натыйжа жасалган жөнөкөйлөштүрүлгөн божомолдордон улам жаңылыш болушу мүмкүн, атап айтканда, катмар мономолекулярдык эмес болгондуктан жана тамчылардын өлчөмдөрү дайыма бирдей болгон эмес. Мономолекулярдык катмардын жоктугу d маанисин ашыкча баалоого алып келерин көрүү оңой.Мунай бөлүкчөлөрүнүн кадимки өлчөмдөрү 10 диапазондо.^-8-10^-9 м 10-блок^-9 м деп аталат нанометр жана көбүнчө катары белгилүү өнүгүп жаткан талаада колдонулат нанотехнология.

Суюктуктун "жоголгон" көлөмү

Райс. 3. Суюктуктун кичирейүүсүн текшерүүчү идиштин конструкциясы;

g - тунук, пластик түтүк, p - poxylin, l - сызгыч,

t - тунук лента

Төмөнкү эки эксперимент ар кандай денелердин молекулалары ар кандай формага жана өлчөмдөргө ээ деген тыянак чыгарууга мүмкүндүк берет. Биринчиси үчүн ички диаметри 1-2 см жана узундугу 30 см болгон тунук пластмасса түтүктүн эки бөлүгүн кесип алыңыз.Ар бир түтүкчө бир нече кесим скотч менен шкалага карама-каршы өзүнчө сызгычтын четине чапталат (сүрөт. 3). Шлангдардын астыңкы учтарын поксилин тығындары менен жабыңыз. Эки сызгычты тең желим түтүктөр менен тик абалда бекитиңиз. Шлангдардын бирине жетишерлик суу куюп, шлангдын жарымына жакын узундуктагы мамыча жасайбыз, айталы, 14 см.Экинчи пробиркага ошол эле өлчөмдө этил спиртин куюңуз.

Эми эки суюктуктун аралашмасынын колоннасынын бийиктиги кандай болот деп сурайбыз? Келгиле, аларга эксперименталдык түрдө жооп алууга аракет кылалы. Суу түтүкчөсүнө спирт куюп, суюктуктун жогорку деңгээлин дароо өлчөңүз. Бул деңгээлди шлангдагы суу өткөрбөгөн маркер менен белгилейбиз. Андан кийин эки суюктукту тең зым менен аралаштырып, деңгээлин дагы бир жолу текшериңиз. Биз эмнени байкайбыз? Көрсө, бул деңгээл төмөндөп кеткен, б.а. аралашманын көлөмү аны өндүрүү үчүн колдонулган ингредиенттердин көлөмүнүн суммасынан аз. Бул кубулуш суюктуктун көлөмүнүн кыскарышы деп аталат. көлөмүнүн кыскарышы, адатта, бир нече пайызды түзөт.

Моделдик түшүндүрмө

кысуу таасирин түшүндүрүү үчүн, биз моделдик эксперимент өткөрөт. Бул экспериментте спирт молекулалары буурчак дандары менен, ал эми суу молекулалары апийим уруктары болот. Биринчи, кууш, тунук идишке, мисалы, бийик банкага 0,4 м бийиктиктеги чоң бүртүкчөлүү буурчак куюп, ошол эле бийиктиктеги экинчи идишке апийимдин уругун куюңуз (сүрөт 1а). Андан кийин апийим үрөнүн буурчак салынган идишке куюп, сызгыч менен дандын эң жогорку деңгээли жеткен бийиктикти өлчөйбүз. Бул деңгээлди идиштеги маркер же фармацевтикалык резина менен белгилейбиз (сүрөт 1б). Контейнерди жаап, бир нече жолу чайкаңыз. Аларды вертикалдуу коюп, дан аралашмасынын жогорку деңгээли азыр кандай бийиктикке жеткенин текшеребиз. Ал аралаштырганга караганда төмөн экени көрүнүп турат (фото 1c).

Тажрыйба көрсөткөндөй, аралаштыргандан кийин майда апийим уруктары буурчактын ортосундагы бош жерлерди толтурган, натыйжада аралашма ээлеген жалпы көлөмү азайган. Ушундай эле абал сууну спирт жана башка суюктуктар менен аралаштырганда да болот. Алардын молекулалары бардык өлчөмдө жана формада болот. Натыйжада, кичинекей бөлүкчөлөр чоңураак бөлүкчөлөрдүн ортосундагы боштуктарды толтуруп, суюктуктун көлөмү азаят.

Сүрөт 1. Кысуу моделин изилдөөнүн төмөнкү этаптары:

а) төө буурчак жана апийим уруктары өзүнчө идиштерге;

б) төккөндөн кийин дан, в) аралаштыргандан кийин дан көлөмүнүн азайышы

Заманбап кесепеттер

Бүгүнкү күндө бизди курчап турган бардык денелер молекулалардан, алар болсо атомдордон турганы белгилүү. Молекулалар да, атомдор да тынымсыз туш келди кыймылда, ылдамдыгы температурадан көз каранды. Заманбап микроскоптордун, өзгөчө сканерлөөчү туннелдик микроскоптун (STM) аркасында жеке атомдорду байкоого болот. Атомдук күч микроскобун (AFM-) колдонгон методдор да белгилүү, ал жеке атомдорду так жылдырууга жана аларды аталган системаларга бириктирүүгө мүмкүндүк берет. наноструктуралар. Кысуу эффектинин практикалык мааниси да бар. Керектүү көлөмдөгү аралашманы алуу үчүн зарыл болгон айрым суюктуктардын көлөмүн тандоодо муну эске алышыбыз керек. Аны эске алуу керек, анын ичинде. арактарды өндүрүүдө, алар, белгилүү болгондой, негизинен этил спирти (алкоголь) жана суу аралашмасы болуп саналат, анткени натыйжасында суусундуктун көлөмү ингредиенттердин көлөмүнүн суммасынан аз болот.