Шаг к нанотехнологиям

Тысячи лет назад люди задавались вопросом, из чего состоят окружающие тела. Ответы были разными. В Древней Греции ученые высказывали мнение, что все тела состоят из маленьких неделимых элементов, которые они называли атомами. Насколько мало – они не смогли указать. На протяжении нескольких столетий взгляды греков оставались лишь гипотезами. Их вернули им в XNUMX веке, когда проводились опыты по оценке размеров молекул и атомов.

Один из исторически значимых экспериментов, позволивший рассчитать размеры частиц, был проведен английский ученый лорд Рэлей. Так как он прост в исполнении и в то же время очень убедителен, попробуем повторить его дома. Затем мы обратимся к двум другим экспериментам, которые позволят нам узнать некоторые свойства молекул.

Каковы размеры частиц?

Рис. 1. Способ приготовления шприца для помещения в него раствора масла в экстрагированном бензине; р – поксилина,

с – шприц

Попытаемся ответить на этот вопрос, проведя следующий эксперимент. Из шприца 2 см³ выньте поршень и заклейте его выход Poxiline так, чтобы он полностью заполнил выходную трубку, предназначенную для введения иглы (рис. 1). Ждем несколько минут, пока Poxilina затвердеет. Когда это произойдет, налейте в шприц около 0,2 см³ пищевого масла и запишите это значение. Это объем используемого масла В._o. Заполните оставшийся объем шприца бензином. Перемешайте обе жидкости проволокой до получения однородного раствора и закрепите шприц вертикально в любом держателе.

Затем налейте в таз теплую воду так, чтобы его глубина была 0,5-1 см. Используйте теплую воду, но не горячую, чтобы не было видно поднимающегося пара. По поверхности воды протаскиваем по касательной к ней несколько раз бумажную полоску, чтобы очистить поверхность от случайной пыльцы.

Набираем в капельницу немного смеси масла и бензина и водим капельницей по центру сосуда с водой. Аккуратно нажимая на ластик, капаем на поверхность воды как можно более мелкую каплю. Капля смеси нефти и бензина будет широко растекаться во все стороны по поверхности воды и образовывать очень тонкий слой толщиной, при самых благоприятных условиях равный одному диаметру частицы, — так называемый мономолекулярный слой. Через некоторое время, обычно несколько минут, бензин испарится (что ускоряется за счет повышения температуры воды), а на поверхности останется мономолекулярный слой масла (рис. 2). Получаемый слой чаще всего имеет форму круга диаметром несколько сантиметров и более.

Рис. 2. Мономолекулярный слой нефти на поверхности воды

м – лоханка, в – вода, о – нефть, Д – диаметр пласта, г – толщина пласта

(размер частиц масла)

Освещаем водную гладь, направив на нее луч света от фонарика по диагонали. Благодаря этому границы слоя более заметны. Мы можем легко определить его приблизительный диаметр D по линейке, которую держат прямо над поверхностью воды. Зная этот диаметр, мы можем вычислить площадь слоя S по формуле площади круга:

Если бы мы знали, каков объем масла V₁ содержащейся в выпавшей капле, то диаметр молекулы масла d можно было бы легко вычислить, предполагая, что масло расплавилось и образовало слой с поверхностью S, то есть:

После сравнения формул (1) и (2) и простого преобразования получаем формулу, позволяющую рассчитать размер частицы масла:

Самый простой, но не самый точный способ определения объема V₁ состоит в том, чтобы проверить, сколько капель можно получить из всего объема смеси, содержащейся в шприце, и разделить объем использованного масла Vo на это число. Для этого набираем смесь в пипетку и создаем капельки, стараясь, чтобы они были такого же размера, как при капании их на поверхность воды. Делаем это до тех пор, пока вся смесь не будет исчерпана.

Более точный, но более трудоемкий метод заключается в многократном падении капли масла на поверхность воды, получении мономолекулярного слоя масла и измерении его диаметра. Разумеется, перед тем, как будет сделан каждый слой, ранее использованную воду и масло необходимо вылить из таза и залить чистыми. Из полученных измерений вычисляют среднее арифметическое значение.

Подставив полученные значения в формулу (3), не забудьте перевести единицы и выразить выражение в метрах (м) и В₁ в кубических метрах (м³). Получаем размер частиц в метрах. Этот размер будет зависеть от типа используемого масла. Результат может быть ошибочным из-за сделанных упрощающих предположений, в частности из-за того, что слой не был мономолекулярным и что размеры капель не всегда были одинаковыми. Нетрудно заметить, что отсутствие мономолекулярности слоя приводит к завышению значения d.Обычные размеры частиц масла находятся в пределах 10^-8-10^-9 м. Блок 10^-9 м называется нанометр и часто используется в быстро развивающейся области, известной как нанотехнологии.

«Исчезающий» объем жидкости

Рис. 3. Конструкция сосуда для испытания жидкости на усадку;

ж – прозрачная, пластиковая трубка, п – поксилина, л – линейка,

т – прозрачный скотч

Следующие два эксперимента позволят сделать вывод, что молекулы разных тел имеют разную форму и размеры. Для выполнения первого отрежьте два куска прозрачной пластиковой трубки, оба внутренним диаметром 1-2 см и длиной 30 см. Каждый отрезок трубки приклеивается несколькими кусочками липкой ленты к краю отдельной линейки, противоположному шкале (рис. 3). Закрыть нижние концы шлангов заглушками из поксилина. Закрепите обе линейки приклеенными шлангами в вертикальном положении. Налейте в один из шлангов достаточное количество воды, чтобы получился столб длиной примерно в половину длины шланга, например 14 см. Во вторую пробирку налейте такое же количество этилового спирта.

Теперь спросим, ​​какова будет высота столба смеси обеих жидкостей? Попытаемся получить на них ответ экспериментальным путем. Налейте спирт в шланг для воды и сразу же измерьте верхний уровень жидкости. Мы отмечаем этот уровень водостойким маркером на шланге. Затем смешайте обе жидкости проволокой и снова проверьте уровень. Что мы замечаем? Получается, что этот уровень уменьшился, т.е. объем смеси меньше суммы объемов ингредиентов, использованных для ее производства. Это явление называется сокращением объема жидкости. Уменьшение объема обычно составляет несколько процентов.

Объяснение модели

Для объяснения эффекта сжатия проведем модельный эксперимент. Молекулы спирта в этом эксперименте будут представлены зернами гороха, а молекулы воды – семенами мака. В первую, узкую, прозрачную посуду, например высокую банку, насыпать крупнозернистый горох высотой примерно 0,4 м. Во второй такой же сосуд такой же высоты насыпьте мак (фото 1а). Затем насыпаем мак в сосуд с горошком и с помощью линейки измеряем высоту, до которой доходит верхний уровень зёрен. Отмечаем этот уровень маркером или аптекарской резинкой на сосуде (фото 1б). Закрываем сосуд и несколько раз встряхиваем. Ставим их вертикально и проверяем, до какой высоты теперь доходит верхний уровень зерносмеси. Получается, что она ниже, чем до смешивания (фото 1в).

Эксперимент показал, что после перемешивания мелкие семена мака заполнили свободные пространства между горошинами, в результате чего общий объем, занимаемый смесью, уменьшился. Аналогичная ситуация возникает при смешивании воды со спиртом и некоторыми другими жидкостями. Их молекулы бывают всех размеров и форм. В результате частицы меньшего размера заполняют промежутки между более крупными частицами и происходит сокращение объема жидкости.

Фото 1. Следующие этапы исследования модели сжатия:

а) бобы и мак в отдельных сосудах,

б) зерна после осыпания, в) уменьшение объема зерен после перемешивания

Современные последствия

Сегодня хорошо известно, что все тела вокруг нас состоят из молекул, а те, в свою очередь, состоят из атомов. И молекулы, и атомы находятся в постоянном беспорядочном движении, скорость которого зависит от температуры. Благодаря современным микроскопам, особенно сканирующему туннельному микроскопу (СТМ), можно наблюдать отдельные атомы. Известны также методы, в которых используется атомно-силовой микроскоп (АСМ-), позволяющий точно перемещать отдельные атомы и объединять их в системы, называемые наноструктурами. Эффект сжатия имеет и практическое значение. Мы должны учитывать это при подборе количества тех или иных жидкостей, необходимых для получения смеси необходимого объема. Вы должны принять его во внимание, в т.ч. при производстве водок, которые, как известно, представляют собой смеси преимущественно этилового спирта (спирта) и воды, так как объем получаемого напитка будет меньше суммы объемов ингредиентов.