Hapi drejt nanoteknologjisë

Mijëra vjet më parë, njerëzit pyesnin veten se nga përbëheshin trupat përreth. Përgjigjet ishin të ndryshme. Në Greqinë e lashtë, shkencëtarët shprehnin mendimin se të gjithë trupat përbëhen nga elementë të vegjël të pandashëm, të cilët i quanin atome. Sa pak nuk mund të tregonin. Për disa shekuj, pikëpamjet e grekëve mbetën vetëm hipoteza. Ata u kthyen atyre në shekullin XNUMX, kur u kryen eksperimente për të vlerësuar madhësitë e molekulave dhe atomeve.

U krye një nga eksperimentet me rëndësi historike, i cili bëri të mundur llogaritjen e madhësive të grimcave Shkencëtari anglez Lord Rayleigh. Meqenëse është e thjeshtë për t'u realizuar dhe në të njëjtën kohë shumë bindëse, le të përpiqemi ta përsërisim në shtëpi. Më pas do t'i drejtohemi dy eksperimenteve të tjera që do të na lejojnë të mësojmë disa nga vetitë e molekulave.

Cilat janë madhësitë e grimcave?

Oriz. 1. Një metodë për përgatitjen e një shiringe për vendosjen e një solucioni vaji në benzinë ​​të nxjerrë në të; p – poksilina,

c – shiringë

Le të përpiqemi t'i përgjigjemi kësaj pyetjeje duke kryer eksperimentin e mëposhtëm. Nga një shiringë 2 cm³ hiqni pistonin dhe mbyllni daljen e tij me Poxiline në mënyrë që të mbushë plotësisht tubin e daljes të destinuar për futjen e gjilpërës (Fig. 1). Presim disa minuta derisa Poxilina të ngurtësohet. Kur kjo të ndodhë, derdhni rreth 0,2 cm në shiringë³ vaj ushqimor dhe regjistrojeni këtë vlerë. Ky është vëllimi i vajit B të përdorur._o. Mbushni vëllimin e mbetur të shiringës me benzinë. Përziejini të dy lëngjet me tel derisa të përftohet një tretësirë ​​homogjene dhe vendoseni shiringën vertikalisht në çdo mbajtëse.

Më pas hidhni ujë të ngrohtë në legen në mënyrë që thellësia e tij të jetë 0,5-1 cm Përdorni ujë të ngrohtë, por jo të nxehtë, në mënyrë që avulli që ngrihet të mos duket. Zvarritim një shirit letre përgjatë sipërfaqes së ujit në mënyrë tangjenciale me të disa herë për të pastruar sipërfaqen nga poleni i humbur.

Vendosim pak përzierje vaji dhe benzine në pikatore dhe e lëvizim pikatoren përgjatë qendrës së enës me ujë. Duke shtypur butësisht gomën, hidhni një pikë sa më të vogël të jetë e mundur në sipërfaqen e ujit. Një pikë e përzierjes së naftës dhe benzinës do të përhapet gjerësisht në të gjitha drejtimet mbi sipërfaqen e ujit dhe do të formojë një shtresë shumë të hollë me një trashësi, në kushtet më të favorshme, të barabartë me një diametër grimce - të ashtuquajturat. shtresë monomolekulare. Pas njëfarë kohe, zakonisht disa minuta, benzina do të avullojë (e cila përshpejtohet duke rritur temperaturën e ujit) dhe një shtresë monomolekulare vaji do të mbetet në sipërfaqe (Fig. 2). Shtresa që rezulton më shpesh ka formën e një rrethi me një diametër prej disa centimetra ose më shumë.

Oriz. 2. Shtresa monomolekulare e vajit në sipërfaqen e ujit

m – legen, c – ujë, o – vaj, D – diametri i formacionit, g – trashësia e formacionit

(madhësia e grimcave të naftës)

Ne ndriçojmë sipërfaqen e ujit duke drejtuar një rreze drite nga një elektrik dore në mënyrë diagonale në të. Kjo i bën kufijtë e shtresave më të dukshme. Ne mund të përcaktojmë lehtësisht diametrin e tij të përafërt D duke përdorur një vizore të mbajtur pikërisht mbi sipërfaqen e ujit. Duke ditur këtë diametër, ne mund të llogarisim sipërfaqen e shtresës S duke përdorur formulën për sipërfaqen e një rrethi:

Sikur ta dinim sa është vëllimi i vajit V₁ të përfshira në pikën e rënë, atëherë diametri i molekulës së vajit d mund të llogaritet lehtësisht, duke supozuar se vaji u shkri dhe formoi një shtresë me sipërfaqe S, domethënë:

Pas krahasimit të formulave (1) dhe (2) dhe një transformimi të thjeshtë, marrim një formulë që na lejon të llogarisim madhësinë e një grimce vaji:

Mënyra më e thjeshtë, por jo më e saktë për të përcaktuar vëllimin V₁ është të kontrolloni se sa pika mund të merren nga i gjithë vëllimi i përzierjes që përmban shiringa dhe të ndani vëllimin e vajit Vo të përdorur me këtë numër. Për ta bërë këtë, e marrim përzierjen në një pipetë dhe krijojmë pika, duke u përpjekur t'i mbajmë në të njëjtën madhësi si kur i pikim në sipërfaqen e ujit. E bëjmë këtë derisa të shterohet e gjithë përzierja.

Një metodë më e saktë, por që kërkon më shumë punë përfshin hedhjen e një pike vaji në mënyrë të përsëritur në sipërfaqen e ujit, marrjen e një shtrese monomolekulare vaji dhe matjen e diametrit të tij. Sigurisht, përpara se të bëhet çdo shtresë, uji dhe vaji i përdorur më parë duhet të derdhen nga legeni dhe të rimbushen me të pastër. Mesatarja aritmetike llogaritet nga matjet e marra.

Duke zëvendësuar vlerat e marra në formulën (3), mos harroni të konvertoni njësitë dhe të shprehni shprehjen në metra (m) dhe V₁ në metra kub (m³). Ne marrim madhësinë e grimcave në metra. Kjo madhësi do të varet nga lloji i vajit të përdorur. Rezultati mund të jetë i gabuar për shkak të supozimeve thjeshtuese të bëra, në veçanti se shtresa nuk ishte monomolekulare dhe se madhësitë e pikave nuk ishin gjithmonë të njëjta. Është e lehtë të shihet se mungesa e monomolekularitetit të shtresës çon në një mbivlerësim të vlerës d. Madhësitë tipike të grimcave të vajit janë brenda 10^-8-10^-9 m. Blloku 10^-9 m quhet nanometër dhe shpesh përdoret në një fushë me zhvillim të shpejtë të njohur si nanoteknologji.

Vëllimi "zhdukje" i lëngut

Oriz. 3. Dizajni i enës për testimin e lëngut për tkurrje;

g – tub plastik transparent, p – polioksilinë, l – vizore,

t - shirit transparent

Dy eksperimentet e mëposhtme do të na lejojnë të arrijmë në përfundimin se molekulat e trupave të ndryshëm kanë forma dhe madhësi të ndryshme. Për të bërë të parën, prisni dy copa tubash plastikë të pastër, të dyja me diametër të brendshëm 1-2 cm dhe gjatësi 30 cm. Secila pjesë e tubit është ngjitur me disa copa shiriti në skajin e një vizoreje të veçantë përballë shkallë (Fig. 3). Mbyllni skajet e poshtme të zorrëve me priza poksilin. Siguroni të dy vizoret me çorape të ngjitura në një pozicion vertikal. Hidhni ujë të mjaftueshëm në një nga zorrët për të krijuar një kolonë afërsisht gjysmën e gjatësisë së zorrës, për shembull 14 cm. Hidhni të njëjtën sasi alkooli etilik në epruvetën e dytë.

Tani le të pyesim, sa do të jetë lartësia e kolonës së përzierjes së të dy lëngjeve? Le të përpiqemi t'u përgjigjemi atyre në mënyrë eksperimentale. Hidhni alkool në zorrën e ujit dhe matni menjëherë nivelin e sipërm të lëngut. Ne e shënojmë këtë nivel me një shënues të papërshkueshëm nga uji në zorrë. Më pas përzieni të dy lëngjet me tel dhe kontrolloni përsëri nivelin. Çfarë vërejmë? Rezulton se ky nivel ka rënë, d.m.th. vëllimi i përzierjes është më i vogël se shuma e vëllimeve të përbërësve të përdorur për prodhimin e saj. Ky fenomen quhet tkurrje e vëllimit të lëngut. Ulja e volumit është zakonisht disa për qind.

Shpjegimi i modelit

Për të shpjeguar efektin e kompresimit, ne do të kryejmë një eksperiment model. Molekulat e alkoolit në këtë eksperiment do të përfaqësohen nga kokrra bizele, dhe molekulat e ujit do të jenë farat e lulekuqes. Hidhni bizele të trashë rreth 0,4 m në enën e parë, të ngushtë, transparente, për shembull një kavanoz të gjatë. Hidhni farat e lulekuqes në një enë të dytë me të njëjtën lartësi (foto 1a). Më pas i hedhim farat e lulëkuqes në enën me bizele dhe me vizore masim lartësinë në të cilën arrin niveli i sipërm i kokrrave. Ne e shënojmë këtë nivel me një shënues ose gomë farmacie në enë (foto 1b). Mbyllni enën dhe tundeni disa herë. I vendosim vertikalisht dhe kontrollojmë se deri në çfarë lartësie arrin tani niveli i sipërm i përzierjes së kokrrave. Rezulton se është më e ulët se përpara përzierjes (foto 1c).

Eksperimenti tregoi se pas përzierjes, farat e vogla të lulekuqes mbushën hapësirat boshe midis bizeleve, duke rezultuar në një ulje të vëllimit total të zënë nga përzierja. Një situatë e ngjashme ndodh kur përzihet uji me alkool dhe disa lëngje të tjera. Molekulat e tyre vijnë në të gjitha madhësitë dhe format. Si rezultat, grimcat më të vogla mbushin boshllëqet midis grimcave më të mëdha dhe vëllimi i lëngut zvogëlohet.

Foto 1. Fazat e ardhshme të studimit të modelit të kompresimit:

a) fasulet dhe farat e lulekuqes në enë të veçanta,

b) kokrrat pas derdhjes, c) zvogëlimi i vëllimit të kokrrave pas përzierjes

Pasojat moderne

Sot dihet mirë se të gjithë trupat rreth nesh përbëhen nga molekula, dhe ato, nga ana tjetër, përbëhen nga atome. Të dy molekulat dhe atomet janë në lëvizje të rastësishme konstante, shpejtësia e së cilës varet nga temperatura. Falë mikroskopëve modernë, veçanërisht mikroskopit të tunelit skanues (STM), mund të vëzhgohen atome individuale. Ekzistojnë gjithashtu metoda që përdorin një mikroskop të forcës atomike (AFM), i cili bën të mundur lëvizjen e saktë të atomeve individuale dhe kombinimin e tyre në sisteme të quajtura nanostrukturat. Efekti i kompresimit ka gjithashtu një rëndësi praktike. Duhet ta kemi parasysh këtë kur zgjedhim sasinë e disa lëngjeve të nevojshme për të marrë një përzierje të vëllimit të kërkuar. Ju duhet ta merrni parasysh atë, përfshirë. në prodhimin e vodkave, të cilat, siç dihet, janë përzierje të kryesisht alkoolit etilik (alkoolit) dhe ujit, pasi vëllimi i pijes që rezulton do të jetë më i vogël se shuma e vëllimeve të përbërësve.