צעד לקראת ננוטכנולוגיה
לפני אלפי שנים, אנשים תהו ממה עשויים הגופות שמסביב. התשובות היו מגוונות. ביוון העתיקה, מדענים הביעו את הדעה שכל הגופים מורכבים מיסודות קטנים בלתי ניתנים לחלוקה, אותם הם כינו אטומים. כמה מעט, הם לא יכלו לפרט. במשך כמה מאות שנים, דעותיהם של היוונים נותרו רק השערות. הם הוחזרו אליהם במאה ה- XNUMX, כאשר בוצעו ניסויים להערכת גודלם של מולקולות ואטומים.
אחד הניסויים המשמעותיים מבחינה היסטורית, שאיפשר לחשב גדלי חלקיקים, בוצע המדען האנגלי לורד ריילי. מכיוון שהוא פשוט לביצוע ובו בזמן מאוד משכנע, בואו ננסה לחזור עליו בבית. לאחר מכן נפנה לשני ניסויים נוספים שיאפשרו לנו ללמוד כמה מהתכונות של מולקולות.
מהם גדלי החלקיקים?
אורז. 1. שיטה להכנת מזרק להכנסת תמיסה של שמן בבנזין מופק לתוכו; p - פוקסילין,
c - מזרק
בואו ננסה לענות על שאלה זו על ידי ביצוע הניסוי הבא. ממזרק 2 ס"מ3 הסר את הבוכנה ואטום את יציאתה ב-Poxiline כך שתמלא לחלוטין את צינור היציאה המיועד להחדרת המחט (איור 1). אנחנו מחכים כמה דקות עד שפוקסילינה תתקשה. כשזה קורה, שפכו לתוך המזרק כ-0,2 ס"מ3 שמן מאכל ורשמו ערך זה. זוהי כמות השמן בשימוש.o. מלאו את יתרת הנפח של המזרק בבנזין. מערבבים את שני הנוזלים עם חוט עד לקבלת תמיסה הומוגנית ומקבעים את המזרק בצורה אנכית בכל מחזיק.
לאחר מכן שפכו מים חמימים לאגן כך שעומקו יהיה 0,5-1 ס"מ. השתמשו במים חמימים, אך לא חמים, כדי שלא ניתן לראות את האדים העולים. אנו גוררים רצועת נייר לאורך פני המים מספר פעמים בצורה משיקת אליו כדי לנקות את פני השטח מאבקה אקראית.
אנו אוספים מעט תערובת של שמן ובנזין לתוך הטפטפת ומניעים את הטפטפת דרך מרכז הכלי עם מים. לחיצה עדינה על המחק, אנו מפילים טיפה קטנה ככל האפשר על פני המים. טיפה של תערובת של נפט ובנזין תתפשט לכל הכיוונים על פני המים ותיצור שכבה דקה מאוד בעובי השווה לקוטר חלקיק אחד בתנאים הנוחים ביותר - מה שנקרא. שכבה מונומולקולרית. לאחר זמן מה, בדרך כלל כמה דקות, הבנזין יתנדף (שהיא מואצת על ידי העלייה בטמפרטורת המים), ומותיר שכבת שמן מונומולקולרית על פני השטח (איור 2). לשכבה המתקבלת לרוב יש צורה של עיגול בקוטר של כמה סנטימטרים או יותר.
אורז. 2. שכבת שמן מונומולקולרית על פני המים
m – אגן, ג – מים, o – שמן, D – קוטר היווצרות, ד – עובי היווצרות
(גודל חלקיקי שמן)
אנו מאירים את פני המים על ידי הפניית אלומת אור מפנס באלכסון אליו. בשל כך, גבולות השכבה גלויים יותר. אנו יכולים בקלות לקבוע את קוטר D המשוער שלו באמצעות סרגל המוחזק ממש מעל פני המים. בידיעה של קוטר זה, נוכל לחשב את שטח השכבה S באמצעות הנוסחה עבור שטח המעגל:
אם היינו יודעים מה נפח השמן V1 הכלול בטיפה שנשמטה, אז ניתן היה לחשב בקלות את קוטר מולקולת השמן d, בהנחה שהשמן נמס ויצר שכבה עם משטח S, כלומר:
לאחר השוואת נוסחאות (1) ו-(2) ושינוי פשוט, נקבל נוסחה המאפשרת לנו לחשב את גודלו של חלקיק שמן:
הדרך הקלה ביותר, אך לא המדויקת ביותר, לקבוע את עוצמת הקול V1 היא לבדוק כמה טיפות ניתן לקבל מהנפח הכולל של התערובת הכלולה במזרק ולחלק את נפח השמן Vo בשימוש במספר זה. לשם כך, אנו אוספים את התערובת בפיפטה ויוצרים טיפות, מנסים להפוך אותן לאותו גודל כמו כשהן יורדות על פני המים. אנו עושים זאת עד שכל התערובת מותשת.
שיטה מדויקת יותר, אך גוזלת יותר זמן, היא להפיל שוב ושוב טיפת שמן על פני המים, להשיג שכבה מונומולקולרית של שמן ולמדוד את קוטרו. כמובן שלפני הכנת כל שכבה יש לשפוך מהאגן את המים והשמן ששימשו בעבר ולנקות אותם. מתוך המדידות המתקבלות מחושב הממוצע האריתמטי.
החלפת הערכים המתקבלים בנוסחה (3), אל תשכח להמיר את היחידות ולבטא את הביטוי במטרים (m) ו-V1 במטר מעוקב (מ3). קבל את גודל החלקיקים במטרים. גודל זה יהיה תלוי בסוג השמן המשמש. התוצאה עלולה להיות שגויה עקב ההנחות המפשטות שנעשו, במיוחד בגלל שהשכבה לא הייתה מונומולקולרית ושגודל הטיפות לא תמיד היה זהה. קל לראות שהיעדר שכבה מונומולקולרית מוביל להערכת יתר של הערך של d. הגדלים הרגילים של חלקיקי שמן הם בטווח של 10-8-10-9 מ' בלוק 10-9 m נקרא ננומטר והוא משמש לעתים קרובות בתחום המשגשג המכונה ננוטכנולוגיה.
נפח נוזל "נעלמים".
אורז. 3. עיצוב כלי הבדיקה להתכווצות נוזל;
g - צינור פלסטיק שקוף, p - פוקסילין, l - סרגל,
t - סרט שקוף
שני הניסויים הבאים יאפשרו לנו להסיק שלמולקולות של גופים שונים יש צורות וגדלים שונים. כדי לעשות את הראשון, חתכו שתי חתיכות של צינור פלסטיק שקוף, שתיהן בקוטר פנימי של 1-2 ס"מ ובאורך 30 ס"מ. כל חתיכת צינור מודבקת במספר חתיכות של סרט דבק לקצה של סרגל נפרד מול הסולם (איור .3). סגור את הקצוות התחתונים של הצינורות עם פקקי פוקסילין. תקן את שני הסרגלים עם צינורות מודבקים במצב אנכי. שפכו מספיק מים לאחד הצינורות כדי ליצור עמודה בערך במחצית מאורך הצינור, נניח 14 ס"מ. שפכו את אותה כמות של אלכוהול אתילי למבחנה השנייה.
כעת נשאל, מה יהיה גובה העמוד של תערובת שני הנוזלים? בואו ננסה לקבל עליהם תשובה בניסוי. יוצקים אלכוהול לצינור המים ומיד מיד את המפלס העליון של הנוזל. אנו מסמנים רמה זו עם טוש עמיד למים על הצינור. לאחר מכן ערבבו את שני הנוזלים עם חוט ובדקו שוב את המפלס. מה אנחנו שמים לב? מסתבר שרמה זו ירדה, כלומר. נפח התערובת קטן מסכום הנפחים של המרכיבים המשמשים לייצורה. תופעה זו נקראת התכווצות נפח נוזלים. הירידה בנפח היא בדרך כלל אחוזים בודדים.
הסבר דגם
כדי להסביר את אפקט הדחיסה, נערוך ניסוי מודל. מולקולות אלכוהול בניסוי זה יוצגו על ידי גרגרי אפונה, ומולקולות מים יהיו זרעי פרג. יוצקים אפונה עם גרגירים גדולים בגובה של כ-0,4 מ' לתוך הכלי הראשון, הצר והשקוף, למשל, צנצנת גבוהה. יוצקים פרג לתוך הכלי השני באותו גובה (תמונה 1א). לאחר מכן אנו שופכים פרג לתוך כלי עם אפונה ומשתמשים בסרגל כדי למדוד את הגובה שאליו מגיע המפלס העליון של הגרגירים. אנו מסמנים רמה זו עם סמן או גומייה פרמצבטית על הכלי (תמונה 1b). סגור את המיכל ונער אותו מספר פעמים. שמים אותם אנכית ובודקים לאיזה גובה מגיע כעת המפלס העליון של תערובת הדגנים. מתברר שזה נמוך יותר מאשר לפני הערבוב (תמונה 1c).
הניסוי הראה שלאחר הערבוב, זרעי פרג קטנים מילאו את המרווחים הפנויים בין האפונה, וכתוצאה מכך ירד הנפח הכולל שתפס התערובת. מצב דומה מתרחש כאשר מערבבים מים עם אלכוהול וכמה נוזלים אחרים. המולקולות שלהם מגיעות בכל הגדלים והצורות. כתוצאה מכך, חלקיקים קטנים יותר ממלאים את הרווחים בין חלקיקים גדולים יותר ונפח הנוזל מצטמצם.
תמונה 1. השלבים הבאים של מחקר מודל הדחיסה:
א) שעועית ופרג בכלים נפרדים,
ב) גרגירים לאחר נשירה, ג) הפחתה בנפח הגרעינים לאחר ערבוב
השלכות מודרניות
היום זה ידוע שכל הגופים סביבנו מורכבים ממולקולות, ואלה, בתורן, מורכבות מאטומים. גם מולקולות וגם אטומים נמצאים בתנועה אקראית מתמדת, שמהירותה תלויה בטמפרטורה. הודות למיקרוסקופים מודרניים, במיוחד מיקרוסקופ המנהור הסורק (STM), ניתן לצפות באטומים בודדים. ישנן גם שיטות מוכרות המשתמשות במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM-), המאפשר להזיז במדויק אטומים בודדים ולשלב אותם למערכות הנקראות מבנים ננו. לאפקט הדחיסה יש גם השלכות מעשיות. עלינו לקחת זאת בחשבון בעת בחירת כמות הנוזלים הדרושים לקבלת תערובת בנפח הנדרש. עליך לקחת זאת בחשבון, כולל. בייצור וודקות, שהן, כידוע, תערובות של בעיקר אתילי אלכוהול (אלכוהול) ומים, שכן נפח המשקה שיתקבל יהיה קטן מסכום נפחי המרכיבים.
