Paso cara á nanotecnoloxía

Hai miles de anos, a xente preguntábase de que estaban feitos os corpos circundantes. As respostas variaron. Na antiga Grecia, os científicos expresaron a opinión de que todos os corpos están formados por pequenos elementos indivisibles, aos que chamaron átomos. Que pouco, non puideron precisar. Durante varios séculos, as opinións dos gregos foron só hipóteses. Devolvéronselles no século XNUMX, cando se realizaron experimentos para estimar o tamaño de moléculas e átomos.

Realizouse un dos experimentos historicamente significativos, que permitiu calcular o tamaño das partículas O científico inglés Lord Rayleigh. Como é sinxelo de realizar e ao mesmo tempo moi convincente, intentemos repetilo na casa. Despois pasamos a outros dous experimentos que nos permitirán coñecer algunhas das propiedades das moléculas.

Cales son os tamaños das partículas?

Arroz. 1. Método de preparación dunha xiringa para colocar nela unha solución de aceite na gasolina extraída; p - poxilina,

c - xiringa

Tentemos responder a esta pregunta realizando o seguinte experimento. Desde unha xiringa de 2 cm³ retirar o émbolo e selar a súa saída con Poxiline para que enche completamente o tubo de saída destinado á inserción da agulla (fig. 1). Agardamos uns minutos ata que a Poxilina se endureza. Cando isto ocorre, verte na xeringa uns 0,2 cm³ aceite comestible e rexistre este valor. Esta é a cantidade de aceite utilizada._o. Encha o volume restante da xiringa con gasolina. Mesturar ambos os líquidos cun fío ata obter unha solución homoxénea e fixar a xiringa verticalmente en calquera soporte.

A continuación, bota auga morna na cunca para que a súa profundidade sexa de 0,5-1 cm.Usa auga morna, pero non quente, para que non se vexa o aumento do vapor. Arrastramos unha tira de papel ao longo da superficie da auga varias veces tanxencialmente a ela para limpar a superficie do pole aleatorio.

Recollemos unha pequena mestura de aceite e gasolina no contagotas e diriximos o contagotas polo centro do recipiente con auga. Premendo suavemente o borrador, deixamos caer unha gota o máis pequena posible sobre a superficie da auga. Unha gota dunha mestura de aceite e gasolina estenderase amplamente en todas as direccións pola superficie da auga e formará unha capa moi fina cun espesor igual a un diámetro de partícula nas condicións máis favorables - a chamada capa monomolecular. Despois dun tempo, normalmente uns minutos, a gasolina evaporarase (que se acelera polo aumento da temperatura da auga), deixando na superficie unha capa monomolecular de aceite (fig. 2). A capa resultante ten a maioría das veces a forma dun círculo cun diámetro de varios centímetros ou máis.

Arroz. 2. Capa monomolecular de aceite na superficie da auga

m - pelve, c - auga, o - aceite, D - diámetro da formación, d - grosor da formación

(tamaño de partículas de aceite)

Iluminamos a superficie da auga dirixindo un feixe de luz dunha lanterna en diagonal cara a ela. Debido a isto, os límites da capa son máis visibles. Podemos determinar facilmente o seu diámetro aproximado D a partir dunha regra que se suxeita xusto por riba da superficie da auga. Coñecendo este diámetro, podemos calcular a área da capa S usando a fórmula para a área dun círculo:

Se soubese cal é o volume de petróleo V₁ contida na gota caída, entón o diámetro da molécula de aceite d podería calcularse facilmente, asumindo que o aceite se derrita e forma unha capa cunha superficie S, é dicir:

Despois de comparar as fórmulas (1) e (2) e unha transformación sinxela, obtemos unha fórmula que nos permite calcular o tamaño dunha partícula de aceite:

A forma máis sinxela, pero non a máis precisa, de determinar o volume V₁ consiste en comprobar cantas gotas se poden obter do volume total da mestura contida na xiringa e dividir o volume de aceite Vo utilizado por este número. Para iso, recollemos a mestura nunha pipeta e creamos gotas, intentando que teñan o mesmo tamaño que cando se botan sobre a superficie da auga. Facemos isto ata que se esgote toda a mestura.

Un método máis preciso, pero que consume máis tempo, é soltar repetidamente unha pinga de aceite sobre a superficie da auga, obter unha capa de aceite monomolecular e medir o seu diámetro. Por suposto, antes de facer cada capa, a auga e o aceite usados ​​previamente deben ser vertidos fóra da cunca e vertidos limpos. A partir das medidas obtidas calcúlase a media aritmética.

Substituíndo os valores obtidos na fórmula (3), non se esqueza de converter as unidades e expresar a expresión en metros (m) e V₁ en metros cúbicos (m³). Obtén o tamaño das partículas en metros. Este tamaño dependerá do tipo de aceite utilizado. O resultado pode ser erróneo debido ás suposicións simplificadoras feitas, en particular porque a capa non era monomolecular e que os tamaños das gotas non eran sempre os mesmos. É fácil ver que a ausencia dunha capa monomolecular leva a unha sobreestimación do valor de d. Os tamaños habituais das partículas de aceite están no rango de 10.^-8-10^-9 m. Bloque 10^-9 chámase m nanómetro e úsase a miúdo no campo en auxe coñecido como nanotecnoloxía.

Volume de líquido "desaparecido".

Arroz. 3. O deseño do recipiente de proba de contracción líquida;

g - tubo de plástico transparente, p - poxilina, l - regra,

t - cinta transparente

Os dous experimentos seguintes permitiranos concluír que as moléculas de diferentes corpos teñen formas e tamaños diferentes. Para facer o primeiro, corte dous anacos de tubo de plástico transparente, ambos de 1-2 cm de diámetro interno e 30 cm de longo.Cada anaco de tubo está pegado con varios anacos de cinta adhesiva ao bordo dunha regra separada oposta á escala (Fig. . 3). Pecha os extremos inferiores das mangueiras con tapóns de poxilina. Fixe ambas as regras con mangueiras pegadas en posición vertical. Bota auga suficiente nunha das mangueiras para facer unha columna de aproximadamente a metade da lonxitude da mangueira, digamos 14 cm.Despeje a mesma cantidade de alcohol etílico no segundo tubo de ensaio.

Agora preguntámonos, cal será a altura da columna da mestura de ambos os líquidos? Imos tentar obter unha resposta a eles experimentalmente. Despeje alcohol na mangueira de auga e mida inmediatamente o nivel superior do líquido. Marcamos este nivel cun rotulador impermeable na mangueira. A continuación, mestura ambos os líquidos cun fío e comproba o nivel de novo. Que notamos? Resulta que este nivel diminuíu, é dicir. o volume da mestura é menor que a suma dos volumes dos ingredientes empregados para elaborala. Este fenómeno chámase contracción do volume líquido. A redución do volume adoita ser dun pouco por cento.

Explicación do modelo

Para explicar o efecto de compresión, realizaremos un experimento modelo. As moléculas de alcohol neste experimento estarán representadas por grans de chícharo, e as moléculas de auga serán sementes de papoula. Despeje chícharos de grans grandes duns 0,4 m de alto no primeiro prato estreito e transparente, por exemplo, un frasco alto. Despeje sementes de papoula no segundo recipiente da mesma altura (foto 1a). Despois botamos sementes de papoula nun recipiente con chícharos e utilizamos unha regra para medir a altura á que chega o nivel superior dos grans. Marcamos este nivel cun rotulador ou unha goma farmacéutica no recipiente (foto 1b). Pecha o recipiente e axita varias veces. Poñémolas en vertical e comprobamos a que altura chega agora o nivel superior da mestura de grans. Resulta que é máis baixo que antes de mesturar (foto 1c).

O experimento demostrou que despois da mestura, pequenas sementes de papoula enchían os espazos libres entre os chícharos, polo que o volume total ocupado pola mestura diminuíu. Unha situación semellante ocorre ao mesturar auga con alcohol e algúns outros líquidos. As súas moléculas teñen todos os tamaños e formas. Como resultado, as partículas máis pequenas enchen os ocos entre as partículas máis grandes e o volume do líquido redúcese.

Foto 1. As seguintes etapas do estudo do modelo de compresión:

a) xudías e sementes de papoula en recipientes separados,

b) grans despois do derramamento, c) redución do volume dos grans despois da mestura

Implicacións modernas

Hoxe é ben sabido que todos os corpos que nos rodean están formados por moléculas, e estas, á súa vez, están formadas por átomos. Tanto as moléculas como os átomos están en constante movemento aleatorio, cuxa velocidade depende da temperatura. Grazas aos microscopios modernos, especialmente ao microscopio de varrido túnel (STM), pódense observar átomos individuais. Tamén se coñecen métodos que usan un microscopio de forza atómica (AFM-), que permite mover átomos individuais con precisión e combinalos en sistemas chamados nanoestruturas. O efecto de compresión tamén ten implicacións prácticas. Debemos telo en conta á hora de seleccionar a cantidade de determinados líquidos necesaria para obter unha mestura do volume necesario. Debes telo en conta, incl. na produción de vodkas, que, como sabes, son mesturas principalmente de alcohol etílico (alcohol) e auga, xa que o volume da bebida resultante será menor que a suma dos volumes dos ingredientes.