گامی در جهت نانوتکنولوژی

هزاران سال پیش، مردم به این فکر می کردند که بدن های اطراف از چه چیزی ساخته شده اند. پاسخ ها متفاوت بود. در یونان باستان، دانشمندان عقیده داشتند که همه اجسام از عناصر کوچک تقسیم ناپذیر تشکیل شده اند که آنها را اتم می نامند. چقدر کم، نتوانستند مشخص کنند. برای چندین قرن، دیدگاه های یونانیان تنها فرضیه باقی ماند. آنها در قرن XNUMX به آنها بازگردانده شدند، زمانی که آزمایش‌هایی برای تخمین اندازه مولکول‌ها و اتم‌ها انجام شد.

یکی از آزمایش‌های مهم تاریخی که امکان محاسبه اندازه ذرات را فراهم کرد، انجام شد لرد ریلی دانشمند انگلیسی. از آنجایی که اجرای آن ساده و در عین حال بسیار متقاعد کننده است، بیایید سعی کنیم آن را در خانه تکرار کنیم. سپس به دو آزمایش دیگر می پردازیم که به ما امکان می دهد برخی از خواص مولکول ها را بیاموزیم.

اندازه ذرات چیست؟

برنج. 1. روش تهیه سرنگ برای قرار دادن محلول روغن در بنزین استخراج شده در آن. p - پوکسیلین،

ج - سرنگ

بیایید سعی کنیم با انجام آزمایش زیر به این سوال پاسخ دهیم. از سرنگ 2 سانتی متری³ پیستون را بردارید و خروجی آن را با پوکسیلین ببندید تا لوله خروجی در نظر گرفته شده برای وارد کردن سوزن را کاملا پر کند (شکل 1). چند دقیقه صبر می کنیم تا پوکسیلینا سفت شود. وقتی این اتفاق افتاد، حدود 0,2 سانتی متر داخل سرنگ بریزید³ روغن خوراکی و این مقدار را ثبت کنید. این مقدار روغن مصرفی است._o. حجم باقیمانده سرنگ را با بنزین پر کنید. هر دو مایع را با یک سیم مخلوط کنید تا محلول همگنی به دست آید و سرنگ را به صورت عمودی در هر نگهدارنده ای ثابت کنید.

سپس آب گرم را داخل لگن بریزید به طوری که عمق آن 0,5-1 سانتی متر باشد، از آب گرم استفاده کنید اما نه داغ تا بخار بالا آمده دیده نشود. یک نوار کاغذی را چندین بار به صورت مماس روی سطح آب می کشیم تا سطح گرده های تصادفی تمیز شود.

مخلوط کمی از روغن و بنزین را در قطره چکان جمع می کنیم و قطره چکان را با آب از وسط ظرف عبور می دهیم. با فشار ملایم روی پاک کن، تا حد امکان یک قطره کوچک را روی سطح آب می‌ریزیم. قطره ای از مخلوط نفت و بنزین به طور گسترده در تمام جهات روی سطح آب پخش می شود و در مطلوب ترین شرایط یک لایه بسیار نازک به ضخامت یک ذره تشکیل می دهد - به اصطلاح. لایه تک مولکولی. پس از مدتی، معمولاً چند دقیقه، بنزین تبخیر می شود (که با افزایش دمای آب تسریع می شود) و یک لایه روغن تک مولکولی روی سطح باقی می ماند (شکل 2). لایه حاصل اغلب شکل دایره ای با قطر چند سانتی متر یا بیشتر دارد.

برنج. 2. لایه تک مولکولی روغن روی سطح آب

m – لگن، c – آب، o – روغن، D – قطر سازند، د – ضخامت سازند

(اندازه ذرات روغن)

ما سطح آب را با هدایت یک پرتو نور از یک چراغ قوه به صورت مورب روی آن روشن می کنیم. به همین دلیل، مرزهای لایه بیشتر قابل مشاهده است. به راحتی می توانیم قطر تقریبی D آن را از روی خط کشی که درست بالای سطح آب نگه داشته شده است، تعیین کنیم. با دانستن این قطر، می‌توانیم مساحت لایه S را با استفاده از فرمول مساحت یک دایره محاسبه کنیم:

اگر می دانستیم حجم روغن V چقدر است₁ موجود در قطره ریخته شده، سپس قطر مولکول روغن d را می توان به راحتی محاسبه کرد، با این فرض که روغن ذوب شده و لایه ای با سطح S تشکیل می دهد، یعنی:

پس از مقایسه فرمول های (1) و (2) و یک تبدیل ساده، فرمولی به دست می آوریم که به ما امکان می دهد اندازه یک ذره روغن را محاسبه کنیم:

ساده ترین، اما نه دقیق ترین راه برای تعیین حجم V₁ این است که بررسی کنیم از حجم کل مخلوط موجود در سرنگ چند قطره می توان به دست آورد و حجم روغن مصرفی Vo را بر این عدد تقسیم کرد. برای انجام این کار، مخلوط را در یک پیپت جمع می کنیم و قطرات ایجاد می کنیم و سعی می کنیم اندازه آنها را به اندازه زمانی که روی سطح آب می ریزند ایجاد کنیم. این کار را تا زمانی انجام می دهیم که کل مخلوط تمام شود.

یک روش دقیق تر، اما وقت گیرتر این است که یک قطره روغن را به طور مکرر بر روی سطح آب بریزید، یک لایه تک مولکولی روغن را بدست آورید و قطر آن را اندازه گیری کنید. البته قبل از ساختن هر لایه باید آب و روغن مصرف شده قبلی را از لگن خارج کرده و تمیز بریزید. از اندازه گیری های به دست آمده، میانگین حسابی محاسبه می شود.

با جایگزینی مقادیر به دست آمده به فرمول (3)، تبدیل واحدها را فراموش نکنید و عبارت را در متر (m) و V بیان کنید.₁ در متر مکعب (متر³). اندازه ذرات را بر حسب متر بدست آورید. این اندازه به نوع روغن استفاده شده بستگی دارد. نتیجه ممکن است به دلیل فرضیات ساده سازی شده اشتباه باشد، به ویژه به این دلیل که لایه تک مولکولی نبود و اندازه قطرات همیشه یکسان نبود. به راحتی می توان فهمید که عدم وجود یک لایه تک مولکولی منجر به تخمین بیش از حد مقدار d می شود. اندازه معمول ذرات روغن در محدوده 10 است.^-8-10^-9 متر بلوک 10^-9 m نامیده می شود نانومتر و اغلب در زمینه پررونق معروف به استفاده می شود فناوری نانو.

حجم "ناپدید شدن" مایع

برنج. 3. طراحی مخزن آزمایش انقباض مایع.

g - شفاف، لوله پلاستیکی، p - poxylin، l - خط کش،

تی - نوار شفاف

دو آزمایش زیر به ما این امکان را می دهد که به این نتیجه برسیم که مولکول های اجسام مختلف شکل و اندازه های متفاوتی دارند. برای انجام اول، دو تکه لوله پلاستیکی شفاف هر دو به قطر داخلی 1-2 سانتی متر و طول 30 سانتی متر برش دهید، هر تکه از لوله را با چند تکه نوار چسب به لبه یک خط کش جداگانه در مقابل ترازو می چسبانیم (شکل . 3). انتهای پایین شیلنگ ها را با شاخه های پوکسیلین ببندید. هر دو خط کش را با شیلنگ های چسب زده در حالت عمودی ثابت کنید. در یکی از شیلنگ ها به اندازه ای آب بریزید که ستونی به اندازه نصف طول شلنگ مثلاً 14 سانتی متر درست شود، به همان مقدار اتیل الکل را در لوله آزمایش دوم بریزید.

حال می پرسیم ارتفاع ستون مخلوط هر دو مایع چقدر خواهد بود؟ بیایید سعی کنیم به صورت تجربی به آنها پاسخ دهیم. الکل را داخل شیلنگ آب بریزید و بلافاصله سطح بالای مایع را اندازه بگیرید. این سطح را با یک نشانگر ضد آب روی شلنگ مشخص می کنیم. سپس هر دو مایع را با سیم مخلوط کرده و سطح آن را دوباره بررسی کنید. چه چیزی را متوجه می شویم؟ معلوم می شود که این سطح کاهش یافته است، یعنی. حجم مخلوط کمتر از مجموع حجم مواد مورد استفاده برای تولید آن است. به این پدیده انقباض حجم مایع می گویند. کاهش حجم معمولاً چند درصد است.

توضیح مدل

برای توضیح اثر فشرده سازی، یک آزمایش مدل انجام می دهیم. مولکول های الکل در این آزمایش با دانه های نخود نشان داده می شوند و مولکول های آب نیز دانه های خشخاش خواهند بود. نخود دانه درشت را به ارتفاع حدود 0,4 متر در اولین ظرف باریک و شفاف، به عنوان مثال، یک کوزه بلند بریزید. دانه های خشخاش را در ظرف دوم با همان ارتفاع بریزید (عکس 1a). سپس دانه های خشخاش را در ظرفی با نخود فرنگی می ریزیم و با خط کش ارتفاعی را که سطح بالای دانه ها به آن می رسد اندازه می گیریم. این سطح را با یک نشانگر یا یک نوار لاستیکی دارویی روی ظرف علامت گذاری می کنیم (عکس 1b). در ظرف را ببندید و چند بار تکان دهید. آنها را به صورت عمودی قرار می دهیم و بررسی می کنیم که سطح بالای مخلوط دانه اکنون به چه ارتفاعی می رسد. معلوم می شود که کمتر از قبل از مخلوط کردن است (عکس 1c).

آزمایش نشان داد که پس از اختلاط، دانه های کوچک خشخاش فضاهای آزاد بین نخودها را پر کردند که در نتیجه حجم کل اشغال شده توسط مخلوط کاهش یافت. وضعیت مشابهی هنگام مخلوط کردن آب با الکل و برخی مایعات دیگر رخ می دهد. مولکول های آنها در اندازه ها و اشکال مختلف وجود دارد. در نتیجه، ذرات کوچکتر شکاف بین ذرات بزرگتر را پر می کنند و حجم مایع کاهش می یابد.

عکس 1. مراحل زیر از مطالعه مدل فشرده سازی:

الف) لوبیا و دانه های خشخاش در ظرف های جداگانه،

ب) دانه ها پس از ریختن، ج) کاهش حجم دانه ها پس از اختلاط

مفاهیم مدرن

امروزه به خوبی شناخته شده است که تمام اجسام اطراف ما از مولکول ها و آن ها نیز به نوبه خود از اتم ها تشکیل شده اند. هر دو مولکول و اتم در حرکت تصادفی ثابتی هستند که سرعت آن به دما بستگی دارد. به لطف میکروسکوپ های مدرن، به ویژه میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM)، اتم های منفرد را می توان مشاهده کرد. همچنین روش‌های شناخته شده‌ای وجود دارد که از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM-) استفاده می‌کنند، که به شما امکان می‌دهد اتم‌های جداگانه را با دقت حرکت دهید و آنها را در سیستم‌هایی به نام ترکیب کنید. نانوساختارها. اثر فشرده سازی نیز پیامدهای عملی دارد. هنگام انتخاب مقدار مایعات خاص لازم برای به دست آوردن مخلوطی از حجم مورد نیاز، باید این را در نظر بگیریم. شما باید آن را در نظر بگیرید، از جمله. در تولید ودکاها که همانطور که می دانید عمدتاً مخلوطی از الکل اتیلیک (الکل) و آب هستند، زیرا حجم نوشیدنی حاصل کمتر از مجموع حجم مواد تشکیل دهنده خواهد بود.