Krok w kierunku nanotechnologii

Tysiące lat temu ludzie zastanawiali się, z czego zbudowane są otaczające je ciała. Odpowiedzi były różne. W starożytnej Grecji naukowcy wyrażali opinię, że wszystkie ciała składają się z małych, niepodzielnych elementów, które nazywali atomami. Jak niewiele, nie potrafili określić. Przez kilka stuleci poglądy Greków pozostawały jedynie hipotezami. Zwrócono im je w XV wieku, kiedy przeprowadzono eksperymenty mające na celu oszacowanie wielkości cząsteczek i atomów.

Przeprowadzono jedno z historycznie znaczących eksperymentów, które umożliwiło obliczenie wielkości cząstek Angielski naukowiec Lord Rayleigh. Ponieważ jest prosty w wykonaniu, a jednocześnie bardzo przekonujący, spróbujmy go powtórzyć w domu. Następnie przejdziemy do dwóch innych eksperymentów, które pozwolą nam poznać niektóre właściwości cząsteczek.

Jakie są rozmiary cząstek?

Ryż. 1. Sposób przygotowania strzykawki do umieszczania w niej roztworu oleju w wyekstrahowanej benzynie; p - poksylina,

c - strzykawka

Spróbujmy odpowiedzieć na to pytanie przeprowadzając następujący eksperyment. Ze strzykawki 2 cm³ wyjąć tłok i uszczelnić jego wylot Poxiline tak, aby całkowicie wypełnił rurkę wylotową przeznaczoną do wprowadzenia igły (ryc. 1). Czekamy kilka minut, aż Poxilina stwardnieje. Kiedy to nastąpi, wlej do strzykawki około 0,2 cm³ olej jadalny i zapisz tę wartość. Jest to objętość zużytego oleju B._o. Napełnij pozostałą objętość strzykawki benzyną. Obydwa płyny wymieszać drucikiem do uzyskania jednorodnego roztworu i zabezpieczyć strzykawkę pionowo w dowolnym uchwycie.

Następnie wlej do basenu ciepłą wodę tak, aby jej głębokość wynosiła 0,5-1 cm, używaj ciepłej wody, ale nie gorącej, aby unosząca się para nie była widoczna. Kilkukrotnie przeciągamy pasek papieru po powierzchni wody stycznie do niej, aby oczyścić powierzchnię z zabłąkanych pyłków.

Do zakraplacza wlewamy niewielką ilość oleju i benzyny i przesuwamy kroplomierzem wzdłuż środka naczynia z wodą. Delikatnie naciskając gumkę, upuść jak najmniejszą kroplę na powierzchnię wody. Kropla mieszaniny oleju i benzyny rozprzestrzeni się szeroko we wszystkich kierunkach po powierzchni wody i utworzy bardzo cienką warstwę o grubości, w najkorzystniejszych warunkach, równej średnicy jednej cząstki – tzw. warstwa monocząsteczkowa. Po pewnym czasie, zwykle kilku minutach, benzyna odparuje (co przyspiesza podniesienie temperatury wody), a na powierzchni pozostanie jednocząsteczkowa warstwa oleju (rys. 2). Powstała warstwa ma najczęściej kształt koła o średnicy kilku centymetrów lub większej.

Ryż. 2. Monocząsteczkowa warstwa oleju na powierzchni wody

m – miednica, c – woda, o – olej, D – średnica formacji, d – miąższość formacji

(wielkość cząstek oleju)

Oświetlamy powierzchnię wody kierując na nią ukośnie wiązkę światła z latarki. Dzięki temu granice warstw będą bardziej widoczne. Jej przybliżoną średnicę D łatwo wyznaczyć posługując się linijką trzymaną tuż nad powierzchnią wody. Znając tę ​​średnicę, możemy obliczyć pole warstwy S korzystając ze wzoru na pole koła:

Gdybyśmy wiedzieli, jaka jest objętość oleju V₁ zawartej w upuszczonej kropli, wówczas można było łatwo obliczyć średnicę cząsteczki oleju d, zakładając, że olej stopił się i utworzył warstwę o powierzchni S, czyli:

Po porównaniu wzorów (1) i (2) oraz prostym przekształceniu otrzymujemy wzór, który pozwala obliczyć wielkość cząstki oleju:

Najprostszy, ale nie najdokładniejszy sposób określenia objętości V₁ polega na sprawdzeniu, ile kropel można uzyskać z całej objętości mieszaniny zawartej w strzykawce i podzieleniu objętości zużytego olejku Vo przez tę liczbę. W tym celu nabieramy mieszaninę do pipety i tworzymy kropelki, starając się, aby były tej samej wielkości, co przy kapaniu na powierzchnię wody. Robimy to do wyczerpania całej mieszanki.

Dokładniejsza, ale bardziej pracochłonna metoda polega na wielokrotnym upuszczeniu kropli oleju na powierzchnię wody, w celu uzyskania jednocząsteczkowej warstwy oleju i zmierzeniu jej średnicy. Oczywiście przed ułożeniem każdej warstwy należy z wanny wylać zużytą wcześniej wodę i olej i uzupełnić czystymi. Z uzyskanych pomiarów obliczana jest średnia arytmetyczna.

Podstawiając uzyskane wartości do wzoru (3), nie zapomnij przeliczyć jednostek i wyrazić wyrażenie w metrach (m) i V₁ w metrach sześciennych (m³). Otrzymujemy wielkość cząstek w metrach. Rozmiar ten będzie zależał od rodzaju użytego oleju. Wynik może być błędny ze względu na przyjęte założenia upraszczające, w szczególności fakt, że warstwa nie była jednocząsteczkowa i nie zawsze rozmiary kropel były takie same. Łatwo zauważyć, że brak monomolekularności warstwy prowadzi do przeszacowania wartości d. Typowe rozmiary cząstek oleju mieszczą się w granicach 10^-8-10^-9 m. Blok 10^-9 nazywa się m nanometr i jest często używany w szybko rozwijającej się dziedzinie zwanej nanotechnologia.

„Znikająca” objętość cieczy

Ryż. 3. Projekt zbiornika do badania skurczu cieczy;

g - przezroczysta, plastikowa rurka, p - poksylina, l - linijka,

t - taśma przezroczysta

Poniższe dwa doświadczenia pozwolą nam stwierdzić, że cząsteczki różnych ciał mają różne kształty i rozmiary. Aby to zrobić, wytnij dwa kawałki przezroczystej plastikowej rurki, oba o średnicy wewnętrznej 1-2 cm i długości 30 cm. Każdy kawałek rurki przykleja się kilkoma kawałkami taśmy do krawędzi osobnej linijki naprzeciwko skala (ryc. 3). Zamknąć dolne końce węży zatyczkami poksylinowymi. Zabezpiecz obie linijki przyklejonymi wężami w pozycji pionowej. Do jednego z węży wlej tyle wody, aby utworzyć kolumnę o długości mniej więcej połowy długości węża, np. 14 cm, do drugiej probówki wlej taką samą ilość alkoholu etylowego.

Zapytajmy teraz, jaka będzie wysokość kolumny mieszaniny obu cieczy? Spróbujmy odpowiedzieć na nie eksperymentalnie. Wlej alkohol do węża z wodą i natychmiast zmierz górny poziom płynu. Poziom ten zaznaczamy wodoodpornym markerem na wężu. Następnie wymieszaj oba płyny drutem i ponownie sprawdź poziom. Co zauważamy? Okazuje się, że poziom ten obniżył się, tj. objętość mieszaniny jest mniejsza niż suma objętości składników użytych do jej wytworzenia. Zjawisko to nazywa się zmniejszeniem objętości płynu. Redukcja objętości wynosi zwykle kilka procent.

Wyjaśnienie modelu

Aby wyjaśnić efekt kompresji, przeprowadzimy eksperyment modelowy. Cząsteczki alkoholu w tym eksperymencie będą reprezentowane przez ziarna grochu, a cząsteczki wody będą nasionami maku. Do pierwszego, wąskiego, przezroczystego pojemnika, np. wysokiego słoika, wsypujemy groszek gruboziarnisty o wysokości około 0,4 m. Do drugiego podobnego pojemnika o tej samej wysokości wsypujemy mak (zdjęcie 1a). Następnie do naczynia z groszkiem wsypujemy mak i za pomocą linijki mierzymy wysokość, na jaką sięga górny poziom ziaren. Poziom ten zaznaczamy markerem lub apteczną gumką na naczyniu (zdjęcie 1b). Zamknij pojemnik i potrząśnij kilka razy. Ustawiamy je pionowo i sprawdzamy, do jakiej wysokości sięga teraz górny poziom mieszanki zbożowej. Okazuje się, że jest ona niższa niż przed zmieszaniem (fot. 1c).

Doświadczenie wykazało, że po wymieszaniu drobny mak wypełniał puste przestrzenie między grochem, co powodowało zmniejszenie całkowitej objętości zajmowanej przez mieszankę. Podobna sytuacja ma miejsce podczas mieszania wody z alkoholem i innymi płynami. Ich cząsteczki występują we wszystkich rozmiarach i kształtach. W rezultacie mniejsze cząstki wypełniają szczeliny pomiędzy większymi cząstkami i zmniejsza się objętość cieczy.

Fot. 1. Kolejne etapy badania modelu kompresji:

a) fasolę i mak w oddzielnych naczyniach,

b) ziarna po osypaniu, c) zmniejszenie objętości ziaren po wymieszaniu

Współczesne konsekwencje

Dziś powszechnie wiadomo, że wszystkie ciała wokół nas składają się z cząsteczek, a te z kolei składają się z atomów. Zarówno cząsteczki, jak i atomy znajdują się w ciągłym, losowym ruchu, którego prędkość zależy od temperatury. Dzięki nowoczesnym mikroskopom, zwłaszcza skaningowemu mikroskopowi tunelowemu (STM), można obserwować pojedyncze atomy. Istnieją również metody wykorzystujące mikroskop sił atomowych (AFM), który umożliwia dokładne przemieszczanie poszczególnych atomów i łączenie ich w układy zwane nanostruktury. Efekt kompresji ma również znaczenie praktyczne. Musimy to wziąć pod uwagę przy doborze ilości określonych płynów potrzebnych do uzyskania mieszaniny o wymaganej objętości. Trzeba to wziąć pod uwagę m.in. przy produkcji wódek, które, jak wiadomo, są mieszaninami głównie alkoholu etylowego (alkoholu) i wody, ponieważ objętość powstałego napoju będzie mniejsza niż suma objętości składników.