Nanoteknolojiye doğru adım

Binlerce yıl önce insanlar çevredeki cesetlerin neyden yapıldığını merak ediyordu. Cevaplar farklıydı. Antik Yunanistan'da bilim adamları, tüm cisimlerin atom adını verdikleri küçük, bölünmez elementlerden oluştuğu görüşünü dile getirdiler. Ne kadar azını gösteremediler. Birkaç yüzyıl boyunca Yunanlıların görüşleri yalnızca hipotez olarak kaldı. Moleküllerin ve atomların boyutlarını tahmin etmek için deneyler yapıldığında XNUMX. yüzyılda onlara iade edildiler.

Parçacık boyutlarının hesaplanmasını mümkün kılan tarihsel olarak önemli deneylerden biri gerçekleştirildi. İngiliz bilim adamı Lord Rayleigh. Yapılması basit ve aynı zamanda çok ikna edici olduğundan, bunu evde tekrarlamaya çalışalım. Daha sonra moleküllerin bazı özelliklerini öğrenmemizi sağlayacak diğer iki deneye geçeceğiz.

Parçacık boyutları nelerdir?

Pirinç. 1. Ekstrakte edilmiş benzindeki bir yağ çözeltisinin içine yerleştirilmesi için bir şırınganın hazırlanmasına yönelik bir yöntem; p - poksilina,

c – şırınga

Aşağıdaki deneyi yaparak bu soruyu cevaplamaya çalışalım. 2 cm'lik bir şırıngadan³ pistonu çıkarın ve iğnenin yerleştirilmesi için tasarlanan çıkış tüpünü tamamen dolduracak şekilde çıkışını Poxiline ile kapatın (Şekil 1). Poxilina sertleşene kadar birkaç dakika bekliyoruz. Bu olduğunda, şırınganın içine yaklaşık 0,2 cm kadar dökün.³ yenilebilir yağ ve bu değeri kaydedin. Bu, kullanılan B yağının hacmidir._o. Şırınganın kalan hacmini benzinle doldurun. Homojen bir çözelti elde edilene kadar her iki sıvıyı bir tel yardımıyla karıştırın ve şırıngayı herhangi bir tutucuya dikey olarak sabitleyin.

Daha sonra leğene derinliği 0,5-1 cm olacak şekilde ılık su dökün, yükselen buharın görünmemesi için ılık su kullanın ancak sıcak değil. Yüzeyi başıboş polenlerden temizlemek için bir kağıt şeridi suyun yüzeyi boyunca ona teğet olarak birkaç kez sürükleriz.

Damlalığa biraz yağ ve benzin karışımı koyuyoruz ve damlalığı su ile kabın merkezi boyunca hareket ettiriyoruz. Silgiye hafifçe basarak suyun yüzeyine mümkün olduğunca küçük bir damla damlatın. Bir damla yağ ve benzin karışımı, su yüzeyinde her yöne geniş bir şekilde yayılacak ve en uygun koşullar altında, bir parçacık çapına eşit kalınlıkta çok ince bir tabaka oluşturacaktır - buna sözde monomoleküler katman. Bir süre sonra, genellikle birkaç dakika sonra, benzin buharlaşacak (bu, suyun sıcaklığının artmasıyla hızlanır) ve yüzeyde monomoleküler bir yağ tabakası kalacaktır (Şekil 2). Ortaya çıkan katman çoğunlukla birkaç santimetre veya daha fazla çapa sahip bir daire şeklindedir.

Pirinç. 2. Su yüzeyindeki monomoleküler yağ tabakası

m – pelvis, c – su, o – yağ, D – oluşum çapı, g – oluşum kalınlığı

(yağ parçacık boyutu)

Bir el fenerinden gelen ışık ışınını suya çapraz olarak yönlendirerek suyun yüzeyini aydınlatıyoruz. Bu, katman sınırlarının daha görünür olmasını sağlar. Su yüzeyinin hemen üzerinde tutulan bir cetvel kullanarak yaklaşık D çapını kolaylıkla belirleyebiliriz. Bu çapı bilerek, dairenin alanı formülünü kullanarak S katmanının alanını hesaplayabiliriz:

V yağının hacminin ne olduğunu bilseydik₁ düşen damlanın içinde yer alıyorsa, yağın eridiği ve S yüzeyi ile bir katman oluşturduğu varsayılarak yağ molekülü d'nin çapı kolayca hesaplanabilir, yani:

Formül (1) ve (2)'yi karşılaştırdıktan ve basit bir dönüşümden sonra, bir yağ parçacığının boyutunu hesaplamamıza olanak tanıyan bir formül elde ederiz:

V hacmini belirlemenin en basit ancak en doğru yolu değil₁ şırınganın içindeki karışımın tüm hacminden kaç damla elde edilebileceğini kontrol etmek ve kullanılan Vo yağı hacmini bu sayıya bölmektir. Bunu yapmak için karışımı bir pipete alıp damlacıklar oluşturarak onları su yüzeyine damlatırken aynı boyutta tutmaya çalışıyoruz. Karışımın tamamı bitene kadar bunu yapıyoruz.

Daha doğru ancak daha emek yoğun bir yöntem, suyun yüzeyine bir damla yağın tekrar tekrar damlatılması, monomoleküler bir yağ tabakasının elde edilmesi ve bunun çapının ölçülmesini içerir. Elbette her katman yapılmadan önce önceden kullanılmış su ve yağın leğenden boşaltılıp temiz olanlarla doldurulması gerekir. Elde edilen ölçümlerden aritmetik ortalama hesaplanır.

Elde edilen değerleri formül (3)'te yerine koyarak birimleri dönüştürmeyi ve ifadeyi metre (m) ve V cinsinden ifade etmeyi unutmayın.₁ metreküp cinsinden (m³). Parçacık boyutunu metre cinsinden alıyoruz. Bu boyut kullanılan yağın türüne bağlı olacaktır. Sonuç, özellikle katmanın monomoleküler olmaması ve damlacık boyutlarının her zaman aynı olmaması gibi basitleştirilmiş varsayımlardan dolayı hatalı olabilir. Katmanın monomoleküler olmamasının d değerinin olduğundan fazla tahmin edilmesine yol açtığını görmek kolaydır.Tipik yağ partikül boyutları 10'dur.^-8-10^-9 m.Blok 10^-9 m denir nanometre olarak bilinen hızla gelişen bir alanda sıklıkla kullanılır. nanoteknoloji.

Sıvının "kaybolan" hacmi

Pirinç. 3. Sıvının büzülme açısından test edilmesine yönelik kap tasarımı;

g – şeffaf plastik tüp, p – polioksilin, l – cetvel,

t – şeffaf bant

Aşağıdaki iki deney, farklı cisimlerdeki moleküllerin farklı şekil ve boyutlara sahip olduğu sonucuna varmamızı sağlayacaktır. İlkini yapmak için, her ikisi de iç çapı 1-2 cm ve uzunluğu 30 cm olan iki parça şeffaf plastik boru kesin.Her boru parçası, birkaç parça bantla ayrı bir cetvelin karşısındaki kenarına yapıştırılır. ölçek (Şekil 3). Hortumların alt uçlarını poxylin tapalarla kapatın. Her iki cetveli de yapıştırılmış hortumlarla dikey konumda sabitleyin. Hortumlardan birine, hortumun yaklaşık yarısı uzunluğunda, örneğin 14 cm uzunluğunda bir sütun oluşturacak kadar su dökün, ikinci test tüpüne de aynı miktarda etil alkol dökün.

Şimdi soralım, her iki sıvının karışımının sütununun yüksekliği ne olacaktır? Bunları deneysel olarak cevaplamaya çalışalım. Su hortumuna alkol dökün ve hemen sıvının üst seviyesini ölçün. Bu seviyeyi hortumun üzerinde su geçirmez bir işaretleyici ile işaretliyoruz. Daha sonra her iki sıvıyı bir tel yardımıyla karıştırıp seviyeyi tekrar kontrol edin. Neyi fark ediyoruz? Bu seviyenin azaldığı ortaya çıktı, yani. Karışımın hacmi, onu üretmek için kullanılan bileşenlerin hacimlerinin toplamından daha azdır. Bu olaya sıvı hacminin daralması denir. Hacim azalması genellikle yüzde birkaçtır.

Model açıklaması

Sıkıştırma etkisini açıklamak için bir model deneyi yapacağız. Bu deneydeki alkol molekülleri bezelye taneleriyle, su molekülleri ise haşhaş tohumlarıyla temsil edilecek. Yaklaşık 0,4 m yüksekliğinde iri taneli bezelyeleri ilk, dar, şeffaf kaba, örneğin uzun bir kavanoza dökün, haşhaş tohumlarını aynı yükseklikte ikinci bir kaba dökün (fotoğraf 1a). Daha sonra haşhaş tohumlarını bezelyelerin olduğu kaba döküyoruz ve bir cetvel kullanarak tanelerin en üst seviyesinin ulaştığı yüksekliği ölçüyoruz. Bu seviyeyi kap üzerinde bir işaretleyici veya eczacı silgisi ile işaretliyoruz (fotoğraf 1b). Kabı kapatın ve birkaç kez sallayın. Bunları dikey olarak yerleştiriyoruz ve tahıl karışımının üst seviyesinin artık hangi yüksekliğe ulaştığını kontrol ediyoruz. Karıştırmadan öncekinden daha düşük olduğu ortaya çıktı (fotoğraf 1c).

Deney, karıştırma sonrasında küçük haşhaş tohumlarının bezelyeler arasındaki boş alanları doldurduğunu ve bunun sonucunda karışımın kapladığı toplam hacmin azaldığını gösterdi. Suyu alkol ve diğer bazı sıvılarla karıştırırken de benzer bir durum ortaya çıkar. Molekülleri her boyutta ve şekilde gelir. Sonuç olarak, daha küçük parçacıklar, daha büyük parçacıklar arasındaki boşlukları doldurur ve sıvının hacmi azalır.

Fotoğraf 1. Sıkıştırma modelini incelemenin sonraki aşamaları:

a) Fasulye ve haşhaş tohumlarını ayrı kaplarda,

b) döküldükten sonra taneler, c) karıştırmadan sonra tanelerin hacminde azalma

Modern sonuçlar

Bugün çevremizdeki tüm cisimlerin moleküllerden, onların da atomlardan oluştuğu iyi bilinmektedir. Hem moleküller hem de atomlar, hızı sıcaklığa bağlı olarak sürekli rastgele hareket halindedir. Modern mikroskoplar, özellikle taramalı tünelleme mikroskobu (STM) sayesinde, tek tek atomlar gözlemlenebilmektedir. Ayrı ayrı atomları doğru şekilde hareket ettirmeyi ve bunları adı verilen sistemlerde birleştirmeyi mümkün kılan atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanan yöntemler de vardır. nanoyapılar. Sıkıştırma etkisinin pratik önemi de vardır. Gerekli hacimde bir karışım elde etmek için gereken belirli sıvıların miktarını seçerken bunu dikkate almalıyız. Dahil olmak üzere bunu dikkate almalısınız. Bilindiği gibi ağırlıklı olarak etil alkol (alkol) ve su karışımlarından oluşan votka üretiminde, elde edilen içeceğin hacmi, bileşenlerin hacimlerinin toplamından daha az olacaktır.