Pass lejn in-nanoteknoloġija

Eluf taʼ snin ilu, in-nies staqsew minn xiex huma magħmula l-iġsma tal-madwar. It-tweġibiet varjaw. Fil-Greċja tal-qedem, ix-xjentisti esprimew l-opinjoni li l-korpi kollha huma magħmula minn elementi żgħar indiviżibbli, li huma sejħu atomi. Kemm ftit, ma setgħux jispeċifikaw. Għal diversi sekli, l-opinjonijiet tal-Griegi baqgħu biss ipoteżi. Ġew ritornati lilhom fis-seklu XNUMX, meta saru esperimenti biex jiġi stmat id-daqs tal-molekuli u l-atomi.

Twettaq wieħed mill-esperimenti storikament sinifikanti, li għamilha possibbli li jiġu kkalkulati d-daqsijiet tal-partiċelli Ix-xjentist Ingliż Lord Rayleigh. Peress li hija sempliċi biex twettaq u fl-istess ħin konvinċenti ħafna, ejja nippruvaw nirrepetuha d-dar. Imbagħad nduru għal żewġ esperimenti oħra li jippermettulna nitgħallmu xi wħud mill-proprjetajiet tal-molekuli.

X'inhuma d-daqsijiet tal-partiċelli?

Ross. 1. Metodu ta 'preparazzjoni ta' siringa biex titqiegħed fiha soluzzjoni ta 'żejt fil-gażolina estratta; p - poxylin,

c - siringa

Ejja nippruvaw inwieġbu din il-mistoqsija billi nagħmlu l-esperiment li ġej. Minn siringa ta’ 2 ċm³ neħħi l-planġer u ssiġilla l-iżbokk tiegħu b'Poxiline sabiex jimla kompletament it-tubu tal-ħruġ maħsub biex tiddaħħal il-labra (Fig. 1). Nistennew ftit minuti sakemm Poxilina tibbies. Meta jiġri dan, ferra fis-siringa madwar 0,2 ċm³ żejt li jittiekel u rreġistra dan il-valur. Dan huwa l-ammont ta 'żejt użat._o. Imla l-volum li jifdal tas-siringa bil-gażolina. Ħallat iż-żewġ likwidi b'wajer sakemm tinkiseb soluzzjoni omoġenja u waħħal is-siringa vertikalment fi kwalunkwe kontenitur.

Imbagħad ferra l-ilma sħun fil-baċin sabiex il-fond tiegħu jkun 0,5-1 cm. Uża ilma sħun, iżda mhux sħun, sabiex il-fwar li qed jogħlew ma jkunx jista 'jidher. Aħna drag strixxa tal-karta tul il-wiċċ ta 'l-ilma diversi drabi tanġenzjali magħha biex tnaddaf il-wiċċ ta' polline każwali.

Aħna niġbru ftit taħlita ta 'żejt u gażolina fil-qattara u nsuqu l-qattara miċ-ċentru tal-bastiment bl-ilma. Tagħfas bil-mod fuq il-eraser, aħna qatra qatra żgħira kemm jista 'jkun fuq il-wiċċ ta' l-ilma. Qatra ta 'taħlita ta' żejt u gażolina tinfirex ħafna fid-direzzjonijiet kollha fuq il-wiċċ ta 'l-ilma u tifforma saff irqiq ħafna bi ħxuna ugwali għal dijametru ta' partiċella waħda taħt l-aktar kundizzjonijiet favorevoli - l-hekk imsejħa saff monomolekulari. Wara xi żmien, ġeneralment ftit minuti, il-gażolina se tevapora (aċċellerata miż-żieda fit-temperatura tal-ilma), u tħalli saff ta 'żejt monomolekulari fuq il-wiċċ (Fig. 2). Is-saff li jirriżulta ħafna drabi jkollu forma ta 'ċirku b'dijametru ta' diversi ċentimetri jew aktar.

Ross. 2. Saff monomolekulari ta 'żejt fuq il-wiċċ ta' l-ilma

m – pelvi, c – ilma, o – żejt, D – dijametru tal-formazzjoni, d – ħxuna tal-formazzjoni

(daqs tal-partiċelli taż-żejt)

Aħna ndawwal il-wiċċ tal-ilma billi nidderieġu raġġ ta 'dawl minn flashlight djagonalment fuqha. Minħabba dan, il-konfini tas-saff huma aktar viżibbli. Nistgħu faċilment niddeterminaw id-dijametru approssimattiv tagħha D minn ħakkiem li jinżamm eżatt fuq il-wiċċ ta 'l-ilma. Billi nkunu nafu dan id-dijametru, nistgħu nikkalkulaw l-erja tas-saff S billi tuża l-formula għaż-żona ta 'ċirku:

Kieku nafu x'inhu l-volum taż-żejt V₁ li jinsab fil-qatra niżel, allura d-dijametru tal-molekula taż-żejt d jista 'jiġi kkalkulat faċilment, jekk wieħed jassumi li ż-żejt idub u fforma saff b'wiċċ S, jiġifieri:

Wara li nqabblu l-formuli (1) u (2) u trasformazzjoni sempliċi, niksbu formula li tippermettilna nikkalkulaw id-daqs ta 'partiċella taż-żejt:

L-eħfef, iżda mhux l-aktar mod preċiż biex jiġi ddeterminat il-volum V₁ huwa li tiċċekkja kemm jista 'jinkiseb qtar mill-volum totali tat-taħlita li tinsab fis-siringa u jaqsam il-volum ta' żejt Vo użat b'dan in-numru. Biex nagħmlu dan, aħna niġbru t-taħlita f'pipetta u noħolqu qtar, nippruvaw nagħmluhom l-istess daqs bħal meta jitwaħħlu fuq wiċċ l-ilma. Nagħmlu dan sakemm it-taħlita kollha tkun eżawrita.

Metodu aktar preċiż, iżda li jieħu aktar ħin huwa li tinżel ripetutament qatra taż-żejt fuq il-wiċċ tal-ilma, tikseb saff ta 'żejt monomolekulari u tkejjel id-dijametru tagħha. Naturalment, qabel ma jsir kull saff, l-ilma u ż-żejt użati qabel għandhom jitferra 'barra mill-baċin u jitferra nadif. Mill-kejl miksub, tiġi kkalkulata l-medja aritmetika.

Filwaqt li tissostitwixxi l-valuri miksuba fil-formula (3), tinsiex tikkonverti l-unitajiet u tesprimi l-espressjoni f'metri (m) u V₁ f'metri kubi (m³). Ikseb id-daqs tal-partiċelli f'metri. Dan id-daqs jiddependi mit-tip ta 'żejt użat. Ir-riżultat jista 'jkun żbaljat minħabba l-assunzjonijiet ta' simplifikazzjoni magħmula, b'mod partikolari minħabba li s-saff ma kienx monomolekulari u li d-daqsijiet tal-qtar mhux dejjem kienu l-istess. Huwa faċli li wieħed jara li n-nuqqas ta 'saff monomolekulari jwassal għal stima żejda tal-valur ta' d. Id-daqsijiet tas-soltu tal-partiċelli taż-żejt huma fil-medda ta '10^-8-10^-9 m. Blokk 10^-9 m jissejjaħ nanometru u spiss jintuża fil-qasam li qed jisplodu magħruf bħala nanoteknoloġija.

Volum "li jisparixxi" ta 'likwidu

Ross. 3. Id-disinn tal-bastiment tat-test li jinxtorob likwidu;

g - trasparenti, tubu tal-plastik, p - poxylin, l - ħakkiem,

t - tejp trasparenti

Iż-żewġ esperimenti li ġejjin se jippermettulna nikkonkludu li l-molekuli ta 'korpi differenti għandhom forom u daqsijiet differenti. Għall-ewwel, aqta 'żewġ biċċiet ta' tubu tal-plastik trasparenti, kemm 1-2 ċm f'dijametru intern u tul ċm 30. Kull biċċa tubu hija mwaħħla b'diversi biċċiet ta 'tejp li jwaħħal mat-tarf ta' ħakkiem separat oppost għall-iskala (Fig. 3). Agħlaq it-truf t'isfel tal-manek b'tappijiet poxylin. Waħħal iż-żewġ ħakkiema b'manek inkollati f'pożizzjoni vertikali. Ferra biżżejjed ilma f'wieħed mill-manek biex tagħmel kolonna madwar nofs it-tul tal-pajp, ngħidu aħna 14 ċm. Ferra l-istess ammont ta 'alkoħol etiliku fit-tieni tubu tat-test.

Issa nistaqsu, x'se jkun l-għoli tal-kolonna tat-taħlita taż-żewġ likwidi? Ejja nippruvaw niksbu tweġiba għalihom b'mod sperimentali. Ferra l-alkoħol fil-pajp ta 'l-ilma u immedjatament kejjel l-ogħla livell tal-likwidu. Aħna jimmarkaw dan il-livell b'markatur li ma jgħaddix ilma minnu fuq il-pajp. Imbagħad ħallat iż-żewġ likwidi b'wajer u erġa' iċċekkja l-livell. Xi ninnutaw? Jirriżulta li dan il-livell naqas, i.e. il-volum tat-taħlita huwa inqas mis-somma tal-volumi tal-ingredjenti użati biex jipproduċuha. Dan il-fenomenu jissejjaħ kontrazzjoni tal-volum likwidu. It-tnaqqis fil-volum huwa ġeneralment ftit fil-mija.

Spjegazzjoni mudell

Biex tispjega l-effett tal-kompressjoni, aħna se nwettqu esperiment mudell. Il-molekuli tal-alkoħol f'dan l-esperiment se jkunu rappreżentati minn ħbub tal-piżelli, u molekuli tal-ilma se jkunu żrieragħ tal-peprin. Ferra piżelli kbar ta 'ħbub ta' madwar 0,4 m għoli fl-ewwel dixx dejjaq u trasparenti, pereżempju, vażett twil Ferra 'żrieragħ tal-peprin fit-tieni istess bastiment tal-istess għoli (ritratt 1a). Imbagħad ferragħ iż-żerriegħa tal-peprin ġo reċipjent bil-piżelli u nużaw ħakkiem biex tkejjel l-għoli li jilħaq l-ogħla livell tal-ħbub. Aħna jimmarkaw dan il-livell b'markatur jew strixxa tal-gomma farmaċewtika fuq il-bastiment (ritratt 1b). Agħlaq il-kontenitur u ħawwad diversi drabi. Aħna npoġġuhom vertikalment u niċċekkjaw sa liema għoli issa jilħaq il-livell ta 'fuq tat-taħlita tal-qamħ. Jirriżulta li huwa aktar baxx minn qabel it-taħlit (ritratt 1c).

L-esperiment wera li wara t-taħlit, iż-żerriegħa tal-peprin żgħar imlew l-ispazji ħielsa bejn il-piżelli, u b'riżultat ta 'dan il-volum totali okkupat mit-taħlita naqas. Sitwazzjoni simili sseħħ meta tħallat l-ilma ma 'alkoħol u xi likwidi oħra. Il-molekuli tagħhom jiġu fid-daqsijiet u l-forom kollha. Bħala riżultat, partiċelli iżgħar jimlew il-vojt bejn partiċelli akbar u l-volum tal-likwidu jitnaqqas.

Ritratt 1. L-istadji li ġejjin tal-istudju tal-mudell tal-kompressjoni:

a) fażola u żerriegħa tal-peprin f’reċipjenti separati,

b) ħbub wara t-twaqqigħ, c) tnaqqis fil-volum tal-ħbub wara t-taħlit

Implikazzjonijiet moderni

Illum huwa magħruf sew li l-korpi kollha ta’ madwarna huma magħmula minn molekuli, u dawk, min-naħa tagħhom, huma magħmula minn atomi. Kemm il-molekuli kif ukoll l-atomi huma f'moviment każwali kostanti, li l-veloċità tagħhom tiddependi mit-temperatura. Grazzi għall-mikroskopji moderni, speċjalment il-mikroskopju tal-iskannjar tal-mini (STM), jistgħu jiġu osservati atomi individwali. Huma magħrufa wkoll metodi li jużaw mikroskopju tal-forza atomika (AFM-), li jippermettilek li timxi b'mod preċiż l-atomi individwali u tgħaqqadhom f'sistemi msejħa nanostrutturi. L-effett tal-kompressjoni għandu wkoll implikazzjonijiet prattiċi. Irridu nqisu dan meta nagħżlu l-ammont ta 'ċerti likwidi meħtieġa biex tinkiseb taħlita tal-volum meħtieġ. Għandek tqisha, inkl. fil-produzzjoni ta 'vodkas, li, kif tafu, huma taħlitiet prinċipalment ta' alkoħol etiliku (alkoħol) u ilma, peress li l-volum tax-xarba li tirriżulta se jkun inqas mis-somma tal-volumi tal-ingredjenti.