Nanotexnologiyaga qadam qo'ying

Ming yillar oldin odamlar atrofdagi jismlar nimadan iboratligi bilan qiziqdilar. Javoblar turlicha edi. Qadimgi Yunonistonda olimlar barcha jismlar kichik bo'linmas elementlardan iborat degan fikrni bildirishgan va ularni atomlar deb atashgan. Qanchalik oz, ular aniqlay olmadilar. Bir necha asrlar davomida yunonlarning qarashlari faqat faraz bo'lib qoldi. Ular XNUMX asrda molekulalar va atomlarning hajmini baholash uchun tajribalar o'tkazilganda ularga qaytarildi.

Zarrachalar o'lchamlarini hisoblash imkonini beradigan tarixiy ahamiyatga ega tajribalardan biri amalga oshirildi Ingliz olimi Lord Rayleigh. Buni bajarish oddiy va ayni paytda juda ishonchli bo'lgani uchun, keling, uni uyda takrorlashga harakat qilaylik. Keyin biz molekulalarning ba'zi xususiyatlarini o'rganishga imkon beradigan ikkita boshqa tajribaga murojaat qilamiz.

Zarrachalarning o'lchamlari qanday?

Guruch. 1. Ekstraksiya qilingan benzindagi moy eritmasini unga joylashtirish uchun shprits tayyorlash usuli; p - poksilin,

c - shprits

Keling, quyidagi tajribani o'tkazish orqali bu savolga javob berishga harakat qilaylik. 2 sm shpritsdan³ pistonni chiqarib oling va uning chiqishini Poksilin bilan yoping, shunda u igna kiritish uchun mo'ljallangan chiqish trubkasini to'liq to'ldiradi (1-rasm). Poxilina qattiqlashguncha bir necha daqiqa kutamiz. Bu sodir bo'lganda, shpritsga taxminan 0,2 sm quying³ iste'mol qilinadigan yog' va bu qiymatni yozib oling. Bu ishlatilgan moy miqdori._o. Shpritsning qolgan hajmini benzin bilan to'ldiring. Ikkala suyuqlikni bir hil eritma olinmaguncha sim bilan aralashtiring va shpritsni vertikal ravishda har qanday ushlagichga mahkamlang.

Keyin havzaga iliq suv quying, shunda uning chuqurligi 0,5-1 sm bo'ladi.Iliq suvdan foydalaning, lekin issiq emas, shunda ko'tarilgan bug' ko'rinmaydi. Tasodifiy gulchanglar yuzasini tozalash uchun biz qog'oz tasmasini suv yuzasi bo'ylab unga bir necha marta tangensial ravishda tortamiz.

Biz tomizgichga ozgina neft va benzin aralashmasini yig'amiz va tomchini idishning o'rtasidan suv bilan haydab o'tamiz. O'chirgichni sekin bosib, biz suv yuzasiga iloji boricha kichikroq tomchi tomizamiz. Neft va benzin aralashmasining bir tomchisi suv yuzasida barcha yo'nalishlarda keng tarqaladi va eng qulay sharoitlarda qalinligi bir zarracha diametriga teng bo'lgan juda nozik bir qatlam hosil qiladi. monomolekulyar qatlam. Biroz vaqt o'tgach, odatda bir necha daqiqadan so'ng, benzin bug'lanadi (bu suv haroratining ko'tarilishi bilan tezlashadi), sirtda monomolekulyar yog 'qatlami qoladi (2-rasm). Olingan qatlam ko'pincha diametri bir necha santimetr yoki undan ko'p bo'lgan doira shakliga ega.

Guruch. 2. Suv yuzasida joylashgan moyning monomolekulyar qatlami

m – tos suyagi, c – suv, o – moy, D – qatlam diametri, d – qatlam qalinligi

(yog zarralari hajmi)

Biz yorug'lik nurini chiroqdan diagonal ravishda yo'naltirish orqali suv yuzasini yoritamiz. Shu tufayli qatlamning chegaralari ko'proq ko'rinadi. Biz uning taxminiy diametrini D ni suv yuzasidan bir oz yuqorida joylashgan o'lchagich yordamida osongina aniqlashimiz mumkin. Ushbu diametrni bilib, biz aylana maydoni uchun formuladan foydalanib, S qatlamning maydonini hisoblashimiz mumkin:

Agar biz neftning hajmini bilsak V₁ tushib ketgan tomchida mavjud bo'lsa, u holda neft molekulasining diametrini osonlik bilan hisoblash mumkin edi, agar neft erib, S sirtli qatlam hosil qildi, ya'ni:

Formulalar (1) va (2) va oddiy konvertatsiyani solishtirgandan so'ng, biz yog 'zarrasining o'lchamini hisoblash imkonini beruvchi formulani olamiz:

V hajmini aniqlashning eng oson, ammo aniq emas usuli₁ shprits tarkibidagi aralashmaning umumiy hajmidan qancha tomchi olish mumkinligini tekshirish va ishlatiladigan yog 'vo hajmini shu raqamga bo'lishdir. Buni amalga oshirish uchun biz aralashmani pipetkaga yig'amiz va tomchilarni hosil qilamiz, ularni suv yuzasiga tushirilganda bir xil hajmda qilishga harakat qilamiz. Buni butun aralashma tugaguncha qilamiz.

To'g'riroq, lekin ko'proq vaqt talab qiladigan usul - suv yuzasiga bir tomchi yog'ni qayta-qayta tushirish, monomolekulyar yog' qatlamini olish va uning diametrini o'lchash. Albatta, har bir qatlamni tayyorlashdan oldin, avval ishlatilgan suv va moyni havzadan to'kib tashlash va toza quyish kerak. Olingan o'lchovlardan o'rtacha arifmetik hisoblanadi.

Olingan qiymatlarni formula (3) ga almashtirib, birliklarni aylantirishni unutmang va ifodani metr (m) va V bilan ifodalang.₁ kubometrda (m³). Zarrachalar hajmini metrda oling. Bu o'lcham ishlatiladigan moy turiga bog'liq bo'ladi. Natija soddalashtirilgan taxminlar tufayli xato bo'lishi mumkin, xususan, qatlam monomolekulyar emasligi va tomchilarning o'lchamlari har doim ham bir xil emas. Monomolekulyar qatlamning yo'qligi d qiymatining ortiqcha baholanishiga olib kelishini tushunish oson.Neft zarralarining odatiy o'lchamlari 10 oralig'ida.^-8-10^-9 m 10-blok^-9 m deyiladi nanometr deb nomlanuvchi jadal rivojlanayotgan sohada tez-tez ishlatiladi nanotexnologiya.

Suyuqlikning "yo'qolib borayotgan" hajmi

Guruch. 3. Suyuqlikning qisqarishini tekshirish idishining dizayni;

g - shaffof, plastik naycha, p - poksillin, l - o'lchagich,

t - shaffof lenta

Quyidagi ikkita tajriba turli jismlarning molekulalari har xil shakl va o'lchamlarga ega degan xulosaga kelishimizga imkon beradi. Birinchisini amalga oshirish uchun ichki diametri 1-2 sm va uzunligi 30 sm bo'lgan ikki bo'lak shaffof plastik naychani kesib oling.Har bir trubka bo'lagi bir necha bo'lak yopishqoq lenta bilan masshtabga qarama-qarshi bo'lgan alohida o'lchagichning chetiga yopishtiriladi (3-rasm). 14). Shlanglarning pastki uchlarini poksillin vilkalari bilan yoping. Ikkala o'lchagichni ham vertikal holatda yopishtirilgan shlanglar bilan mahkamlang. Shlanglardan biriga shlangning yarmiga yaqin uzunlikdagi ustun yasash uchun yetarlicha suv quying, deylik XNUMX sm.Ikkinchi probirkaga bir xil miqdorda etil spirti quying.

Endi biz so'raymiz, ikkala suyuqlik aralashmasining ustunining balandligi qanday bo'ladi? Keling, ularga eksperimental tarzda javob olishga harakat qilaylik. Suv shlangiga spirtni to'kib tashlang va suyuqlikning yuqori darajasini darhol o'lchang. Biz bu darajani shlangdagi suv o'tkazmaydigan marker bilan belgilaymiz. Keyin ikkala suyuqlikni sim bilan aralashtiring va darajani yana tekshiring. Biz nimani sezamiz? Ma'lum bo'lishicha, bu daraja pasaygan, ya'ni. aralashmaning hajmi uni ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan ingredientlar hajmlarining yig'indisidan kamroq. Bu hodisa suyuqlik hajmining qisqarishi deb ataladi. Ovozning qisqarishi odatda bir necha foizni tashkil qiladi.

Model tushuntirish

Siqish effektini tushuntirish uchun biz namunaviy tajriba o'tkazamiz. Ushbu tajribada spirtli ichimliklar molekulalari no'xat donalari, suv molekulalari esa haşhaş urug'lari bilan ifodalanadi. Taxminan 0,4 m balandlikdagi yirik donador no'xatni birinchi, tor, shaffof idishga, masalan, baland idishga quying.Bir xil balandlikdagi ikkinchi shunga o'xshash idishga haşhaş urug'ini quying (1a-rasm). Keyin biz no'xat solingan idishga haşhaş urug'ini quyamiz va donalarning yuqori darajasiga yetadigan balandlikni o'lchash uchun o'lchagichdan foydalanamiz. Biz bu darajani marker yoki idishdagi farmatsevtik kauchuk tasma bilan belgilaymiz (1b-rasm). Idishni yoping va uni bir necha marta silkiting. Biz ularni vertikal ravishda joylashtiramiz va don aralashmasining yuqori darajasi qaysi balandlikka yetib borishini tekshiramiz. Ma'lum bo'lishicha, u aralashtirishdan oldin pastroq (foto 1c).

Tajriba shuni ko'rsatdiki, aralashtirilgandan so'ng, mayda ko'knori urug'lari no'xat orasidagi bo'sh joylarni to'ldiradi, buning natijasida aralashmaning umumiy hajmi kamayadi. Xuddi shunday holat ham suvni alkogol va boshqa ba'zi suyuqliklar bilan aralashtirishda yuzaga keladi. Ularning molekulalari har xil o'lcham va shaklda bo'ladi. Natijada, kichikroq zarralar kattaroq zarralar orasidagi bo'shliqlarni to'ldiradi va suyuqlik hajmi kamayadi.

Foto 1. Siqilish modelini o'rganishning quyidagi bosqichlari:

a) loviya va ko'knori urug'lari alohida idishlarda,

b) to'kilgandan keyin donalar, v) aralashgandan keyin donalar hajmining kamayishi

Zamonaviy ta'sirlar

Bugungi kunda hammaga ma'lumki, bizni o'rab turgan barcha jismlar molekulalardan, ular esa o'z navbatida atomlardan iborat. Har ikkala molekula ham, atomlar ham doimiy tasodifiy harakatda bo'lib, tezligi haroratga bog'liq. Zamonaviy mikroskoplar, ayniqsa skanerlash tunnel mikroskopi (STM) tufayli alohida atomlarni kuzatish mumkin. Atom kuch mikroskopini (AFM-) ishlatadigan ma'lum usullar ham mavjud, bu sizga alohida atomlarni aniq harakatlantirish va ularni tizimlarga birlashtirish imkonini beradi. nanostrukturalar. Siqish effekti ham amaliy ahamiyatga ega. Kerakli hajmdagi aralashmani olish uchun zarur bo'lgan ma'lum suyuqlik miqdorini tanlashda buni hisobga olishimiz kerak. Siz buni hisobga olishingiz kerak, shu jumladan. aroqlarni ishlab chiqarishda, siz bilganingizdek, asosan etil spirti (spirtli ichimliklar) va suv aralashmasidir, chunki hosil bo'lgan ichimlikning hajmi ingredientlar hajmining yig'indisidan kamroq bo'ladi.