Krok k nanotechnologii

Před tisíci lety se lidé zajímali, z čeho jsou vyrobena okolní těla. Odpovědi se lišily. Ve starověkém Řecku vyjadřovali vědci názor, že všechna tělesa se skládají z malých nedělitelných prvků, které nazývali atomy. Jak málo, nedokázali specifikovat. Po několik století zůstávaly názory Řeků pouze hypotézami. Byly jim vráceny v XNUMX. století, kdy byly prováděny experimenty na odhad velikosti molekul a atomů.

Byl proveden jeden z historicky významných experimentů, který umožnil vypočítat velikosti částic Anglický vědec lord Rayleigh. Protože je to jednoduché na provedení a zároveň velmi přesvědčivé, zkusme si to zopakovat doma. Poté přejdeme ke dvěma dalším experimentům, které nám umožní naučit se některé vlastnosti molekul.

Jaké jsou velikosti částic?

Rýže. 1. Způsob přípravy injekční stříkačky pro umístění roztoku oleje v extrahovaném benzínu do ní; p - poxylin,

c - stříkačka

Pokusme se na tuto otázku odpovědět provedením následujícího experimentu. Z 2 cm injekční stříkačky³ vyjměte píst a jeho výstup utěsněte Poxilinem tak, aby zcela vyplnil výstupní trubici určenou k zavedení jehly (obr. 1). Počkáme pár minut, než Poxilina ztuhne. Když k tomu dojde, nalijte do stříkačky asi 0,2 cm³ jedlého oleje a zaznamenejte tuto hodnotu. Toto je množství použitého oleje._o. Naplňte zbývající objem stříkačky benzínem. Obě kapaliny promíchejte drátem, dokud nezískáte homogenní roztok, a stříkačku upevněte svisle do libovolného držáku.

Poté nalijte do umyvadla teplou vodu tak, aby její hloubka byla 0,5-1 cm.Používejte teplou vodu, ale ne horkou, aby nebylo vidět stoupající páru. Několikrát přetáhneme papírový proužek po hladině vody tečně k ní, abychom povrch vyčistili od náhodného pylu.

Do kapátka nasbíráme trochu směsi oleje a benzínu a proháníme kapátkem středem nádoby s vodou. Jemným zatlačením na gumu kápneme co nejmenší kapku na hladinu vody. Kapka směsi oleje a benzínu se za nejpříznivějších podmínek rozlije všemi směry po hladině vody a vytvoří velmi tenkou vrstvu o tloušťce rovné jednomu průměru částic - tzv. monomolekulární vrstva. Po nějaké době, obvykle po několika minutách, se benzín odpaří (což je urychleno zvýšením teploty vody) a na povrchu zůstane monomolekulární olejová vrstva (obr. 2). Vzniklá vrstva má nejčastěji tvar kruhu o průměru několika centimetrů a více.

Rýže. 2. Monomolekulární vrstva oleje na vodní hladině

m – pánev, c – voda, o – olej, D – průměr útvaru, d – tloušťka útvaru

(velikost olejových částic)

Vodní hladinu osvětlujeme tak, že na ni diagonálně nasměrujeme paprsek světla z baterky. Díky tomu jsou hranice vrstvy viditelnější. Jeho přibližný průměr D snadno určíme z pravítka drženého těsně nad hladinou vody. Když známe tento průměr, můžeme vypočítat plochu vrstvy S pomocí vzorce pro oblast kruhu:

Kdybychom věděli, jaký je objem ropy V₁ obsažené v kapce, pak lze průměr molekuly oleje d snadno vypočítat za předpokladu, že se olej roztavil a vytvořil vrstvu s povrchem S, tj.:

Po porovnání vzorců (1) a (2) a jednoduché transformaci získáme vzorec, který nám umožňuje vypočítat velikost olejové částice:

Nejjednodušší, ale ne nejpřesnější způsob, jak určit objem V₁ je zkontrolovat, kolik kapek lze získat z celkového objemu směsi obsažené ve stříkačce, a vydělit objem použitého oleje Vo tímto číslem. K tomu sbíráme směs do pipety a vytváříme kapičky, snažíme se, aby měly stejnou velikost, jako když padají na hladinu vody. Děláme to, dokud není celá směs vyčerpána.

Přesnější, ale časově náročnější metoda je opakované kapání kapky oleje na hladinu vody, získání monomolekulární vrstvy oleje a měření jejího průměru. Před každou vrstvou je samozřejmě nutné z umyvadla vylít a vylít dříve použitou vodu a olej. Ze získaných měření se vypočítá aritmetický průměr.

Dosazením získaných hodnot do vzorce (3) nezapomeňte převést jednotky a vyjádřit výraz v metrech (m) a V₁ v metrech krychlových (m³). Získejte velikost částic v metrech. Tato velikost bude záviset na typu použitého oleje. Výsledek může být chybný kvůli zjednodušeným předpokladům, zejména proto, že vrstva nebyla monomolekulární a že velikosti kapiček nebyly vždy stejné. Je snadné vidět, že absence monomolekulární vrstvy vede k nadhodnocení hodnoty d. Obvyklé velikosti olejových částic se pohybují v rozmezí 10^-8-10^-9 m. Blok 10^-9 m se nazývá nanometr a často se používá v rychle se rozvíjejícím oboru známém jako nanotechnologie.

"Mizející" objem kapaliny

Rýže. 3. Konstrukce zkušební nádoby na smršťování kapaliny;

g - průhledná, plastová trubice, p - poxylin, l - pravítko,

t - průhledná páska

Následující dva experimenty nám umožní dojít k závěru, že molekuly různých těles mají různé tvary a velikosti. Nejprve odřízněte dva kusy průhledné plastové trubice, oba o vnitřním průměru 1-2 cm a délce 30 cm. Každý kus trubice je přilepen několika kusy lepicí pásky k okraji samostatného pravítka proti stupnici (obr. 3). Uzavřete spodní konce hadic poxylovými zátkami. Obě pravítka upevněte nalepenými hadicemi ve svislé poloze. Do jedné z hadiček nalijte tolik vody, aby vznikl sloupec asi v polovině délky hadice, řekněme 14 cm.Do druhé zkumavky nalijte stejné množství etylalkoholu.

Nyní se ptáme, jaká bude výška sloupce směsi obou kapalin? Pokusme se na ně experimentálně získat odpověď. Nalijte alkohol do vodní hadice a okamžitě změřte horní hladinu kapaliny. Tuto hladinu označíme vodotěsným fixem na hadici. Poté obě tekutiny smíchejte drátkem a znovu zkontrolujte hladinu. Čeho si všímáme? Ukazuje se, že tato hladina se snížila, tzn. objem směsi je menší než součet objemů složek použitých k její výrobě. Tento jev se nazývá kontrakce objemu tekutiny. Snížení objemu je obvykle několik procent.

Vysvětlení modelu

Abychom vysvětlili kompresní efekt, provedeme modelový experiment. Molekuly alkoholu v tomto experimentu budou reprezentovány zrny hrachu a molekulami vody budou semena máku. Do první úzké průhledné misky, např. vysoké zavařovací nádoby, nasypte velkozrnný hrách vysoký asi 0,4 m. Do druhé stejné nádoby nasypte mák (foto 1a). Poté mák nasypeme do nádoby s hráškem a pomocí pravítka odměříme výšku, do které sahá horní úroveň zrn. Tuto hladinu označíme fixem nebo farmaceutickou gumičkou na nádobě (foto 1b). Nádobu uzavřete a několikrát protřepejte. Položíme je svisle a zkontrolujeme, do jaké výšky nyní sahá horní hladina obilné směsi. Ukazuje se, že je nižší než před smícháním (foto 1c).

Pokus ukázal, že po promíchání drobný mák vyplnil volná místa mezi hrášky, v důsledku čehož se zmenšil celkový objem, který směs zabírala. Podobná situace nastává při smíchání vody s alkoholem a některými dalšími kapalinami. Jejich molekuly přicházejí ve všech velikostech a tvarech. Výsledkem je, že menší částice vyplňují mezery mezi většími částicemi a objem kapaliny se snižuje.

Foto 1. Následující fáze studie kompresního modelu:

a) fazole a mák v samostatných nádobách,

b) zrna po vysypání, c) zmenšení objemu zrn po smíchání

Moderní implikace

Dnes je dobře známo, že všechna těla kolem nás se skládají z molekul a ty zase z atomů. Molekuly i atomy jsou v neustálém náhodném pohybu, jehož rychlost závisí na teplotě. Díky moderním mikroskopům, zejména rastrovacímu tunelovému mikroskopu (STM), lze pozorovat jednotlivé atomy. Známé jsou také metody využívající mikroskop atomárních sil (AFM-), který umožňuje přesně pohybovat jednotlivými atomy a spojovat je do systémů tzv. nanostruktury. Kompresní efekt má také praktické důsledky. To musíme vzít v úvahu při volbě množství určitých kapalin nutných k získání směsi požadovaného objemu. Musíte s tím počítat, vč. při výrobě vodek, což, jak víte, jsou směsi převážně ethylalkoholu (alkoholu) a vody, protože objem výsledného nápoje bude menší než součet objemů přísad.