Քայլ դեպի նանոտեխնոլոգիա
Պարունակություն
Հազարավոր տարիներ առաջ մարդիկ մտածում էին, թե ինչից են կազմված շրջակա մարմինները: Պատասխանները տարբեր էին. Հին Հունաստանում գիտնականները կարծիք են հայտնել, որ բոլոր մարմինները կազմված են փոքր անբաժանելի տարրերից, որոնք նրանք անվանել են ատոմներ։ Որքան քիչ, նրանք չկարողացան հստակեցնել: Մի քանի դար շարունակ հույների տեսակետները մնացին միայն վարկածներ։ Դրանք վերադարձվել են նրանց XNUMX-րդ դարում, երբ փորձեր են իրականացվել մոլեկուլների և ատոմների չափերը գնահատելու համար:
Իրականացվել է պատմական նշանակալի փորձերից մեկը, որը հնարավորություն է տվել հաշվարկել մասնիկների չափերը Անգլիացի գիտնական լորդ Ռեյլի. Քանի որ այն պարզ է կատարել և միևնույն ժամանակ շատ համոզիչ, փորձենք այն կրկնել տանը։ Այնուհետև մենք կանդրադառնանք երկու այլ փորձերի, որոնք թույլ կտան մեզ սովորել մոլեկուլների որոշ հատկություններ:
Որո՞նք են մասնիկների չափերը:
Բրինձ. 1. Ներարկիչ պատրաստելու եղանակ՝ արդյունահանվող բենզինի մեջ նավթի լուծույթը դրա մեջ դնելու համար. p - poxylin,
s – ներարկիչ
Փորձենք պատասխանել այս հարցին՝ կատարելով հետևյալ փորձը. Ներարկիչից 2 սմ3 հանեք մխոցը և փակեք դրա ելքը Poxiline-ով, որպեսզի այն ամբողջությամբ լցվի ասեղ տեղադրելու համար նախատեսված ելքի խողովակը (նկ. 1): Սպասում ենք մի քանի րոպե, մինչև Poxilina-ն պնդանա։ Երբ դա տեղի ունենա, մոտ 0,2 սմ լցրեք ներարկիչի մեջ3 ուտելի յուղ և գրանցել այս արժեքը: Սա B օգտագործված յուղի ծավալն է:o. Ներարկիչի մնացած ծավալը լցրեք բենզինով։ Երկու հեղուկներն էլ մետաղալարով խառնեք մինչև համասեռ լուծույթ ստացվի և ներարկիչը ուղղահայաց ամրացրեք ցանկացած պահարանի մեջ:
Այնուհետեւ ավազանի մեջ լցնել տաք ջուր, որպեսզի դրա խորությունը լինի 0,5-1 սմ, օգտագործեք տաք ջուր, բայց ոչ տաք, որպեսզի բարձրացող գոլորշին չերեւա։ Մենք ջրի երեսի երկայնքով մի քանի անգամ քաշում ենք թղթե ժապավենը շոշափելով դրան, որպեսզի մակերեսը մաքրվի թափառող ծաղկափոշուց:
Նավթի և բենզինի մի փոքր խառնուրդ լցնում ենք կաթիլայինի մեջ և կաթիլիչը ջրով տեղափոխում ենք նավի կենտրոնով։ Մեղմ սեղմելով ռետինը, հնարավորինս փոքր կաթիլ գցեք ջրի մակերեսին: Նավթի և բենզինի խառնուրդի մի կաթիլը լայնորեն կտարածվի բոլոր ուղղություններով ջրի մակերևույթի վրա և կձևավորի շատ բարակ շերտ, որի հաստությամբ, առավել բարենպաստ պայմաններում, հավասար է մեկ մասնիկի տրամագծին, այսպես կոչված. մոնոմոլեկուլային շերտ. Որոշ ժամանակ անց, սովորաբար մի քանի րոպե, բենզինը կգոլորշիանա (որը արագանում է ջրի ջերմաստիճանի բարձրացմամբ), և մակերեսի վրա կմնա յուղի միամոլեկուլային շերտ (նկ. 2): Ստացված շերտը ամենից հաճախ ունենում է մի քանի սանտիմետր կամ ավելի տրամագծով շրջանագծի ձև։
Բրինձ. 2. Յուղի մոնոմոլեկուլային շերտ ջրի մակերեսին
m – կոնք, գ – ջուր, o – յուղ, D – առաջացման տրամագիծ, դ – առաջացման հաստություն
(յուղի մասնիկի չափը)
Մենք լուսավորում ենք ջրի մակերեսը՝ լապտերի լույսի ճառագայթն ուղղելով դրա վրա անկյունագծով։ Սա ավելի տեսանելի է դարձնում շերտերի սահմանները: Մենք հեշտությամբ կարող ենք որոշել դրա մոտավոր տրամագիծը D՝ օգտագործելով մի քանոն, որը պահվում է ջրի մակերևույթից անմիջապես վերևում: Իմանալով այս տրամագիծը՝ մենք կարող ենք հաշվարկել S շերտի մակերեսը՝ օգտագործելով շրջանագծի տարածքի բանաձևը.
Եթե իմանայինք, թե որքան է նավթի ծավալը V1 պարունակվող կաթիլում, ապա d յուղի մոլեկուլի տրամագիծը հեշտությամբ կարելի է հաշվարկել՝ ենթադրելով, որ նավթը հալվել է և ձևավորել S մակերեսով շերտ, այսինքն՝
(1) և (2) բանաձևերը և պարզ փոխակերպումը համեմատելուց հետո մենք ստանում ենք բանաձև, որը թույլ է տալիս մեզ հաշվարկել նավթի մասնիկի չափը.
V ծավալը որոշելու ամենապարզ, բայց ոչ ամենաճիշտ միջոցը1 այն է ստուգել, թե քանի կաթիլ կարելի է ստանալ ներարկիչում պարունակվող խառնուրդի ամբողջ ծավալից և բաժանել Vo յուղի օգտագործված ծավալը այս թվի վրա: Դա անելու համար մենք խառնուրդը վերցնում ենք պիպետտի մեջ և կաթիլներ ենք ստեղծում՝ փորձելով դրանք պահել նույն չափի, ինչ ջրի մակերեսին կաթելիս: Մենք դա անում ենք այնքան ժամանակ, մինչև ամբողջ խառնուրդը սպառվի:
Ավելի ճշգրիտ, բայց ավելի աշխատատար մեթոդը ներառում է ջրի մակերևույթի վրա մի կաթիլ նավթի բազմիցս գցելը, յուղի մոնոմոլեկուլային շերտ ստանալը և դրա տրամագիծը չափելը: Իհարկե, յուրաքանչյուր շերտ պատրաստելուց առաջ նախապես օգտագործված ջուրն ու յուղը պետք է լցնել ավազանից և նորից լցնել մաքուրներով։ Միջին թվաբանականը հաշվարկվում է ստացված չափումներից։
Ստացված արժեքները փոխարինելով բանաձևով (3), մի մոռացեք վերափոխել միավորները և արտահայտել արտահայտությունը մետրերով (m) և V-ով:1 խորանարդ մետրով (մ3). Մենք ստանում ենք մասնիկների չափը մետրերով: Այս չափը կախված կլինի օգտագործվող յուղի տեսակից: Արդյունքը կարող է սխալ լինել՝ արված պարզեցնող ենթադրությունների պատճառով, մասնավորապես, որ շերտը մոնոմոլեկուլային չէ, և որ կաթիլների չափերը միշտ չէ, որ նույնն են եղել։ Հեշտ է տեսնել, որ շերտի մոնոմոլեկուլյարության բացակայությունը հանգեցնում է d արժեքի գերագնահատմանը: Նավթի մասնիկների բնորոշ չափերը 10-ի սահմաններում են:-810 --9 մ Բլոկ 10-9 մ կոչվում է նանոմետր և հաճախ օգտագործվում է արագ զարգացող ոլորտում, որը հայտնի է որպես նանոտեխնոլոգիա.
Հեղուկի «անհետացող» ծավալը
Բրինձ. 3. Նավի դիզայն՝ հեղուկի նեղացման փորձարկման համար;
g - թափանցիկ, պլաստիկ խողովակ, p - poxylin, l - քանոն,
t - թափանցիկ ժապավեն
Հետևյալ երկու փորձերը մեզ թույլ կտան եզրակացնել, որ տարբեր մարմինների մոլեկուլները տարբեր ձևեր և չափեր ունեն։ Առաջինն անելու համար կտրեք երկու կտոր թափանցիկ պլաստիկ խողովակ, երկուսն էլ 1-2 սմ ներքին տրամագծով և 30 սմ երկարությամբ: Խողովակների յուրաքանչյուր կտոր մի քանի կտոր ժապավենով սոսնձված է առանձին քանոնի եզրին, որը գտնվում է հակառակ կողմում: սանդղակ (նկ. 3): Փակեք գուլպաների ստորին ծայրերը poxylin խցաններով: Ամրացրեք երկու քանոնները սոսնձված գուլպաներով ուղղահայաց դիրքով: Ճկափողերից մեկի մեջ լցնել այնքան ջուր, որպեսզի ստեղծվի գուլպանի երկարության մոտավորապես կեսը սյունակ, օրինակ՝ 14 սմ: Երկրորդ փորձանոթի մեջ լցնել նույն քանակությամբ էթիլային սպիրտ:
Հիմա հարցնենք, թե որքա՞ն կլինի երկու հեղուկների խառնուրդի սյունակի բարձրությունը։ Փորձենք դրանց պատասխանել փորձնականորեն։ Սպիրտ լցնել ջրի գուլպանի մեջ և անմիջապես չափել հեղուկի վերին մակարդակը: Մենք այս մակարդակը նշում ենք գուլպաների վրա անջրանցիկ մարկերով: Այնուհետև երկու հեղուկները խառնել մետաղալարով և նորից ստուգել մակարդակը։ Ի՞նչ ենք մենք նկատում. Ստացվում է, որ այս մակարդակը նվազել է, այսինքն. խառնուրդի ծավալը պակաս է այն արտադրելու համար օգտագործվող բաղադրիչների ծավալների գումարից: Այս երեւույթը կոչվում է հեղուկի ծավալի կծկում։ Ծավալի կրճատումը սովորաբար մի քանի տոկոս է:
Մոդելի բացատրություն
Սեղմման էֆեկտը բացատրելու համար մենք կանցկացնենք մոդելային փորձ: Այս փորձի ալկոհոլի մոլեկուլները կներկայացվեն սիսեռի հատիկներով, իսկ ջրի մոլեկուլները կլինեն կակաչի սերմեր: Առաջին, նեղ, թափանցիկ տարայի մեջ, օրինակ՝ բարձր տարայի մեջ լցնել խոշոր հատիկավոր ոլոռը մոտ 0,4 մ բարձրության վրա, նույն բարձրության երկրորդ տարայի մեջ լցնել կակաչի սերմերը (լուսանկար 1ա): Այնուհետև կակաչի սերմերը լցնում ենք սիսեռով անոթի մեջ և քանոնով չափում այն բարձրությունը, որին հասնում է հատիկների վերին մակարդակը։ Այս մակարդակը նշում ենք նավի վրա մարկերով կամ դեղագործական ռետինով (լուսանկար 1բ): Փակեք տարան և մի քանի անգամ թափահարեք։ Տեղադրում ենք դրանք ուղղահայաց և ստուգում, թե հիմա ինչ բարձրության է հասնում հացահատիկի խառնուրդի վերին մակարդակը։ Ստացվում է, որ այն ավելի ցածր է, քան խառնելուց առաջ (լուսանկար 1c):
Փորձը ցույց է տվել, որ խառնելուց հետո փոքրիկ կակաչի սերմերը լցրել են սիսեռների միջև եղած դատարկ տարածությունները, ինչի արդյունքում խառնուրդի զբաղեցրած ընդհանուր ծավալը նվազել է։ Նմանատիպ իրավիճակ է առաջանում ջուրը ալկոհոլի և որոշ այլ հեղուկների հետ խառնելիս։ Նրանց մոլեկուլները լինում են բոլոր չափերի և ձևերի: Արդյունքում ավելի փոքր մասնիկները լրացնում են ավելի մեծ մասնիկների միջև եղած բացերը, և հեղուկի ծավալը նվազում է։
Լուսանկար 1. Սեղմման մոդելի ուսումնասիրության հաջորդ փուլերը.
ա) լոբի և կակաչի սերմեր առանձին տարաներում,
բ) հատիկները թափվելուց հետո, գ) հատիկների ծավալի նվազումը խառնելուց հետո
Ժամանակակից հետևանքներ
Այսօր հայտնի է, որ մեզ շրջապատող բոլոր մարմինները բաղկացած են մոլեկուլներից, իսկ դրանք, իրենց հերթին, ատոմներից։ Ե՛վ մոլեկուլները, և՛ ատոմները գտնվում են մշտական պատահական շարժման մեջ, որի արագությունը կախված է ջերմաստիճանից։ Ժամանակակից մանրադիտակների, հատկապես սկանավորող թունելային մանրադիտակի (STM) շնորհիվ կարելի է դիտարկել առանձին ատոմներ։ Կան նաև մեթոդներ, որոնք օգտագործում են ատոմային ուժային մանրադիտակ (AFM), որը հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ տեղափոխել առանձին ատոմներ և միավորել դրանք համակարգերի մեջ, որոնք կոչվում են. նանոկառուցվածքներ. Կոմպրեսիոն էֆեկտն ունի նաև գործնական նշանակություն։ Մենք պետք է դա հաշվի առնենք, երբ ընտրենք որոշակի հեղուկների քանակությունը, որն անհրաժեշտ է պահանջվող ծավալի խառնուրդ ստանալու համար: Դուք պետք է հաշվի առնեք այն, ներառյալ. օղիների արտադրության մեջ, որոնք, ինչպես հայտնի է, հիմնականում էթիլային սպիրտի (ալկոհոլի) և ջրի խառնուրդներ են, քանի որ ստացված ըմպելիքի ծավալը պակաս կլինի բաղադրիչների ծավալների գումարից։
