Cam tuag at nanotechnoleg
Filoedd o flynyddoedd yn ôl, roedd pobl yn meddwl tybed o beth mae'r cyrff cyfagos wedi'u gwneud. Roedd yr atebion yn amrywio. Yng Ngwlad Groeg hynafol, mynegodd gwyddonwyr y farn bod pob corff yn cynnwys elfennau bach anrhanadwy, a elwir yn atomau ganddynt. Cyn lleied, ni allent nodi. Am sawl canrif, dim ond damcaniaethau oedd barn y Groegiaid. Fe'u dychwelwyd atynt yn y XNUMXfed ganrif, pan gynhaliwyd arbrofion i amcangyfrif maint moleciwlau ac atomau.
Cynhaliwyd un o'r arbrofion hanesyddol arwyddocaol, a'i gwnaeth yn bosibl cyfrifo maint gronynnau Gwyddonydd Seisnig yr Arglwydd Rayleigh. Gan ei fod yn syml i'w berfformio ac ar yr un pryd yn argyhoeddiadol iawn, gadewch i ni geisio ei ailadrodd gartref. Yna trown at ddau arbrawf arall a fydd yn ein galluogi i ddysgu rhai o briodweddau moleciwlau.
Beth yw maint y gronynnau?
Reis. 1. Dull o baratoi chwistrell ar gyfer gosod toddiant o olew mewn gasoline wedi'i dynnu i mewn iddo; p - pocsilin,
c - chwistrell
Gadewch i ni geisio ateb y cwestiwn hwn trwy gynnal yr arbrawf canlynol. O chwistrell 2 cm3 tynnwch y plunger a seliwch ei allfa gyda Poxiline fel ei fod yn llenwi'n llwyr y tiwb allfa a fwriedir ar gyfer gosod y nodwydd (Ffig. 1). Rydyn ni'n aros ychydig funudau nes bod Poxilina yn caledu. Pan fydd hyn yn digwydd, arllwyswch tua 0,2 cm i'r chwistrell3 olew bwytadwy a chofnodwch y gwerth hwn. Dyma faint o olew a ddefnyddir.o. Llenwch y cyfaint sy'n weddill o'r chwistrell gyda gasoline. Cymysgwch y ddau hylif gyda gwifren nes cael hydoddiant homogenaidd a gosodwch y chwistrell yn fertigol mewn unrhyw ddaliwr.
Yna arllwyswch ddŵr cynnes i'r basn fel bod ei ddyfnder yn 0,5-1 cm Defnyddiwch ddŵr cynnes, ond nid yn boeth, fel na ellir gweld y stêm yn codi. Rydyn ni'n llusgo stribed papur ar hyd wyneb y dŵr sawl gwaith yn tangential iddo i lanhau wyneb paill ar hap.
Rydyn ni'n casglu ychydig o gymysgedd o olew a gasoline i'r dropper ac yn gyrru'r dropiwr trwy ganol y llong gyda dŵr. Gan bwyso'n ysgafn ar y rhwbiwr, rydyn ni'n gollwng diferyn mor fach â phosib ar wyneb y dŵr. Bydd diferyn o gymysgedd o olew a gasoline yn lledaenu'n eang i bob cyfeiriad dros wyneb y dŵr ac yn ffurfio haen denau iawn gyda thrwch sy'n hafal i un diamedr gronyn o dan yr amodau mwyaf ffafriol - yr hyn a elwir. haen monomoleciwlaidd. Ar ôl peth amser, fel arfer ychydig funudau, bydd y gasoline yn anweddu (wedi'i gyflymu gan y cynnydd yn nhymheredd y dŵr), gan adael haen olew monomoleciwlaidd ar yr wyneb (Ffig. 2). Yn aml mae gan yr haen sy'n deillio o hyn siâp cylch â diamedr o sawl centimetr neu fwy.
Reis. 2. Haen monomoleciwlaidd o olew ar wyneb y dŵr
m – pelfis, c – dŵr, o – olew, D – diamedr ffurfio, d – trwch ffurfio
(maint gronynnau olew)
Rydyn ni'n goleuo wyneb y dŵr trwy gyfeirio pelydryn o olau o fflach-olau yn groeslinol iddo. Oherwydd hyn, mae ffiniau'r haen yn fwy gweladwy. Gallwn yn hawdd bennu ei ddiamedr bras D o bren mesur a ddelir ychydig uwchben wyneb y dŵr. Gan wybod y diamedr hwn, gallwn gyfrifo arwynebedd yr haen S gan ddefnyddio'r fformiwla ar gyfer arwynebedd cylch:
Pe gwyddem beth yw cyfaint yr olew V1 a gynhwysir yn y gostyngiad wedi'i ollwng, yna gellid cyfrifo diamedr y moleciwl olew d yn hawdd, gan dybio bod yr olew wedi toddi ac yn ffurfio haen ag arwyneb S, h.y.:
Ar ôl cymharu fformiwlâu (1) a (2) a thrawsnewidiad syml, rydym yn cael fformiwla sy'n ein galluogi i gyfrifo maint gronyn olew:
Y ffordd hawsaf, ond nid y ffordd fwyaf cywir o bennu cyfaint V1 yw gwirio faint o ddiferion y gellir eu cael o gyfanswm cyfaint y cymysgedd sydd yn y chwistrell a rhannu cyfaint yr olew Vo a ddefnyddir gan y rhif hwn. I wneud hyn, rydym yn casglu'r cymysgedd mewn pibed ac yn creu defnynnau, gan geisio eu gwneud yr un maint â phan fyddant yn cael eu gollwng ar wyneb y dŵr. Rydyn ni'n gwneud hyn nes bod y gymysgedd gyfan wedi dod i ben.
Dull mwy cywir, ond sy'n cymryd mwy o amser, yw gollwng diferyn olew ar wyneb y dŵr dro ar ôl tro, cael haen olew monomoleciwlaidd a mesur ei ddiamedr. Wrth gwrs, cyn gwneud pob haen, rhaid arllwys y dŵr a'r olew a ddefnyddiwyd yn flaenorol o'r basn a'u tywallt yn lân. O'r mesuriadau a gafwyd, cyfrifir y cymedr rhifyddol.
Gan amnewid y gwerthoedd a gafwyd yn fformiwla (3), peidiwch ag anghofio trosi'r unedau a mynegi'r mynegiant mewn metrau (m) a V1 mewn metrau ciwbig (m3). Cael maint y gronynnau mewn metrau. Bydd y maint hwn yn dibynnu ar y math o olew a ddefnyddir. Gall y canlyniad fod yn wallus oherwydd y rhagdybiaethau symleiddio a wnaed, yn enwedig oherwydd nad oedd yr haen yn monomoleciwlaidd ac nad oedd maint y defnynnau bob amser yr un peth. Mae'n hawdd gweld bod absenoldeb haen monomoleciwlaidd yn arwain at oramcangyfrif o werth d. Mae meintiau arferol gronynnau olew yn yr ystod o 10-810--9 Priododd Bloc 10-9 m gelwir nanomedr ac fe'i defnyddir yn aml yn y maes ffyniant a elwir nanotechnoleg.
"Diflannu" cyfaint o hylif
Reis. 3. Dyluniad y llong prawf crebachu hylif;
g - tryloyw, tiwb plastig, p - pocsilin, l - pren mesur,
t - tâp tryloyw
Bydd y ddau arbrawf canlynol yn ein galluogi i ddod i'r casgliad bod gan foleciwlau gwahanol gyrff siapiau a meintiau gwahanol. Ar gyfer y cyntaf, torrwch ddau ddarn o diwb plastig tryloyw, y ddau 1-2 cm mewn diamedr mewnol a 30 cm o hyd.Mae pob darn o diwb yn cael ei gludo â sawl darn o dâp gludiog i ymyl pren mesur ar wahân gyferbyn â'r raddfa (Ffig. 3). Caewch bennau isaf y pibellau gyda phlygiau poxylin. Gosodwch y ddau bren mesur gyda phibellau wedi'u gludo mewn safle fertigol. Arllwyswch ddigon o ddŵr i mewn i un o'r pibellau i wneud colofn tua hanner hyd y bibell, dyweder 14 cm Arllwyswch yr un faint o alcohol ethyl i'r ail diwb profi.
Nawr gofynnwn, beth fydd uchder colofn cymysgedd y ddau hylif? Gadewch i ni geisio cael ateb iddynt yn arbrofol. Arllwyswch alcohol i'r bibell ddŵr a mesurwch lefel uchaf yr hylif ar unwaith. Rydyn ni'n marcio'r lefel hon gyda marciwr gwrth-ddŵr ar y pibell. Yna cymysgwch y ddau hylif gyda gwifren a gwiriwch y lefel eto. Beth rydyn ni'n sylwi arno? Mae'n ymddangos bod y lefel hon wedi gostwng, h.y. mae cyfaint y cymysgedd yn llai na swm cyfaint y cynhwysion a ddefnyddiwyd i'w gynhyrchu. Gelwir y ffenomen hon yn crebachiad cyfaint hylif. Mae'r gostyngiad mewn cyfaint fel arfer ychydig y cant.
Esboniad enghreifftiol
Er mwyn egluro'r effaith cywasgu, byddwn yn cynnal arbrawf model. Bydd moleciwlau alcohol yn yr arbrawf hwn yn cael eu cynrychioli gan ronynnau pys, a bydd moleciwlau dŵr yn hadau pabi. Arllwyswch bys grawn mawr tua 0,4 m o uchder i'r ddysgl gyntaf, gul, dryloyw, er enghraifft, jar uchel, Arllwyswch hadau pabi i'r ail lestr o'r un uchder (llun 1a). Yna rydyn ni'n arllwys hadau pabi i lestr gyda phys ac yn defnyddio pren mesur i fesur yr uchder y mae lefel uchaf y grawn yn ei gyrraedd. Rydym yn marcio'r lefel hon gyda marciwr neu fand rwber fferyllol ar y llong (llun 1b). Caewch y cynhwysydd a'i ysgwyd sawl gwaith. Rydyn ni'n eu rhoi'n fertigol ac yn gwirio i ba uchder y mae lefel uchaf y cymysgedd grawn bellach yn ei gyrraedd. Mae'n ymddangos ei fod yn is nag o'r blaen cymysgu (llun 1c).
Dangosodd yr arbrawf, ar ôl cymysgu, fod hadau pabi bach wedi llenwi'r bylchau rhydd rhwng y pys, ac o ganlyniad gostyngodd cyfanswm y cyfaint a feddiannwyd gan y cymysgedd. Mae sefyllfa debyg yn digwydd wrth gymysgu dŵr ag alcohol a rhai hylifau eraill. Daw eu moleciwlau mewn pob maint a siâp. O ganlyniad, mae gronynnau llai yn llenwi'r bylchau rhwng gronynnau mwy ac mae cyfaint yr hylif yn cael ei leihau.
Llun 1. Y camau canlynol yn yr astudiaeth o'r model cywasgu:
a) ffa a hadau pabi mewn llestri ar wahân,
b) grawn ar ôl eu taflu, c) gostyngiad yng nghyfaint y grawn ar ôl cymysgu
Goblygiadau modern
Heddiw mae'n hysbys bod yr holl gyrff o'n cwmpas yn cynnwys moleciwlau, a'r rheini, yn eu tro, yn cynnwys atomau. Mae moleciwlau ac atomau mewn mudiant cyson ar hap, y mae eu cyflymder yn dibynnu ar dymheredd. Diolch i ficrosgopau modern, yn enwedig y microsgop twnelu sganio (STM), gellir arsylwi atomau unigol. Mae dulliau hefyd yn hysbys sy'n defnyddio microsgop grym atomig (AFM-), sy'n eich galluogi i symud atomau unigol yn gywir a'u cyfuno i systemau o'r enw nanostrwythurau. Mae gan yr effaith gywasgu oblygiadau ymarferol hefyd. Rhaid inni gymryd hyn i ystyriaeth wrth ddewis faint o hylifau penodol sydd eu hangen i gael cymysgedd o'r cyfaint gofynnol. Rhaid i chi ei gymryd i ystyriaeth, gan gynnwys. wrth gynhyrchu fodca, sydd, fel y gwyddoch, yn gymysgeddau o alcohol ethyl (alcohol) a dŵr yn bennaf, gan y bydd cyfaint y ddiod sy'n deillio o hyn yn llai na chyfanswm cyfaint y cynhwysion.
