Stap naar nanotechnologie

Duizenden jaren geleden vroegen mensen zich af waar de omringende lichamen van gemaakt zijn. De antwoorden liepen uiteen. In het oude Griekenland waren wetenschappers van mening dat alle lichamen zijn opgebouwd uit kleine ondeelbare elementen, die ze atomen noemden. Hoe weinig konden ze niet specificeren. Eeuwenlang bleven de opvattingen van de Grieken slechts hypothesen. Ze werden aan hen teruggegeven in de XNUMXe eeuw, toen experimenten werden uitgevoerd om de grootte van moleculen en atomen te schatten.

Een van de historisch belangrijke experimenten, die het mogelijk maakten om de deeltjesgrootte te berekenen, werd uitgevoerd Engelse wetenschapper Lord Rayleigh. Omdat het eenvoudig uit te voeren is en tegelijkertijd zeer overtuigend, laten we proberen het thuis te herhalen. Vervolgens zullen we ons wenden tot twee andere experimenten waarmee we enkele eigenschappen van moleculen kunnen leren.

Wat zijn de deeltjesgroottes?

Rijst. 1. Een methode om een ​​injectiespuit te maken om er een oplossing van olie in geëxtraheerde benzine in te doen; p - poxyline,

c - spuit

Laten we proberen deze vraag te beantwoorden door het volgende experiment uit te voeren. Uit een spuit 2 cm³ verwijder de zuiger en sluit de uitlaat af met Poxiline, zodat deze de uitlaatbuis die bedoeld is voor het inbrengen van de naald volledig vult (fig. 1). We wachten een paar minuten tot Poxilina hard wordt. Wanneer dit gebeurt, giet dan ongeveer 0,2 cm in de spuit³ eetbare olie en noteer deze waarde. Dit is het gebruikte volume olie B._o. Vul het resterende volume van de spuit met benzine. Meng beide vloeistoffen met een draad tot een homogene oplossing is verkregen en zet de spuit verticaal in een willekeurige houder.

Giet vervolgens warm water in het bassin zodat de diepte 0,5-1 cm is.Gebruik warm water, maar niet heet, zodat de opstijgende stoom niet zichtbaar is. We slepen een papieren strook verschillende keren tangentieel langs het wateroppervlak om het oppervlak van verdwaald stuifmeel te verwijderen.

We doen een klein mengsel van olie en benzine in de druppelaar en verplaatsen de druppelaar met water langs het midden van het vat. Druk zachtjes op de gum en laat een zo klein mogelijke druppel op het wateroppervlak vallen. Een druppel van een mengsel van olie en benzine zal zich in alle richtingen wijd over het wateroppervlak verspreiden en een zeer dunne laag vormen met een dikte, onder de meest gunstige omstandigheden, gelijk aan één deeltjesdiameter - de zogenaamde monomoleculaire laag. Na enige tijd, meestal een paar minuten, zal de benzine verdampen (wat wordt versneld door de temperatuur van het water te verhogen) en zal er een monomoleculaire olielaag op het oppervlak achterblijven (Fig. 2). De resulterende laag heeft meestal de vorm van een cirkel met een diameter van enkele centimeters of meer.

Rijst. 2. Monomoleculaire olielaag op het wateroppervlak

m - bekken, c - water, o - olie, D - formatiediameter, d - formatiedikte

(oliedeeltjesgrootte)

We verlichten het wateroppervlak door er een lichtstraal van een zaklamp diagonaal op te richten. Hierdoor worden de laaggrenzen beter zichtbaar. We kunnen de geschatte diameter D gemakkelijk bepalen door een liniaal te gebruiken die net boven het wateroppervlak wordt gehouden. Als we deze diameter kennen, kunnen we het gebied van de laag S berekenen met behulp van de formule voor het gebied van een cirkel:

Als we wisten wat het volume olie V is₁ aanwezig in de gevallen druppel, dan zou de diameter van het oliemolecuul d gemakkelijk kunnen worden berekend, ervan uitgaande dat de olie smolt en een laag vormde met oppervlak S, dat wil zeggen:

Na het vergelijken van formules (1) en (2) en een eenvoudige transformatie, verkrijgen we een formule waarmee we de grootte van een oliedeeltje kunnen berekenen:

De eenvoudigste, maar niet de meest nauwkeurige manier om volume V te bepalen₁ is om te controleren hoeveel druppels kunnen worden verkregen uit het volledige volume van het mengsel in de spuit en het gebruikte volume Vo-olie te delen door dit aantal. Om dit te doen, brengen we het mengsel in een pipet en creëren we druppels, in een poging ze dezelfde grootte te houden als wanneer we ze op het wateroppervlak druppelen. We doen dit totdat het hele mengsel is opgebruikt.

Een nauwkeurigere maar arbeidsintensievere methode houdt in dat je herhaaldelijk een druppel olie op het wateroppervlak laat vallen, waardoor een monomoleculaire olielaag ontstaat en de diameter ervan wordt gemeten. Uiteraard moet, voordat elke laag wordt aangebracht, het eerder gebruikte water en de olie uit het bassin worden gegoten en opnieuw worden gevuld met schone. Het rekenkundig gemiddelde wordt berekend op basis van de verkregen metingen.

Vervang de verkregen waarden in formule (3), vergeet niet de eenheden om te zetten en de uitdrukking uit te drukken in meters (m) en V₁ in kubieke meter (m³). We krijgen de deeltjesgrootte in meters. Deze maat is afhankelijk van het type olie dat wordt gebruikt. Het resultaat kan onjuist zijn als gevolg van vereenvoudigende aannames, met name dat de laag niet monomoleculair was en dat de druppelgroottes niet altijd hetzelfde waren. Het is gemakkelijk in te zien dat het gebrek aan monomoleculariteit van de laag leidt tot een overschatting van de d-waarde. Typische oliedeeltjesgroottes liggen binnen 10^-8-10^-9 m. Blok 10^-9 m wordt genoemd nanometer en wordt vaak gebruikt in een zich snel ontwikkelend veld dat bekend staat als nanotechnologie.

"Verdwijnend" vloeistofvolume

Rijst. 3. Vaartuigontwerp voor het testen van vloeistoffen op krimp;

g - transparante, plastic buis, p - poxylin, l - liniaal,

t - transparante tape

Met de volgende twee experimenten kunnen we concluderen dat moleculen van verschillende lichamen verschillende vormen en afmetingen hebben. Om de eerste te doen, knipt u twee stukken doorzichtige plastic buis, beide met een binnendiameter van 1-2 cm en een lengte van 30 cm.Elk stuk buis wordt met verschillende stukjes tape vastgelijmd aan de rand van een afzonderlijke liniaal tegenover de schaal (Fig. 3). Sluit de onderste uiteinden van de slangen af ​​met poxyline-pluggen. Zet beide linialen met gelijmde slangen in verticale positie vast. Giet voldoende water in een van de slangen zodat er een kolom ontstaat van ongeveer de helft van de lengte van de slang, bijvoorbeeld 14 cm. Giet dezelfde hoeveelheid ethylalcohol in de tweede reageerbuis.

Laten we ons nu afvragen: wat zal de hoogte zijn van de kolom van het mengsel van beide vloeistoffen? Laten we proberen ze experimenteel te beantwoorden. Giet alcohol in de waterslang en meet onmiddellijk het bovenste niveau van de vloeistof. Dit niveau markeren wij met een waterdichte stift op de slang. Meng vervolgens beide vloeistoffen met een draad en controleer het niveau opnieuw. Wat merken wij? Het blijkt dat dit niveau is afgenomen, d.w.z. het volume van het mengsel is kleiner dan de som van de volumes van de ingrediënten die zijn gebruikt om het te produceren. Dit fenomeen wordt vloeistofvolumecontractie genoemd. De volumereductie bedraagt ​​doorgaans enkele procenten.

Model uitleg

Om het compressie-effect te verklaren, zullen we een modelexperiment uitvoeren. De alcoholmoleculen in dit experiment zullen worden weergegeven door erwtenkorrels, en de watermoleculen zullen maanzaad zijn. Giet grofkorrelige erwten van ongeveer 0,4 m hoog in de eerste, smalle, transparante container, bijvoorbeeld een hoge pot. Giet maanzaad in een tweede container van dezelfde hoogte (foto 1a). Vervolgens gieten we de maanzaadjes in het vat met de erwten en meten we met een liniaal de hoogte tot waar het bovenste niveau van de korrels reikt. Dit niveau markeren we met een marker of apothekersgum op het vat (foto 1b). Sluit de container en schud meerdere keren. We plaatsen ze verticaal en kijken tot welke hoogte het bovenste niveau van het graanmengsel nu reikt. Het blijkt dat het lager is dan vóór het mengen (foto 1c).

Uit het experiment bleek dat na het mengen kleine maanzaadjes de lege ruimtes tussen de erwten opvulden, wat resulteerde in een afname van het totale volume dat door het mengsel werd ingenomen. Een soortgelijke situatie doet zich voor bij het mengen van water met alcohol en sommige andere vloeistoffen. Hun moleculen zijn er in alle maten en vormen. Als gevolg hiervan vullen kleinere deeltjes de gaten tussen grotere deeltjes en neemt het vloeistofvolume af.

Foto 1. De volgende fasen van het bestuderen van het compressiemodel:

a) bonen en maanzaad in aparte vaten,

b) korrels na het vergieten, c) vermindering van het korrelvolume na het mengen

Moderne gevolgen

Tegenwoordig is het algemeen bekend dat alle lichamen om ons heen uit moleculen bestaan, en die op hun beurt weer uit atomen. Zowel moleculen als atomen zijn voortdurend in willekeurige beweging, waarvan de snelheid afhangt van de temperatuur. Dankzij moderne microscopen, vooral de scanning tunneling microscoop (STM), kunnen individuele atomen worden waargenomen. Er zijn ook methoden die gebruik maken van een atomic force microscope (AFM), die het mogelijk maakt om individuele atomen nauwkeurig te verplaatsen en te combineren tot systemen die we nanostructuren. Het compressie-effect heeft ook praktische betekenis. Hiermee moeten we rekening houden bij het selecteren van de hoeveelheid van bepaalde vloeistoffen die nodig is om een ​​mengsel met het vereiste volume te verkrijgen. U dient er rekening mee te houden incl. bij de productie van wodka's, die, zoals bekend, mengsels zijn van voornamelijk ethylalcohol (alcohol) en water, omdat het volume van de resulterende drank kleiner zal zijn dan de som van de volumes van de ingrediënten.