Hatua kuelekea nanoteknolojia

Maelfu ya miaka iliyopita, watu walishangaa miili iliyozunguka imeundwa na nini. Majibu yalitofautiana. Katika Ugiriki ya kale, wanasayansi walionyesha maoni kwamba miili yote imeundwa na vipengele vidogo visivyoweza kugawanyika, ambavyo waliviita atomi. Jinsi kidogo, hawakuweza kutaja. Kwa karne kadhaa, maoni ya Wagiriki yalibaki mawazo tu. Walirudishwa kwao katika karne ya XNUMX, wakati majaribio yalifanywa kukadiria saizi ya molekuli na atomi.

Moja ya majaribio muhimu ya kihistoria, ambayo ilifanya iwezekanavyo kuhesabu ukubwa wa chembe, ilifanyika Mwanasayansi wa Kiingereza Lord Rayleigh. Kwa kuwa ni rahisi kufanya na wakati huo huo kushawishi sana, hebu jaribu kurudia nyumbani. Kisha tunageukia majaribio mengine mawili ambayo yataturuhusu kujifunza baadhi ya sifa za molekuli.

Ukubwa wa chembe ni nini?

Mchele. 1. Njia ya kuandaa sindano kwa kuweka suluhisho la mafuta katika petroli iliyotolewa ndani yake; p - poksilini,

c - sindano

Wacha tujaribu kujibu swali hili kwa kufanya jaribio lifuatalo. Kutoka kwa sindano ya cm 2³ ondoa plunger na uzibe tundu lake na Poxiline ili ijaze kabisa bomba la kutoka lililokusudiwa kuchomwa sindano (Mchoro 1). Tunasubiri dakika chache hadi Poxilina iwe ngumu. Wakati hii itatokea, mimina ndani ya sindano kuhusu 0,2 cm³ mafuta ya kula na kurekodi thamani hii. Hii ni kiasi cha mafuta kutumika._o. Jaza kiasi kilichobaki cha sindano na petroli. Changanya vinywaji vyote viwili na waya hadi suluhisho la homogeneous linapatikana na urekebishe sindano kwa wima kwenye kishikilia chochote.

Kisha mimina maji ya joto ndani ya bonde ili kina chake ni cm 0,5-1. Tumia maji ya joto, lakini sio moto, ili mvuke inayoongezeka haiwezi kuonekana. Tunaburuta kipande cha karatasi kwenye uso wa maji mara kadhaa kwa tangentially ili kusafisha uso wa poleni ya nasibu.

Tunakusanya mchanganyiko kidogo wa mafuta na petroli ndani ya dropper na kuendesha dropper katikati ya chombo na maji. Kushinikiza kwa upole kwenye eraser, tunatupa tone ndogo iwezekanavyo kwenye uso wa maji. Tone la mchanganyiko wa mafuta na petroli litaenea sana katika pande zote juu ya uso wa maji na kuunda safu nyembamba sana na unene sawa na kipenyo cha chembe moja chini ya hali nzuri zaidi - kinachojulikana. safu ya monomolecular. Baada ya muda, kwa kawaida dakika chache, petroli itatoka (ambayo inaharakishwa na kupanda kwa joto la maji), na kuacha safu ya mafuta ya monomolecular juu ya uso (Mchoro 2). Safu inayosababishwa mara nyingi ina sura ya duara na kipenyo cha sentimita kadhaa au zaidi.

Mchele. 2. Safu ya monomolecular ya mafuta juu ya uso wa maji

m - pelvis, c - maji, o - mafuta, D - kipenyo cha malezi, d - unene wa malezi

(ukubwa wa chembe ya mafuta)

Tunaangazia uso wa maji kwa kuelekeza mwanga wa mwanga kutoka kwa tochi diagonally juu yake. Kutokana na hili, mipaka ya safu inaonekana zaidi. Tunaweza kuamua kwa urahisi kipenyo chake cha D kutoka kwa mtawala uliofanyika juu ya uso wa maji. Kujua kipenyo hiki, tunaweza kuhesabu eneo la safu S kwa kutumia formula ya eneo la duara:

Ikiwa tungejua ni kiasi gani cha mafuta V₁ iliyomo kwenye tone iliyoshuka, basi kipenyo cha molekuli ya mafuta d inaweza kuhesabiwa kwa urahisi, ikizingatiwa kuwa mafuta yaliyeyuka na kuunda safu na uso wa S, yaani:

Baada ya kulinganisha fomula (1) na (2) na mabadiliko rahisi, tunapata fomula ambayo inaruhusu sisi kuhesabu saizi ya chembe ya mafuta:

Njia rahisi, lakini sio sahihi zaidi ya kuamua kiasi cha V₁ ni kuangalia ni matone ngapi yanaweza kupatikana kutoka kwa jumla ya ujazo wa mchanganyiko uliomo kwenye bomba la sindano na kugawanya ujazo wa mafuta ya Vo inayotumiwa na nambari hii. Ili kufanya hivyo, tunakusanya mchanganyiko katika pipette na kuunda matone, tukijaribu kuwafanya ukubwa sawa na wakati wameshuka kwenye uso wa maji. Tunafanya hivyo mpaka mchanganyiko mzima umechoka.

Njia sahihi zaidi, lakini zaidi ya muda ni kuacha mara kwa mara tone la mafuta juu ya uso wa maji, kupata safu ya monomolecular ya mafuta na kupima kipenyo chake. Bila shaka, kabla ya kila safu kufanywa, maji na mafuta yaliyotumiwa hapo awali lazima yamwagike nje ya bonde na kumwaga safi. Kutoka kwa vipimo vilivyopatikana, maana ya hesabu huhesabiwa.

Kubadilisha maadili yaliyopatikana kuwa fomula (3), usisahau kubadilisha vitengo na kuelezea usemi katika mita (m) na V.₁ katika mita za ujazo (m³) Pata ukubwa wa chembe katika mita. Ukubwa huu itategemea aina ya mafuta kutumika. Matokeo yanaweza kuwa na makosa kutokana na mawazo ya kurahisisha yaliyofanywa, hasa kwa sababu safu haikuwa monomolecular na kwamba ukubwa wa matone haukuwa sawa kila wakati. Ni rahisi kuona kwamba kukosekana kwa safu ya monomolekuli husababisha kukadiria kupita kiasi kwa thamani ya d. Ukubwa wa kawaida wa chembe za mafuta ziko katika safu ya 10.^-8-10^-9 m. Block 10^-9 m inaitwa nanometer na mara nyingi hutumiwa katika uwanja unaokua unaojulikana kama nanoteknolojia.

"Kutoweka" kiasi cha kioevu

Mchele. 3. Muundo wa chombo cha mtihani wa shrinkage ya kioevu;

g - uwazi, bomba la plastiki, p - poksilini, l - mtawala,

t - mkanda wa uwazi

Majaribio mawili yafuatayo yatatuwezesha kuhitimisha kwamba molekuli za miili tofauti zina maumbo na ukubwa tofauti. Ili kufanya kwanza, kata vipande viwili vya bomba la uwazi la plastiki, wote 1-2 cm kwa kipenyo cha ndani na urefu wa cm 30. Kila kipande cha bomba kinaunganishwa na vipande kadhaa vya mkanda wa wambiso kwenye makali ya mtawala tofauti kinyume na kiwango (Mtini. . 3). Funga ncha za chini za hoses na plugs za poxylin. Kurekebisha watawala wote na hoses glued katika nafasi ya wima. Mimina maji ya kutosha kwenye moja ya hoses ili kufanya safu karibu nusu ya urefu wa hose, sema cm 14. Mimina kiasi sawa cha pombe ya ethyl kwenye tube ya pili ya mtihani.

Sasa tunauliza, ni urefu gani wa safu ya mchanganyiko wa vinywaji vyote viwili? Wacha tujaribu kupata jibu kwao kwa majaribio. Mimina pombe kwenye hose ya maji na upime mara moja kiwango cha juu cha kioevu. Tunaweka alama kwenye kiwango hiki na alama ya kuzuia maji kwenye hose. Kisha changanya vinywaji vyote viwili na waya na uangalie kiwango tena. Je, tunaona nini? Inatokea kwamba kiwango hiki kimepungua, i.e. kiasi cha mchanganyiko ni chini ya jumla ya ujazo wa viungo vilivyotumika kuitengeneza. Jambo hili linaitwa contraction ya kiasi cha kioevu. Kupungua kwa kiasi kawaida ni asilimia chache.

Ufafanuzi wa mfano

Ili kuelezea athari ya ukandamizaji, tutafanya jaribio la mfano. Molekuli za pombe katika jaribio hili zitawakilishwa na nafaka za pea, na molekuli za maji zitakuwa mbegu za poppy. Mimina mbaazi kubwa zenye urefu wa 0,4 m kwenye sahani ya kwanza, nyembamba, ya uwazi, kwa mfano, mtungi mrefu Mimina mbegu za poppy kwenye chombo cha pili cha urefu sawa (picha 1a). Kisha tunamwaga mbegu za poppy kwenye chombo na mbaazi na kutumia mtawala kupima urefu ambao kiwango cha juu cha nafaka hufikia. Tunaashiria kiwango hiki na alama au bendi ya mpira wa dawa kwenye chombo (picha 1b). Funga chombo na kutikisa mara kadhaa. Tunawaweka kwa wima na kuangalia kwa urefu gani kiwango cha juu cha mchanganyiko wa nafaka sasa kinafikia. Inageuka kuwa ni ya chini kuliko kabla ya kuchanganya (picha 1c).

Jaribio lilionyesha kuwa baada ya kuchanganya, mbegu ndogo za poppy zilijaza nafasi za bure kati ya mbaazi, kwa sababu ambayo jumla ya kiasi kilichochukuliwa na mchanganyiko kilipungua. Hali kama hiyo hutokea wakati wa kuchanganya maji na pombe na vinywaji vingine. Molekuli zao huja kwa ukubwa na maumbo yote. Matokeo yake, chembe ndogo hujaza mapengo kati ya chembe kubwa na kiasi cha kioevu hupunguzwa.

Picha 1. Hatua zifuatazo za utafiti wa muundo wa compression:

a) maharagwe na mbegu za poppy kwenye vyombo tofauti;

b) nafaka baada ya kumwaga, c) kupunguzwa kwa kiasi cha nafaka baada ya kuchanganya

Athari za kisasa

Leo inajulikana sana kwamba miili yote inayotuzunguka imeundwa na molekuli, na hizo, kwa upande wake, zimeundwa na atomu. Molekuli na atomi zote ziko katika mwendo wa nasibu wa kila mara, kasi ambayo inategemea halijoto. Shukrani kwa darubini za kisasa, haswa darubini ya skanning (STM), atomi za mtu binafsi zinaweza kuzingatiwa. Pia kuna njia zinazojulikana zinazotumia hadubini ya nguvu ya atomiki (AFM-), ambayo hukuruhusu kusonga kwa usahihi atomi za kibinafsi na kuzichanganya katika mifumo inayoitwa. miundo ya nano. Athari ya kukandamiza pia ina athari za vitendo. Lazima tuzingatie hili wakati wa kuchagua kiasi cha vinywaji fulani muhimu ili kupata mchanganyiko wa kiasi kinachohitajika. Lazima uzingatie, ikiwa ni pamoja na. katika utengenezaji wa vodkas, ambayo, kama unavyojua, ni mchanganyiko wa pombe ya ethyl (pombe) na maji, kwani kiasi cha kinywaji kinachosababishwa kitakuwa chini ya jumla ya idadi ya viungo.