Pas cap a la nanotecnologia

Fa milers d'anys, la gent es preguntava de què estaven fets els cossos circumdants. Les respostes van variar. A l'antiga Grècia, els científics van expressar l'opinió que tots els cossos estan formats per petits elements indivisibles, que van anomenar àtoms. Que poc, no van poder concretar. Durant diversos segles, les opinions dels grecs van romandre només hipòtesis. Els van tornar al segle XNUMX, quan es van fer experiments per estimar la mida de les molècules i els àtoms.

Es va dur a terme un dels experiments històricament significatius, que va permetre calcular la mida de les partícules El científic anglès Lord Rayleigh. Com que és senzill d'executar i alhora molt convincent, intentem repetir-ho a casa. Després passem a altres dos experiments que ens permetran conèixer algunes de les propietats de les molècules.

Quines són les mides de partícules?

Arròs. 1. Mètode per preparar una xeringa per posar-hi una solució d'oli en la gasolina extreta; p - poxilina,

c - xeringa

Intentem respondre aquesta pregunta fent el següent experiment. A partir d'una xeringa de 2 cm³ treure l'èmbol i segellar la seva sortida amb Poxiline de manera que ompli completament el tub de sortida destinat a la inserció de l'agulla (Fig. 1). Esperem uns minuts fins que la Poxilina s'endureixi. Quan això passi, aboqueu a la xeringa uns 0,2 cm³ oli comestible i anoteu aquest valor. Aquesta és la quantitat d'oli utilitzada._o. Ompliu el volum restant de la xeringa amb gasolina. Barrejar tots dos líquids amb un filferro fins a obtenir una solució homogènia i fixar la xeringa verticalment en qualsevol suport.

A continuació, aboqueu aigua tèbia a la conca de manera que la seva profunditat sigui de 0,5-1 cm.Utilitzeu aigua tèbia, però no calenta, perquè no es vegi el vapor que puja. Arrossegem una tira de paper per la superfície de l'aigua diverses vegades tangencialment a ella per netejar la superfície del pol·len aleatori.

Recollim una mica de barreja d'oli i gasolina al comptagotes i conduïm el comptagotes pel centre del recipient amb aigua. Premeu suaument la goma d'esborrar, deixem caure una gota el més petita possible a la superfície de l'aigua. Una gota d'una barreja d'oli i gasolina s'escamparà àmpliament en totes direccions per la superfície de l'aigua i formarà una capa molt fina amb un gruix igual a un diàmetre de partícula en les condicions més favorables: l'anomenada capa monomolecular. Passat un temps, normalment uns minuts, la gasolina s'evaporarà (accelerada per l'augment de la temperatura de l'aigua), deixant una capa d'oli monomolecular a la superfície (Fig. 2). La capa resultant té més sovint la forma d'un cercle amb un diàmetre de diversos centímetres o més.

Arròs. 2. Capa monomolecular d'oli a la superfície de l'aigua

m – pelvis, c – aigua, o – oli, D – diàmetre de formació, d – gruix de formació

(mida de partícula d'oli)

Il·luminem la superfície de l'aigua dirigint-hi un feix de llum d'una llanterna en diagonal. Per això, els límits de la capa són més visibles. Podem determinar fàcilment el seu diàmetre aproximat D a partir d'un regle subjectat just per sobre de la superfície de l'aigua. Coneixent aquest diàmetre, podem calcular l'àrea de la capa S mitjançant la fórmula per a l'àrea d'un cercle:

Si sabéssim quin és el volum d'oli V₁ continguda a la gota caiguda, llavors el diàmetre de la molècula d'oli es podria calcular fàcilment, suposant que l'oli es fongués i formés una capa amb una superfície S, és a dir:

Després de comparar les fórmules (1) i (2) i una simple transformació, obtenim una fórmula que ens permet calcular la mida d'una partícula d'oli:

La manera més fàcil, però no la més precisa, de determinar el volum V₁ és comprovar quantes gotes es poden obtenir del volum total de la mescla continguda a la xeringa i dividir el volum d'oli Vo utilitzat per aquest nombre. Per fer-ho, recollim la mescla en una pipeta i creem gotes, intentant que tinguin la mateixa mida que quan es deixen caure a la superfície de l'aigua. Ho fem fins que s'esgoti tota la mescla.

Un mètode més precís, però que consumeix més temps és deixar caure repetidament una gota d'oli a la superfície de l'aigua, obtenir una capa d'oli monomolecular i mesurar-ne el diàmetre. Per descomptat, abans de fer cada capa, l'aigua i l'oli utilitzats anteriorment s'han d'abocar de la conca i abocar-los nets. A partir de les mesures obtingudes es calcula la mitjana aritmètica.

Substituint els valors obtinguts a la fórmula (3), no oblideu convertir les unitats i expressar l'expressió en metres (m) i V₁ en metres cúbics (m³). Obteniu la mida de la partícula en metres. Aquesta mida dependrà del tipus d'oli utilitzat. El resultat pot ser erroni a causa de les suposicions simplificadores fetes, en particular perquè la capa no era monomolecular i que les mides de les gotes no eren sempre les mateixes. És fàcil veure que l'absència d'una capa monomolecular condueix a una sobreestimació del valor de d. Les mides habituals de les partícules d'oli estan en el rang de 10^-8-10^-9 m. Bloc 10^-9 m es diu nanòmetre i s'utilitza sovint en el camp en auge conegut com nanotecnologia.

Volum de líquid "desapareixent".

Arròs. 3. El disseny del recipient de prova de contracció líquida;

g - tub de plàstic transparent, p - poxilina, l - regle,

t - cinta transparent

Els dos experiments següents ens permetran concloure que les molècules de diferents cossos tenen diferents formes i mides. Per al primer, talleu dos trossos de tub de plàstic transparent, tots dos d'1-2 cm de diàmetre intern i 30 cm de llarg. Cada tros de tub s'enganxa amb diversos trossos de cinta adhesiva a la vora d'un regle separat oposat a l'escala (Fig. 3). Tanqueu els extrems inferiors de les mànegues amb taps de poxilina. Fixeu els dos regles amb mànegues enganxades en posició vertical. Aboqueu prou aigua en una de les mànegues per fer una columna d'aproximadament la meitat de la longitud de la mànega, per exemple 14 cm. Aboqueu la mateixa quantitat d'alcohol etílic al segon tub d'assaig.

Ara ens preguntem, quina serà l'alçada de la columna de la mescla d'ambdós líquids? Intentem obtenir una resposta a ells experimentalment. Aboqueu alcohol a la mànega d'aigua i mesureu immediatament el nivell superior del líquid. Marquem aquest nivell amb un marcador impermeable a la mànega. A continuació, barregeu els dos líquids amb un filferro i torneu a comprovar el nivell. Què notem? Resulta que aquest nivell ha disminuït, és a dir. el volum de la mescla és inferior a la suma dels volums dels ingredients utilitzats per produir-la. Aquest fenomen s'anomena contracció del volum líquid. La reducció de volum sol ser d'un poc per cent.

Explicació del model

Per explicar l'efecte de la compressió, realitzarem un experiment model. Les molècules d'alcohol en aquest experiment estaran representades per grans de pèsols, i les molècules d'aigua seran llavors de rosella. Aboqueu pèsols de gra gran d'uns 0,4 m d'alçada al primer plat estret i transparent, per exemple, un pot alt, aboqueu llavors de rosella al segon recipient de la mateixa alçada (foto 1a). A continuació, aboquem llavors de rosella en un recipient amb pèsols i utilitzem un regle per mesurar l'alçada a la qual arriba el nivell superior dels grans. Marquem aquest nivell amb un retolador o una goma elàstica farmacèutica al recipient (foto 1b). Tanqueu el recipient i agiteu-lo diverses vegades. Els posem verticalment i comprovem fins a quina alçada arriba ara el nivell superior de la barreja de gra. Resulta que és més baix que abans de barrejar (foto 1c).

L'experiment va demostrar que després de la barreja, petites llavors de rosella omplien els espais lliures entre els pèsols, com a resultat de la qual cosa el volum total ocupat per la barreja va disminuir. Una situació similar es produeix quan es barregen aigua amb alcohol i alguns altres líquids. Les seves molècules tenen totes les mides i formes. Com a resultat, les partícules més petites omplen els buits entre les partícules més grans i el volum del líquid es redueix.

Foto 1. Les següents etapes de l'estudi del model de compressió:

a) mongetes i llavors de rosella en recipients separats,

b) grans després de la vessament, c) reducció del volum dels grans després de la barreja

Implicacions modernes

Avui és ben sabut que tots els cossos que ens envolten estan formats per molècules, i aquestes, al seu torn, estan formades per àtoms. Tant les molècules com els àtoms estan en moviment aleatori constant, la velocitat del qual depèn de la temperatura. Gràcies als microscopis moderns, especialment el microscopi de túnel d'escaneig (STM), es poden observar àtoms individuals. També es coneixen mètodes que utilitzen un microscopi de força atòmica (AFM-), que us permet moure amb precisió àtoms individuals i combinar-los en sistemes anomenats nanoestructures. L'efecte de compressió també té implicacions pràctiques. Això ho hem de tenir en compte a l'hora de seleccionar la quantitat de determinats líquids necessària per obtenir una mescla del volum requerit. Cal tenir-ho en compte, incl. en l'elaboració de vodkes, que, com sabeu, són mescles d'alcohol etílic (alcohol) i aigua principalment, ja que el volum de la beguda resultant serà inferior a la suma dels volums dels ingredients.