خطوة نحو تكنولوجيا النانو
منذ آلاف السنين ، تساءل الناس عما تتكون الأجساد المحيطة. تباينت الإجابات. في اليونان القديمة ، أعرب العلماء عن رأي مفاده أن جميع الأجسام تتكون من عناصر صغيرة غير قابلة للتجزئة ، والتي أطلقوا عليها اسم الذرات. كم هو ضئيل ، لم يتمكنوا من التحديد. لعدة قرون ، ظلت آراء الإغريق مجرد فرضيات. تم إعادتهم إليهم في القرن التاسع عشر ، عندما أجريت تجارب لتقدير حجم الجزيئات والذرات.
أجريت إحدى التجارب ذات الأهمية التاريخية ، والتي جعلت من الممكن حساب أحجام الجسيمات العالم الإنجليزي اللورد رايلي. نظرًا لأنه سهل الأداء وفي نفس الوقت مقنع للغاية ، فلنحاول تكراره في المنزل. ثم ننتقل إلى تجربتين أخريين تسمحان لنا بمعرفة بعض خصائص الجزيئات.
ما هي أحجام الجسيمات؟
أرز. 1. طريقة تحضير محقنة لوضع محلول الزيت في البنزين المستخلص فيها. ف - البوكسيلين ،
ج - حقنة
دعنا نحاول الإجابة على هذا السؤال بإجراء التجربة التالية. من محقنة 2 سم3 قم بإزالة المكبس وإغلاق مخرجه باستخدام Poxiline بحيث يملأ تمامًا أنبوب المخرج المخصص لإدخال الإبرة (الشكل 1). ننتظر بضع دقائق حتى تصلب Poxilina. عندما يحدث هذا ، صب في المحقنة حوالي 0,2 سم3 زيت الطعام وتسجيل هذه القيمة. هذه هي كمية الزيت المستخدمة.o. املأ الحجم المتبقي من المحقنة بالبنزين. امزج كلا السائلين بسلك حتى يتم الحصول على محلول متجانس وثبّت المحقنة رأسياً في أي حامل.
ثم صب الماء الدافئ في الحوض بحيث يكون عمقه 0,5-1 سم ، واستخدمي الماء الدافئ وليس الساخن حتى لا يمكن رؤية البخار المتصاعد. نقوم بسحب شريط ورقي على طول سطح الماء عدة مرات بشكل عرضي لتنظيف سطح حبوب اللقاح العشوائية.
نجمع مزيجًا صغيرًا من الزيت والبنزين في القطارة ونقود القطارة عبر مركز الوعاء بالماء. بالضغط برفق على الممحاة ، نسقط قطرة صغيرة قدر الإمكان على سطح الماء. ستنتشر قطرة من مزيج من الزيت والبنزين على نطاق واسع في جميع الاتجاهات على سطح الماء وتشكل طبقة رقيقة جدًا بسمك يساوي قطر الجسيم في أفضل الظروف - ما يسمى طبقة أحادية الجزيء. بعد مرور بعض الوقت ، عادةً بضع دقائق ، يتبخر الجازولين (الذي يتسارع مع ارتفاع درجة حرارة الماء) ، تاركًا طبقة زيت أحادية الجزيء على السطح (الشكل 2). غالبًا ما يكون للطبقة الناتجة شكل دائرة يبلغ قطرها عدة سنتيمترات أو أكثر.
أرز. 2. طبقة جزيئية من الزيت على سطح الماء
م - الحوض ، ج - الماء ، الزيت ، د - قطر التكوين ، د - سمك التكوين
(حجم جزيئات الزيت)
نضيء سطح الماء بتوجيه شعاع من ضوء مصباح يدوي قطريًا عليه. نتيجة لذلك ، تكون حدود الطبقة أكثر وضوحًا. يمكننا بسهولة تحديد قطرها التقريبي D من مسطرة مثبتة فوق سطح الماء مباشرة. بمعرفة هذا القطر ، يمكننا حساب مساحة الطبقة S باستخدام صيغة مساحة الدائرة:
إذا علمنا ما هو حجم الزيت V.1 في القطرة المتساقطة ، يمكن حساب قطر جزيء الزيت d بسهولة ، بافتراض أن الزيت ذاب وشكل طبقة ذات سطح S ، أي:
بعد مقارنة الصيغتين (1) و (2) وتحويل بسيط ، نحصل على صيغة تسمح لنا بحساب حجم جزيء الزيت:
الطريقة الأسهل ولكنها ليست الأكثر دقة لتحديد مستوى الصوت V.1 هو التحقق من عدد القطرات التي يمكن الحصول عليها من الحجم الكلي للخليط الموجود في المحقنة وقسمة حجم الزيت Vo الذي يستخدمه هذا الرقم. للقيام بذلك ، نقوم بتجميع الخليط في ماصة وإنشاء قطرات ، في محاولة لجعلها بنفس الحجم عندما يتم إسقاطها على سطح الماء. نقوم بذلك حتى يتم استنفاد الخليط بالكامل.
هناك طريقة أكثر دقة ولكنها تستغرق وقتًا طويلاً وهي إسقاط قطرة زيت بشكل متكرر على سطح الماء ، والحصول على طبقة جزيئية أحادية من الزيت وقياس قطرها. بالطبع ، قبل صنع كل طبقة ، يجب سكب الماء والزيت المستخدم مسبقًا من الحوض وصبهما نظيفًا. من القياسات التي تم الحصول عليها ، يتم حساب المتوسط الحسابي.
استبدال القيم التي تم الحصول عليها في الصيغة (3) ، لا تنس تحويل الوحدات والتعبير عن التعبير بالأمتار (م) و V1 بالمتر المكعب (م3). احصل على حجم الجسيمات بالأمتار. سيعتمد هذا الحجم على نوع الزيت المستخدم. قد تكون النتيجة خاطئة بسبب الافتراضات المبسطة التي تم إجراؤها ، لا سيما لأن الطبقة لم تكن أحادية الجزيء وأن أحجام القطرات لم تكن دائمًا هي نفسها. من السهل ملاحظة أن عدم وجود طبقة أحادية الجزيء يؤدي إلى المبالغة في تقدير قيمة d. وتتراوح الأحجام المعتادة لجزيئات الزيت بين 10-8-10-9 م بلوك 10-9 م يسمى نانومتر وغالبًا ما يستخدم في مجال الازدهار المعروف باسم تكنولوجيا النانو.
حجم السائل "المتلاشي"
أرز. 3. تصميم وعاء اختبار الانكماش السائل ؛
ز - أنبوب بلاستيكي شفاف ، p - poxylin ، l - مسطرة ،
ر - شريط شفاف
ستسمح لنا التجربتان التاليتان باستنتاج أن جزيئات الأجسام المختلفة لها أشكال وأحجام مختلفة. للقيام بالعملية الأولى ، قم بقطع قطعتين من الأنبوب البلاستيكي الشفاف ، قطر كل منهما 1-2 سم وطول 30 سم. يتم لصق كل قطعة من الأنبوب بعدة قطع من الشريط اللاصق على حافة مسطرة منفصلة مقابل المقياس (الشكل . 3). أغلق الأطراف السفلية للخراطيم بسدادات البوكسيلين. ثبت كلا المسطرين بخراطيم لاصقة في وضع رأسي. اسكب كمية كافية من الماء في أحد الخراطيم لعمل عمود يقارب نصف طول الخرطوم ، لنقل 14 سم ، وصب نفس الكمية من الكحول الإيثيلي في أنبوب الاختبار الثاني.
نسأل الآن ، ما هو ارتفاع عمود خليط السائلين؟ دعنا نحاول الحصول على إجابة لهم بشكل تجريبي. صب الكحول في خرطوم الماء وقياس المستوى العلوي للسائل على الفور. نحتفل بهذا المستوى بعلامة مقاومة للماء على الخرطوم. ثم امزج كلا السائلين بسلك وتحقق من المستوى مرة أخرى. ماذا نلاحظ؟ اتضح أن هذا المستوى قد انخفض ، أي. حجم الخليط أقل من مجموع أحجام المكونات المستخدمة لإنتاجه. هذه الظاهرة تسمى انكماش حجم السائل. عادة ما يكون الانخفاض في الحجم بضعة بالمائة.
شرح النموذج
لشرح تأثير الضغط ، سنجري تجربة نموذجية. سيتم تمثيل جزيئات الكحول في هذه التجربة بحبوب البازلاء ، وستكون جزيئات الماء عبارة عن بذور الخشخاش. قم بصب البازلاء كبيرة الحبيبات بارتفاع 0,4 متر في الطبق الأول الضيق والشفاف ، على سبيل المثال ، جرة طويلة. صب بذور الخشخاش في الوعاء الثاني نفسه من نفس الارتفاع (الصورة 1 أ). ثم نسكب بذور الخشخاش في وعاء به بازلاء ونستخدم مسطرة لقياس الارتفاع الذي يصل إليه المستوى الأعلى من الحبوب. نحتفل بهذا المستوى بعلامة أو شريط مطاطي صيدلاني على الوعاء (الصورة 1 ب). أغلق الحاوية ورجها عدة مرات. نضعها عموديًا ونتحقق من الارتفاع الذي يصل إليه المستوى العلوي لخليط الحبوب الآن. اتضح أنه أقل مما كان عليه قبل الخلط (الصورة 1 ج).
أظهرت التجربة أنه بعد الخلط تملأ بذور الخشخاش الصغيرة الفراغات الخالية بين البازلاء ، مما أدى إلى انخفاض الحجم الكلي الذي يشغله الخليط. يحدث موقف مماثل عند خلط الماء بالكحول وبعض السوائل الأخرى. تأتي جزيئاتها في جميع الأحجام والأشكال. نتيجة لذلك ، تملأ الجزيئات الأصغر الفجوات بين الجسيمات الأكبر حجمًا ويقل حجم السائل.
الصورة 1. المراحل التالية من دراسة نموذج الضغط:
أ) الفول وبذور الخشخاش في أوعية منفصلة ،
ب) الحبوب بعد تساقطها ، ج) انخفاض حجم الحبوب بعد الخلط
الآثار الحديثة
من المعروف اليوم أن جميع الأجسام من حولنا تتكون من جزيئات ، وهذه بدورها تتكون من ذرات. كل من الجزيئات والذرات في حركة عشوائية ثابتة ، وتعتمد سرعتها على درجة الحرارة. بفضل المجاهر الحديثة ، وخاصة مجهر المسح النفقي (STM) ، يمكن ملاحظة الذرات الفردية. هناك أيضًا طرق معروفة تستخدم مجهر القوة الذرية (AFM-) ، والذي يسمح لك بتحريك الذرات الفردية بدقة ودمجها في أنظمة تسمى النانو. تأثير الضغط أيضا له آثار عملية. يجب أن نأخذ هذا في الاعتبار عند اختيار كمية معينة من السوائل اللازمة للحصول على مزيج من الحجم المطلوب. يجب أن تأخذها في الاعتبار ، بما في ذلك. في إنتاج الفودكا ، والتي ، كما تعلم ، عبارة عن خليط أساسًا من الكحول الإيثيلي (الكحول) والماء ، نظرًا لأن حجم المشروب الناتج سيكون أقل من مجموع أحجام المكونات.
