Langkah menyang nanoteknologi
Ewonan taun kepungkur, wong-wong kepingin weruh apa sing digawe saka badan ing sakubenge. Jawabane beda-beda. Ing Yunani kuna, para ilmuwan mratelakake panemume yen kabeh awak dumadi saka unsur-unsur cilik sing ora bisa dibagi, sing diarani atom. Carane sethitik, padha ora bisa nemtokake. Kanggo sawetara abad, panemu saka Yunani tetep mung hipotesis. Dheweke bali menyang dheweke ing abad kaping XNUMX, nalika eksperimen ditindakake kanggo ngira ukuran molekul lan atom.
Salah sawijining eksperimen historis sing penting, sing bisa ngetung ukuran partikel, ditindakake Ilmuwan Inggris Lord Rayleigh. Awit iku prasaja kanggo nindakake lan ing wektu sing padha banget mestekake, ayo kang nyoba kanggo mbaleni ing ngarep. Banjur pindhah menyang rong eksperimen liyane sing bakal ngidini kita sinau sawetara sifat molekul.
Apa ukuran partikel?
Gabah. 1. Cara nyiyapake jarum suntik kanggo nyelehake solusi minyak ing bensin sing diekstrak menyang; p - poksilin,
c - jarum suntik
Coba wangsulana pitakon kasebut kanthi nindakake eksperimen ing ngisor iki. Saka syringe 2 cm3 copot plunger lan segel stopkontak karo Poxiline supaya rampung ngiseni tabung stopkontak dimaksudaké kanggo selipan saka jarum (Fig. 1). Kita ngenteni sawetara menit nganti Poxilina hardens. Yen kedadeyan kasebut, tuangake menyang syringe kira-kira 0,2 cm3 lenga becik ditonton lan ngrekam nilai iki. Iki jumlah lenga sing digunakake.o. Isi volume jarum suntik sing isih ana karo bensin. Nyampur cairan loro kasebut nganggo kabel nganti solusi homogen dipikolehi lan pasang jarum suntik kanthi vertikal ing wadhah apa wae.
Banjur tuangake banyu anget menyang cekungan supaya ambane 0,5-1 cm, gunakake banyu anget, nanging ora panas, supaya uap sing munggah ora katon. Kita nyeret jalur kertas ing permukaan banyu kaping pirang-pirang kanthi tangensial kanggo ngresiki permukaan serbuk sari acak.
Kita ngumpulake campuran lenga lan bensin cilik menyang dropper lan nyopot dropper liwat tengah wadhah kanthi banyu. Pencet alon-alon ing penghapus, kita nyelehake setitik cilik ing permukaan banyu. Tepak campuran lenga lan bensin bakal nyebar ing kabeh arah ing permukaan banyu lan mbentuk lapisan sing tipis banget kanthi kekandelan sing padha karo diameter partikel ing kahanan sing paling disenengi - sing diarani lapisan monomolekul. Sawise sawetara wektu, biasane sawetara menit, bensin bakal nguap (dicepetake kanthi kenaikan suhu banyu), ninggalake lapisan lenga monomolekul ing permukaan (Gambar 2). Lapisan sing diasilake paling kerep duwe wangun bunder kanthi diameter sawetara sentimeter utawa luwih.
Gabah. 2. Lapisan lenga monomolekul ing lumahing banyu
m - pelvis, c - banyu, o - lenga, D - diameteripun formasi, d - kekandelan formasi
(ukuran partikel oli)
Kita madhangi lumahing banyu kanthi ngarahake sinar cahya saka senter kanthi diagonal. Amarga iki, wates lapisan luwih katon. Kita bisa kanthi gampang nemtokake diametere kira-kira D saka panguasa sing ana ing ndhuwur permukaan banyu. Ngerti diameter iki, kita bisa ngetung area lapisan S nggunakake rumus kanggo area bunder:
Yen kita ngerti apa volume lenga V1 sing ana ing dropped dropped, banjur diameteripun saka molekul lenga d bisa gampang diwilang, assuming sing lenga leleh lan mbentuk lapisan karo lumahing S, i.e.:
Sawise mbandhingake rumus (1) lan (2) lan transformasi prasaja, kita entuk rumus sing ngidini kita ngetung ukuran partikel lenga:
Cara sing paling gampang, nanging ora paling akurat kanggo nemtokake volume V1 iku kanggo mriksa carane akeh irungnya bisa dipikolehi saka volume total dicampur sing ana ing syringe lan dibagi volume lenga Vo digunakake dening nomer iki. Kanggo nindakake iki, kita ngumpulake campuran kasebut ing pipette lan nggawe tetesan, nyoba nggawe ukuran sing padha kaya nalika dicelupake ing permukaan banyu. Kita nindakake iki nganti kabeh campuran wis entek.
Cara sing luwih akurat, nanging luwih akeh wektu yaiku nyelehake tetes lenga ing permukaan banyu kanthi bola-bali, entuk lapisan minyak monomolekul lan ngukur diametere. Mesthine, sadurunge saben lapisan digawe, banyu lan lenga sing digunakake sadurunge kudu diwutahake saka cekungan lan diwutahake kanthi resik. Saka pangukuran sing dipikolehi, rata-rata aritmetika diitung.
Ngganti nilai sing dipikolehi menyang rumus (3), aja lali ngowahi unit kasebut lan tulisake ekspresi kasebut ing meter (m) lan V.1 ing meter kubik (m3). Njupuk ukuran partikel ing meter. Ukuran iki bakal gumantung saka jinis lenga sing digunakake. Asil kasebut bisa uga salah amarga asumsi sing nyederhanakake, utamane amarga lapisan kasebut ora monomolekul lan ukuran tetesan ora mesthi padha. Iku gampang kanggo ndeleng yen ora ana lapisan monomolekul ndadékaké kanggo overestimation saka nilai d. Ukuran biasa partikel lenga ana ing kisaran 10.-8-10-9 m. Blok 10-9 m diarani nanometer lan asring digunakake ing lapangan booming dikenal minangka nanoteknologi.
Volume cairan "ilang".
Gabah. 3. Desain prau test shrinkage Cairan;
g - transparan, tabung plastik, p - poxylin, l - penggaris,
t - tape transparan
Rong eksperimen ing ngisor iki bakal ngidini kita nyimpulake manawa molekul-molekul awak sing beda-beda duwe wujud lan ukuran sing beda. Kaping pisanan, potong rong potongan tabung plastik transparan, kanthi diameter internal 1-2 cm lan dawane 30 cm. Saben potongan tabung ditempelake karo sawetara lembar pita perekat menyang pinggiran panguasa sing kapisah ngelawan skala (Gbr. 3). Tutup ujung ngisor selang kanthi plug poxylin. Ndandani loro panguasa kanthi selang terpaku ing posisi vertikal. Tuangake banyu sing cukup menyang salah sawijining selang kanggo nggawe kolom kira-kira setengah dawa selang, ucapake cm 14. Tuangake jumlah etil alkohol sing padha menyang tabung tes kapindho.
Saiki kita takon, apa sing bakal dadi dhuwur kolom campuran loro cairan kasebut? Ayo nyoba njaluk jawaban kanggo wong-wong mau kanthi eksperimen. Tuangake alkohol menyang selang banyu lan langsung ngukur tingkat ndhuwur cairan kasebut. Kita menehi tandha tingkat iki kanthi panandha anti banyu ing selang. Banjur nyampur loro cairan nganggo kabel lan priksa level maneh. Apa kita sok dong mirsani? Pranyata tingkat iki wis suda, i.e. volume campuran kurang saka jumlah volume saka bahan digunakake kanggo gawé. Fenomena iki diarani kontraksi volume cairan. Pengurangan volume biasane sawetara persen.
Panjelasan model
Kanggo nerangake efek kompresi, kita bakal nindakake eksperimen model. Molekul alkohol ing eksperimen iki bakal diwakili dening biji kacang polong, lan molekul banyu bakal dadi wiji poppy. Tuangake kacang polong gedhe-gedhe kira-kira 0,4 m ing sajian pisanan sing sempit, transparan, contone, jar sing dhuwur. Banjur kita pour wiji poppy menyang wadhah karo kacang polong lan nggunakake panguasa kanggo ngukur dhuwur sing tingkat ndhuwur biji tekan. Kita menehi tandha tingkat iki kanthi marker utawa pita karet farmasi ing prau (foto 1b). Tutup wadhah lan goyangake kaping pirang-pirang. Kita sijine kanthi vertikal lan priksa manawa tingkat ndhuwur campuran gandum saiki wis tekan. Pranyata luwih murah tinimbang sadurunge dicampur (foto 1c).
Eksperimen kasebut nuduhake yen sawise nyampur, wiji poppy cilik ngisi ruang kosong ing antarane kacang polong, minangka asil saka volume total sing dikuwasani dening campuran kasebut mudhun. Kahanan sing padha kedadeyan nalika nyampur banyu karo alkohol lan sawetara cairan liyane. Molekul kasebut teka ing kabeh ukuran lan wujud. Akibaté, partikel cilik ngisi celah ing antarane partikel sing luwih gedhe lan volume cairan kasebut suda.
Foto 1. Tahap sinau model kompresi ing ngisor iki:
a) kacang buncis lan wiji poppy ing wadhah sing kapisah,
b) biji-bijian sawise ngeculake, c) nyuda volume biji-bijian sawise dicampur
Implikasi modern
Saiki wis dingerteni manawa kabeh awak ing saubengé dumadi saka molekul-molekul, lan sing uga dumadi saka atom. Loro-lorone molekul lan atom ana ing gerakan acak konstan, kacepetan gumantung ing suhu. Thanks kanggo mikroskop modern, utamane scanning tunneling microscope (STM), atom individu bisa diamati. Cara uga dikenal sing nggunakake mikroskop gaya atom (AFM-), sing ngijini sampeyan kanggo mindhah atom individu kanthi akurat lan gabungke menyang sistem sing disebut. struktur nano. Efek kompresi uga nduweni implikasi praktis. Iki kudu dianggep nalika milih jumlah cairan tartamtu sing dibutuhake kanggo entuk campuran volume sing dibutuhake. Sampeyan kudu njupuk menyang akun, kalebu. ing produksi vodka, sing, kaya sing sampeyan ngerteni, minangka campuran utamane etil alkohol (alkohol) lan banyu, amarga volume minuman sing diasilake bakal kurang saka jumlah volume bahan kasebut.
