ნაბიჯი ნანოტექნოლოგიისკენ
ათასობით წლის წინ ხალხს აინტერესებდა, რისგან არის შექმნილი მიმდებარე სხეულები. პასუხები განსხვავებული იყო. ძველ საბერძნეთში მეცნიერებმა გამოთქვეს მოსაზრება, რომ ყველა სხეული შედგება პატარა განუყოფელი ელემენტებისაგან, რომლებსაც ისინი ატომებს უწოდებდნენ. რამდენად ცოტა, ვერ დააკონკრეტეს. რამდენიმე საუკუნის განმავლობაში ბერძნების შეხედულებები მხოლოდ ჰიპოთეზებად რჩებოდა. ისინი მათ დაუბრუნეს XNUMX საუკუნეში, როდესაც ჩატარდა ექსპერიმენტები მოლეკულების და ატომების ზომის შესაფასებლად.
ჩატარდა ერთ-ერთი ისტორიულად მნიშვნელოვანი ექსპერიმენტი, რომელმაც შესაძლებელი გახადა ნაწილაკების ზომების გამოთვლა ინგლისელი მეცნიერი ლორდ რეილი. ვინაიდან მისი შესრულება მარტივია და ამავდროულად ძალიან დამაჯერებელი, შევეცადოთ გავიმეოროთ სახლში. შემდეგ ჩვენ მივმართავთ ორ სხვა ექსპერიმენტს, რომელიც საშუალებას მოგვცემს გავიგოთ მოლეკულების ზოგიერთი თვისება.
რა არის ნაწილაკების ზომები?
ბრინჯი. 1. შპრიცის მომზადების მეთოდი მასში მოპოვებულ ბენზინში ზეთის ხსნარის დასატანად; p - პოქსილინი,
გ - შპრიცი
შევეცადოთ ამ კითხვაზე პასუხის გაცემა შემდეგი ექსპერიმენტის ჩატარებით. 2 სმ შპრიციდან3 ამოიღეთ დგუში და დალუქეთ მისი გამოსასვლელი Poxiline-ით ისე, რომ მან მთლიანად შეავსოს ნემსის ჩასასვლელად განკუთვნილი გასასვლელი მილი (ნახ. 1). ველოდებით რამდენიმე წუთს, სანამ პოქსილინა გამკვრივდება. როდესაც ეს მოხდება, ჩაასხით შპრიცში დაახლოებით 0,2 სმ3 საკვები ზეთი და ჩაწერეთ ეს მნიშვნელობა. ეს არის გამოყენებული ზეთის რაოდენობა.o. შეავსეთ შპრიცის დარჩენილი მოცულობა ბენზინით. შეურიეთ ორივე სითხე მავთულით ერთგვაროვანი ხსნარის მიღებამდე და შპრიცი ვერტიკალურად დააფიქსირეთ ნებისმიერ დამჭერში.
შემდეგ აუზში ჩაასხით თბილი წყალი ისე, რომ მისი სიღრმე იყოს 0,5-1 სმ, გამოიყენეთ თბილი წყალი, მაგრამ არა ცხელი, რომ ამომავალი ორთქლი არ ჩანდეს. წყლის ზედაპირის გასწვრივ ქაღალდის ზოლს რამდენჯერმე ვავლებთ მასზე ტანგენციურად, რათა გაწმინდოს ზედაპირი შემთხვევითი მტვრისგან.
ჩვენ ვაგროვებთ ზეთის და ბენზინის მცირე ნარევს საწვეთურში და საწვეთურს ვატარებთ ჭურჭლის ცენტრში წყლით. საშლელიზე ნაზად დაჭერით, რაც შეიძლება პატარა წვეთს ვასხამთ წყლის ზედაპირზე. ნავთობისა და ბენზინის ნარევის წვეთი ფართოდ გავრცელდება წყლის ზედაპირზე ყველა მიმართულებით და ყველაზე ხელსაყრელ პირობებში წარმოქმნის ძალიან თხელ ფენას ერთი ნაწილაკების დიამეტრის ტოლი - ე.წ. მონომოლეკულური ფენა. გარკვეული დროის შემდეგ, როგორც წესი, რამდენიმე წუთის შემდეგ, ბენზინი აორთქლდება (რაც აჩქარებს წყლის ტემპერატურის მატებას), რის შედეგადაც ზედაპირზე რჩება მონომოლეკულური ზეთის ფენა (ნახ. 2). მიღებულ ფენას ყველაზე ხშირად აქვს წრის ფორმა რამდენიმე სანტიმეტრი ან მეტი დიამეტრით.
ბრინჯი. 2. ნავთობის მონომოლეკულური ფენა წყლის ზედაპირზე
m – მენჯი, c – წყალი, o – ზეთი, D – ფორმირების დიამეტრი, d – ფორმირების სისქე
(ზეთის ნაწილაკების ზომა)
ჩვენ ვანათებთ წყლის ზედაპირს ფანრის შუქის სხივის მიმართვით მასზე დიაგონალზე. ამის გამო ფენის საზღვრები უფრო თვალსაჩინოა. ჩვენ შეგვიძლია მარტივად განვსაზღვროთ მისი სავარაუდო დიამეტრი D სახაზავიდან, რომელიც მდებარეობს წყლის ზედაპირის ზემოთ. ამ დიამეტრის ცოდნა, ჩვენ შეგვიძლია გამოვთვალოთ S ფენის ფართობი წრის ფართობის ფორმულის გამოყენებით:
რომ ვიცოდეთ, რა არის ზეთის მოცულობა V1 ჩავარდნილ წვეთში შემავალი, მაშინ ზეთის მოლეკულის d დიამეტრი ადვილად შეიძლება გამოითვალოს, თუ ვივარაუდებთ, რომ ზეთი დნება და წარმოქმნის ფენას S ზედაპირით, ე.ი.
(1) და (2) ფორმულების და მარტივი ტრანსფორმაციის შედარების შემდეგ, ვიღებთ ფორმულას, რომელიც საშუალებას გვაძლევს გამოვთვალოთ ზეთის ნაწილაკების ზომა:
უმარტივესი, მაგრამ არა ყველაზე ზუსტი გზა V მოცულობის დასადგენად1 არის იმის შემოწმება, თუ რამდენი წვეთი შეიძლება მიიღოთ შპრიცში შემავალი ნარევის მთლიანი მოცულობიდან და გავყოთ გამოყენებული ზეთის მოცულობა ამ რიცხვზე. ამისათვის ჩვენ ვაგროვებთ ნარევს პიპეტში და ვქმნით წვეთებს, ვცდილობთ გავხადოთ ისინი იმავე ზომის, როგორც წყლის ზედაპირზე ვარდნისას. ამას ვაკეთებთ სანამ მთელი ნარევი არ ამოიწურება.
უფრო ზუსტი, მაგრამ უფრო შრომატევადი მეთოდია წყლის ზედაპირზე წვეთი ზეთის განმეორებით ჩაშვება, ზეთის მონომოლეკულური ფენის მიღება და მისი დიამეტრის გაზომვა. რა თქმა უნდა, ყოველი ფენის დამზადებამდე ადრე გამოყენებული წყალი და ზეთი უნდა გადმოვიღოთ აუზიდან და დავასხათ სუფთად. მიღებული გაზომვებიდან გამოითვლება საშუალო არითმეტიკული.
მიღებული მნიშვნელობების (3) ფორმულით ჩანაცვლებით, არ დაგავიწყდეთ ერთეულების გადაქცევა და გამოხატვის გამოხატვა მეტრებში (მ) და V-ში.1 კუბურ მეტრში (მ3). მიიღეთ ნაწილაკების ზომა მეტრებში. ეს ზომა დამოკიდებული იქნება გამოყენებული ზეთის ტიპზე. შედეგი შეიძლება იყოს მცდარი გამარტივებული ვარაუდების გამო, განსაკუთრებით იმიტომ, რომ ფენა არ იყო მონომოლეკულური და რომ წვეთების ზომები ყოველთვის არ იყო იგივე. ადვილი მისახვედრია, რომ მონომოლეკულური შრის არარსებობა იწვევს d-ის მნიშვნელობის გადაჭარბებულ შეფასებას. ზეთის ნაწილაკების ჩვეულებრივი ზომები 10-ის ფარგლებშია.-8-10-9 მ ბლოკი 10-9 მ ჰქვია ნანომეტრი და ხშირად გამოიყენება მზარდ სფეროში, რომელიც ცნობილია როგორც ნანოტექნოლოგია.
სითხის "გაქრობა" მოცულობა
ბრინჯი. 3. თხევადი შეკუმშვის საცდელი ჭურჭლის დიზაინი;
g - გამჭვირვალე, პლასტმასის მილი, p - პოქსილინი, l - სახაზავი,
t - გამჭვირვალე ლენტი
შემდეგი ორი ექსპერიმენტი საშუალებას მოგვცემს დავასკვნათ, რომ სხვადასხვა სხეულების მოლეკულებს განსხვავებული ფორმა და ზომა აქვთ. პირველის გასაკეთებლად, დავჭრათ ორი ცალი გამჭვირვალე პლასტმასის მილი, ორივე 1-2 სმ შიდა დიამეტრით და 30 სმ სიგრძით. მილის თითოეული ნაჭერი წებოვანი ლენტით არის დამაგრებული სასწორის მოპირდაპირე ცალკეული სახაზავის კიდეზე (ნახ. 3). დახურეთ შლანგების ქვედა ბოლოები პუქსილინის საცობებით. დააფიქსირეთ ორივე სახაზავი წებოვანი შლანგებით ვერტიკალურ მდგომარეობაში. ჩაასხით იმდენი წყალი ერთ-ერთ შლანგში, რომ მოხდეს სვეტი შლანგის სიგრძის დაახლოებით ნახევარი, ვთქვათ 14 სმ. მეორე სინჯარაში დაასხით იგივე რაოდენობის ეთილის სპირტი.
ახლა ვკითხულობთ, რა იქნება ორივე სითხის ნარევის სვეტის სიმაღლე? შევეცადოთ მათზე პასუხი ექსპერიმენტულად მივიღოთ. ჩაასხით ალკოჰოლი წყლის შლანგში და დაუყოვნებლივ გაზომეთ სითხის ზედა დონე. ჩვენ აღვნიშნავთ ამ დონეს შლანგზე წყალგაუმტარი მარკერით. შემდეგ აურიეთ ორივე სითხე მავთულით და კვლავ შეამოწმეთ დონე. რას ვამჩნევთ? გამოდის, რომ ეს დონე შემცირდა, ე.ი. ნარევის მოცულობა ნაკლებია მის დასამზადებლად გამოყენებული ინგრედიენტების მოცულობის ჯამზე. ამ მოვლენას თხევადი მოცულობის შეკუმშვა ეწოდება. მოცულობის შემცირება ჩვეულებრივ რამდენიმე პროცენტია.
მოდელის ახსნა
შეკუმშვის ეფექტის ასახსნელად ჩვენ ჩავატარებთ სამოდელო ექსპერიმენტს. ამ ექსპერიმენტში ალკოჰოლის მოლეკულები წარმოდგენილი იქნება ბარდის მარცვლებით, ხოლო წყლის მოლეკულები იქნება ყაყაჩოს თესლი. პირველ, ვიწრო, გამჭვირვალე ჭურჭელში, მაგალითად, მაღალ ქილაში ჩაასხით დაახლოებით 0,4 მ სიმაღლის მსხვილმარცვლოვანი ბარდა, იმავე სიმაღლის მეორე მსგავს ჭურჭელში ჩაასხით ყაყაჩოს თესლი (ფოტო 1ა). შემდეგ ყაყაჩოს თესლს ვასხამთ ბარდასთან ერთად ჭურჭელში და სახაზავით გავზომავთ სიმაღლეს, რომელსაც აღწევს მარცვლების ზედა დონე. ჩვენ აღვნიშნავთ ამ დონეს ჭურჭელზე მარკერით ან ფარმაცევტული რეზინის ზოლით (ფოტო 1ბ). დახურეთ კონტეინერი და რამდენჯერმე შეანჯღრიეთ. ვათავსებთ ვერტიკალურად და ვამოწმებთ, რა სიმაღლეზე აღწევს ახლა მარცვლეულის ნარევის ზედა დონე. გამოდის, რომ ის უფრო დაბალია, ვიდრე შერევამდე (ფოტო 1c).
ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ შერევის შემდეგ, პატარა ყაყაჩოს თესლი ავსებდა ბარდას შორის არსებულ თავისუფალ სივრცეებს, რის შედეგადაც შემცირდა ნარევის მიერ დაკავებული მთლიანი მოცულობა. ანალოგიური სიტუაციაა წყლის ალკოჰოლთან და სხვა სითხეებთან შერევისას. მათი მოლეკულები ყველა ზომისა და ფორმისაა. შედეგად, პატარა ნაწილაკები ავსებენ უფსკრული დიდ ნაწილაკებს შორის და მცირდება სითხის მოცულობა.
ფოტო 1. შეკუმშვის მოდელის შესწავლის შემდეგი ეტაპები:
ა) ლობიო და ყაყაჩოს თესლი ცალკეულ ჭურჭელში,
ბ) მარცვლები დაღვრის შემდეგ, გ) მარცვლის მოცულობის შემცირება შერევის შემდეგ
თანამედროვე შედეგები
დღეს ცნობილია, რომ ჩვენს ირგვლივ ყველა სხეული შედგება მოლეკულებისგან, ისინი კი, თავის მხრივ, ატომებისგან. მოლეკულებიც და ატომებიც მუდმივ შემთხვევით მოძრაობაში არიან, რომელთა სიჩქარე დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. თანამედროვე მიკროსკოპების, განსაკუთრებით სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის (STM) წყალობით, შესაძლებელია ცალკეული ატომების დაკვირვება. ასევე ცნობილია მეთოდები, რომლებიც იყენებენ ატომური ძალის მიკროსკოპს (AFM-), რომელიც საშუალებას გაძლევთ ზუსტად გადაიტანოთ ცალკეული ატომები და დააკავშიროთ ისინი სისტემებში ე.წ. ნანოსტრუქტურები. შეკუმშვის ეფექტს ასევე აქვს პრაქტიკული მნიშვნელობა. ეს უნდა გავითვალისწინოთ საჭირო მოცულობის ნარევის მისაღებად საჭირო გარკვეული სითხეების რაოდენობის შერჩევისას. თქვენ უნდა გაითვალისწინოთ, მათ შორის. არაყების წარმოებაში, რომლებიც, მოგეხსენებათ, ძირითადად ეთილის სპირტის (ალკოჰოლი) და წყლის ნარევებია, ვინაიდან მიღებული სასმელის მოცულობა ნაკლები იქნება ინგრედიენტების მოცულობის ჯამზე.
