ก้าวสู่นาโนเทคโนโลยี
เมื่อหลายพันปีก่อน ผู้คนต่างสงสัยว่าร่างกายรอบๆ ทำมาจากอะไร คำตอบแตกต่างกันไป ในสมัยกรีกโบราณ นักวิทยาศาสตร์แสดงความเห็นว่าร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยองค์ประกอบเล็กๆ ที่แบ่งแยกไม่ได้ ซึ่งพวกเขาเรียกว่าอะตอม มากน้อยเพียงใดไม่สามารถระบุได้ เป็นเวลาหลายศตวรรษที่มุมมองของชาวกรีกยังคงเป็นเพียงสมมติฐานเท่านั้น พวกเขาถูกส่งกลับมาในศตวรรษที่ XNUMX เมื่อมีการทดลองเพื่อประเมินขนาดของโมเลกุลและอะตอม
หนึ่งในการทดลองที่สำคัญทางประวัติศาสตร์ซึ่งทำให้สามารถคำนวณขนาดอนุภาคได้สำเร็จ ลอร์ด เรย์ลีห์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ. เนื่องจากง่ายต่อการแสดงและในขณะเดียวกันก็น่าเชื่อมากเราจึงลองทำซ้ำที่บ้าน จากนั้นเรามาดูการทดลองอีกสองการทดลองที่จะทำให้เราเรียนรู้คุณสมบัติบางอย่างของโมเลกุลได้
ขนาดอนุภาคคืออะไร?
ข้าว. 1. วิธีการเตรียมเข็มฉีดยาสำหรับใส่สารละลายน้ำมันในน้ำมันเบนซินที่สกัดแล้วลงไป พี - พ็อกซิลิน
ด้วย - เข็มฉีดยา
ลองตอบคำถามนี้โดยทำการทดลองต่อไปนี้ จากหลอดฉีดยาขนาด 2 ซม.3 ถอดลูกสูบออกและปิดผนึกทางออกด้วย Poxiline เพื่อให้เติมท่อทางออกสำหรับการสอดเข็มเข้าไปจนสุด (รูปที่ 1) เรารอสักครู่จนกว่า Poxilina จะแข็งตัว เมื่อเป็นเช่นนี้ ให้เทลงในกระบอกฉีดยาประมาณ 0,2 ซม.3 น้ำมันพืชและบันทึกค่านี้ นี่คือปริมาณน้ำมันที่ใช้o. เติมปริมาตรที่เหลือของเข็มฉีดยาด้วยน้ำมันเบนซิน ผสมของเหลวทั้งสองด้วยลวดจนได้สารละลายที่เป็นเนื้อเดียวกันและยึดกระบอกฉีดยาในแนวตั้งในที่ยึดใดๆ
จากนั้นเทน้ำอุ่นลงในอ่างเพื่อให้มีความลึก 0,5-1 ซม. ใช้น้ำอุ่น แต่ไม่ร้อน เพื่อไม่ให้มองเห็นไอน้ำที่เพิ่มขึ้น เราลากแถบกระดาษไปตามผิวน้ำหลายๆ ครั้งตามการสัมผัสเพื่อทำความสะอาดพื้นผิวของละอองเกสรแบบสุ่ม
เรารวบรวมส่วนผสมของน้ำมันและน้ำมันเบนซินเล็กน้อยลงในหลอดหยดแล้วขับหยดผ่านศูนย์กลางของถังด้วยน้ำ กดยางลบเบา ๆ เราหยดหยดเล็กน้อยลงบนผิวน้ำ หยดของส่วนผสมของน้ำมันและน้ำมันเบนซินจะกระจายไปทั่วทุกทิศทางทั่วพื้นผิวของน้ำและก่อตัวเป็นชั้นบาง ๆ ที่มีความหนาเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคเดียวภายใต้สภาวะที่ดีที่สุด - ที่เรียกว่า ชั้นโมเลกุลเดี่ยว. หลังจากเวลาผ่านไป โดยปกติแล้วไม่กี่นาที น้ำมันเบนซินจะระเหย (ซึ่งจะถูกเร่งโดยอุณหภูมิของน้ำที่สูงขึ้น) โดยปล่อยให้ชั้นน้ำมันโมเลกุลเดี่ยวอยู่บนพื้นผิว (รูปที่ 2) ชั้นผลลัพธ์ส่วนใหญ่มักมีรูปร่างเป็นวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายเซนติเมตรขึ้นไป
ข้าว. 2. ชั้นน้ำมันโมเลกุลเดี่ยวบนผิวน้ำ
ม. – กระดูกเชิงกราน, ค – น้ำ, o – น้ำมัน, D – เส้นผ่านศูนย์กลางการก่อตัว, d – ความหนาของการก่อตัว
(ขนาดอนุภาคน้ำมัน)
เราส่องสว่างผิวน้ำโดยกำหนดลำแสงจากไฟฉายไปทางแนวทแยงมุม ด้วยเหตุนี้ขอบเขตของเลเยอร์จึงมองเห็นได้ชัดเจนขึ้น เราสามารถกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลาง D โดยประมาณได้อย่างง่ายดายจากไม้บรรทัดที่อยู่เหนือผิวน้ำ เมื่อทราบเส้นผ่านศูนย์กลางนี้ เราสามารถคำนวณพื้นที่ของชั้น S โดยใช้สูตรสำหรับพื้นที่ของวงกลม:
ถ้าเรารู้ว่าน้ำมันมีปริมาตรเท่าไรV1 ที่มีอยู่ในหยดหยด จากนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุลน้ำมัน d สามารถคำนวณได้ง่าย โดยสมมติว่าน้ำมันละลายและก่อตัวเป็นชั้นที่มีพื้นผิว S นั่นคือ:
หลังจากเปรียบเทียบสูตร (1) และ (2) และการแปลงอย่างง่าย เราได้สูตรที่ช่วยให้เราสามารถคำนวณขนาดของอนุภาคน้ำมันได้:
วิธีที่ง่ายที่สุด แต่ไม่ใช่วิธีที่แม่นยำที่สุดในการกำหนดระดับเสียง V1 คือตรวจสอบว่าได้จำนวนหยดจากปริมาตรรวมของส่วนผสมที่บรรจุอยู่ในกระบอกฉีดยาแล้วหารปริมาตรของน้ำมัน Vo ที่ใช้ด้วยตัวเลขนี้ ในการทำเช่นนี้ เรารวบรวมส่วนผสมในปิเปตและสร้างหยด โดยพยายามทำให้มีขนาดเดียวกับเมื่อหยดลงบนผิวน้ำ เราทำสิ่งนี้จนกว่าส่วนผสมทั้งหมดจะหมด
วิธีที่แม่นยำกว่าแต่ใช้เวลานานกว่าคือการหยดน้ำมันซ้ำๆ บนพื้นผิวของน้ำ หาชั้นน้ำมันที่มีโมเลกุลเดี่ยว และวัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง แน่นอนว่าก่อนทำแต่ละชั้นต้องเทน้ำและน้ำมันที่ใช้ก่อนหน้านี้ออกจากอ่างแล้วเทให้สะอาด จากการวัดที่ได้รับ จะคำนวณค่าเฉลี่ยเลขคณิต
การแทนที่ค่าที่ได้รับเป็นสูตร (3) อย่าลืมแปลงหน่วยและแสดงนิพจน์เป็นเมตร (m) และ V1 เป็นลูกบาศก์เมตร (m3). หาขนาดอนุภาคเป็นเมตร ขนาดนี้จะขึ้นอยู่กับชนิดของน้ำมันที่ใช้ ผลลัพธ์อาจผิดพลาดเนื่องจากการตั้งสมมติฐานที่ง่ายขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากชั้นไม่ใช่โมเลกุลเดี่ยวและขนาดหยดไม่เท่ากันเสมอไป เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่าการไม่มีชั้นโมเลกุลเดี่ยวทำให้เกิดการประเมินค่า d สูงเกินไป ขนาดปกติของอนุภาคน้ำมันอยู่ในช่วง 10-8-10-9 ม. บล็อก 10-9 m เรียกว่า นาโนเมตร และมักใช้ในทุ่งเฟื่องฟูที่เรียกว่า นาโนเทคโนโลยี.
ปริมาณของเหลว "หายไป"
ข้าว. 3. การออกแบบภาชนะทดสอบการหดตัวของของเหลว
g - ใส, หลอดพลาสติก, p - poxylin, l - ไม้บรรทัด,
เสื้อ - เทปใส
การทดลองสองครั้งต่อไปนี้จะทำให้เราสามารถสรุปได้ว่าโมเลกุลของร่างกายต่างกันมีรูปร่างและขนาดต่างกัน ขั้นแรกให้ตัดท่อพลาสติกใสสองชิ้นซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 1-2 ซม. และยาว 30 ซม. แต่ละท่อติดกาวด้วยเทปกาวหลายชิ้นที่ขอบของไม้บรรทัดที่แยกจากกันตรงข้ามกับมาตราส่วน (รูปที่) . 3). ปิดปลายท่อด้านล่างด้วยปลั๊กพอกซิลิน แก้ไขไม้บรรทัดทั้งสองด้วยท่อติดกาวในแนวตั้ง เทน้ำลงในท่อใดท่อหนึ่งให้เพียงพอเพื่อทำเป็นเสายาวประมาณครึ่งหนึ่งของท่อยาง พูด 14 ซม. เทเอทิลแอลกอฮอล์ในปริมาณเท่ากันลงในหลอดทดลองที่สอง
ตอนนี้เราถามว่าความสูงของคอลัมน์ของส่วนผสมของของเหลวทั้งสองจะเป็นเท่าไหร่? ลองหาคำตอบจากการทดลองกัน เทแอลกอฮอล์ลงในท่อน้ำและวัดระดับสูงสุดของของเหลวทันที เราทำเครื่องหมายระดับนี้ด้วยเครื่องหมายกันน้ำบนสายยาง จากนั้นผสมของเหลวทั้งสองด้วยลวดแล้วตรวจสอบระดับอีกครั้ง เราสังเกตเห็นอะไร? ปรากฎว่าระดับนี้ลดลงเช่น ปริมาตรของส่วนผสมจะน้อยกว่าผลรวมของปริมาตรของส่วนผสมที่ใช้ในการผลิต ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการหดตัวของปริมาตรของเหลว ปริมาณที่ลดลงมักจะไม่กี่เปอร์เซ็นต์
คำอธิบายแบบจำลอง
เพื่ออธิบายเอฟเฟกต์การบีบอัด เราจะทำการทดลองแบบจำลอง โมเลกุลของแอลกอฮอล์ในการทดลองนี้จะแสดงด้วยเมล็ดถั่ว และโมเลกุลของน้ำจะเป็นเมล็ดงาดำ เทถั่วเม็ดใหญ่สูงประมาณ 0,4 ม. ลงในจานแรกแคบและโปร่งใสเช่นขวดสูง เทเมล็ดงาดำลงในภาชนะที่สองที่มีความสูงเท่ากัน (ภาพที่ 1a) จากนั้นเราเทเมล็ดงาดำลงในภาชนะที่มีถั่วและใช้ไม้บรรทัดวัดความสูงที่เมล็ดข้าวถึงระดับบนสุด เราทำเครื่องหมายระดับนี้ด้วยเครื่องหมายหรือแถบยางยาบนเรือ (ภาพที่ 1b) ปิดฝาภาชนะแล้วเขย่าหลายๆ ครั้ง เราวางมันในแนวตั้งและตรวจสอบว่าระดับบนของส่วนผสมเกรนอยู่สูงแค่ไหนในตอนนี้ ปรากฎว่าต่ำกว่าก่อนผสม (ภาพที่ 1c)
การทดลองแสดงให้เห็นว่าหลังจากผสมแล้ว เมล็ดงาดำขนาดเล็กจะเติมช่องว่างระหว่างถั่ว ซึ่งส่งผลให้ปริมาตรรวมของส่วนผสมลดลง สถานการณ์ที่คล้ายกันเกิดขึ้นเมื่อผสมน้ำกับแอลกอฮอล์และของเหลวอื่นๆ โมเลกุลของพวกมันมาในทุกขนาดและรูปร่าง เป็นผลให้อนุภาคขนาดเล็กเติมช่องว่างระหว่างอนุภาคขนาดใหญ่และปริมาตรของของเหลวลดลง
ภาพที่ 1 ขั้นตอนต่อไปนี้ของการศึกษาแบบจำลองการบีบอัด:
ก) ถั่วและเมล็ดงาดำในภาชนะที่แยกจากกัน
b) เมล็ดธัญพืชหลังการผลัด c) การลดปริมาณธัญพืชหลังการผสม
ความหมายสมัยใหม่
ทุกวันนี้ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าร่างกายทั้งหมดรอบตัวเราประกอบด้วยโมเลกุล และในทางกลับกัน ก็ประกอบด้วยอะตอม ทั้งโมเลกุลและอะตอมมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง ความเร็วขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ทันสมัย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสแกนอุโมงค์ไมโครสโคป (STM) จึงสามารถสังเกตอะตอมแต่ละตัวได้ นอกจากนี้ยังมีวิธีการที่รู้จักกันดีที่ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM-) ซึ่งช่วยให้คุณย้ายอะตอมแต่ละอะตอมได้อย่างแม่นยำและรวมเข้ากับระบบที่เรียกว่า โครงสร้างนาโน. เอฟเฟกต์การบีบอัดยังมีผลในทางปฏิบัติ เราต้องคำนึงถึงสิ่งนี้เมื่อเลือกปริมาณของเหลวที่จำเป็นเพื่อให้ได้ส่วนผสมของปริมาตรที่ต้องการ คุณต้องคำนึงถึงมันรวมทั้ง ในการผลิตวอดก้าซึ่งดังที่คุณทราบนั้นเป็นส่วนผสมของเอทิลแอลกอฮอล์ (แอลกอฮอล์) เป็นหลัก (แอลกอฮอล์) และน้ำเนื่องจากปริมาตรของเครื่องดื่มที่ได้จะน้อยกว่าผลรวมของปริมาตรของส่วนผสม
