Passo verso la nanotecnologia

Migliaia di anni fa, la gente si chiedeva di cosa fossero fatti i corpi circostanti. Le risposte variavano. Nell'antica Grecia, gli scienziati esprimevano l'opinione che tutti i corpi fossero costituiti da piccoli elementi indivisibili, che chiamavano atomi. Quanto poco, non potevano specificare. Per diversi secoli le opinioni dei greci rimasero solo ipotesi. Gli furono restituiti nel XIX secolo, quando furono condotti esperimenti per stimare le dimensioni di molecole e atomi.

È stato condotto uno degli esperimenti storicamente significativi, che ha permesso di calcolare le dimensioni delle particelle Lo scienziato inglese Lord Rayleigh. Visto che è semplice da eseguire e allo stesso tempo molto convincente, proviamo a ripeterlo a casa. Poi passiamo ad altri due esperimenti che ci permetteranno di apprendere alcune delle proprietà delle molecole.

Quali sono le dimensioni delle particelle?

Riso. 1. Un metodo per preparare una siringa per inserire in essa una soluzione di olio in benzina estratta; p - poxilina,

c - siringa

Proviamo a rispondere a questa domanda conducendo il seguente esperimento. Da una siringa da 2 cm³ rimuovere lo stantuffo e sigillarne l'uscita con Poxiline in modo che riempia completamente il tubo di uscita destinato all'inserimento dell'ago (Fig. 1). Aspettiamo qualche minuto finché Poxilina non si indurisce. Quando ciò accade, versare nella siringa circa 0,2 cm³ olio alimentare e registrare questo valore. Questa è la quantità di olio utilizzata._o. Riempi il volume rimanente della siringa con benzina. Mescolare entrambi i liquidi con un filo fino ad ottenere una soluzione omogenea e fissare la siringa verticalmente in un qualsiasi supporto.

Quindi versare acqua calda nella vasca in modo che la sua profondità sia 0,5-1 cm Utilizzare acqua calda, ma non calda, in modo che non si veda il vapore che sale. Trasciniamo una striscia di carta lungo la superficie dell'acqua più volte tangenzialmente ad essa per pulire la superficie dal polline casuale.

Raccogliamo una piccola miscela di olio e benzina nel contagocce e guidiamo il contagocce attraverso il centro della nave con acqua. Premendo delicatamente sulla gomma, facciamo cadere la goccia più piccola possibile sulla superficie dell'acqua. Una goccia di una miscela di olio e benzina si diffonderà ampiamente in tutte le direzioni sulla superficie dell'acqua e formerà uno strato molto sottile con uno spessore pari a un diametro delle particelle nelle condizioni più favorevoli - il cosiddetto strato monomolecolare. Dopo un po' di tempo, solitamente alcuni minuti, la benzina evapora (accelerata dall'aumento della temperatura dell'acqua), lasciando sulla superficie uno strato di olio monomolecolare (Fig. 2). Lo strato risultante ha molto spesso la forma di un cerchio con un diametro di diversi centimetri o più.

Riso. 2. Strato monomolecolare di olio sulla superficie dell'acqua

m - bacino, c - acqua, o - olio, D - diametro della formazione, d - spessore della formazione

(dimensione delle particelle di olio)

Illuminiamo la superficie dell'acqua dirigendo diagonalmente su di essa un fascio di luce proveniente da una torcia. Per questo motivo, i confini del livello sono più visibili. Possiamo facilmente determinare il suo diametro approssimativo D da un righello tenuto appena sopra la superficie dell'acqua. Conoscendo questo diametro, possiamo calcolare l'area dello strato S usando la formula per l'area di un cerchio:

Se sapessimo qual è il volume di petrolio V₁ contenuto nella goccia caduta, allora si potrebbe facilmente calcolare il diametro della molecola di olio d, supponendo che l'olio si sciolga e formi uno strato con una superficie S, cioè:

Dopo aver confrontato le formule (1) e (2) e una semplice trasformazione, otteniamo una formula che ci permette di calcolare la dimensione di una particella di olio:

Il modo più semplice, ma non il più accurato per determinare il volume V₁ è controllare quante gocce si possono ottenere dal volume totale della miscela contenuta nella siringa e dividere il volume di olio Vo utilizzato per questo numero. Per fare questo, raccogliamo il composto in una pipetta e creiamo delle goccioline, cercando di renderle delle stesse dimensioni di quando vengono lasciate cadere sulla superficie dell'acqua. Lo facciamo fino a quando l'intera miscela non è esaurita.

Un metodo più accurato, ma più dispendioso in termini di tempo, consiste nel far cadere ripetutamente una goccia di olio sulla superficie dell'acqua, ottenere uno strato monomolecolare di olio e misurarne il diametro. Naturalmente, prima di realizzare ogni strato, l'acqua e l'olio precedentemente utilizzati devono essere versati fuori dalla vasca e versati puliti. Dalle misure ottenute si calcola la media aritmetica.

Sostituendo i valori ottenuti nella formula (3), non dimenticare di convertire le unità ed esprimere l'espressione in metri (m) e V₁ in metri cubi (m³). Ottieni la dimensione delle particelle in metri. Questa dimensione dipenderà dal tipo di olio utilizzato. Il risultato potrebbe essere errato a causa delle ipotesi semplificative fatte, in particolare perché lo strato non era monomolecolare e le dimensioni delle goccioline non erano sempre le stesse. È facile vedere che l'assenza di uno strato monomolecolare porta a una sovrastima del valore di d. Le dimensioni usuali delle particelle di olio sono nell'intervallo di 10^-8 all'10 ottobre^-9 M. Blocco 10^-9 m è chiamato nanometro ed è spesso utilizzato nel campo in piena espansione noto come nanotecnologie.

Volume di liquido "a scomparsa".

Riso. 3. Il design del recipiente per la prova di restringimento del liquido;

g - tubo di plastica trasparente, p - poxilina, l - righello,

t - nastro trasparente

I due esperimenti seguenti ci permetteranno di concludere che le molecole di corpi diversi hanno forme e dimensioni diverse. Per fare il primo, taglia due pezzi di tubo di plastica trasparente, entrambi di 1-2 cm di diametro interno e lunghi 30 cm.Ogni pezzo di tubo è incollato con diversi pezzi di nastro adesivo al bordo di un righello separato di fronte alla scala (Fig. 3). Chiudere le estremità inferiori dei tubi con tappi di poxilina. Fissare entrambi i righelli con tubi flessibili incollati in posizione verticale. Versare acqua a sufficienza in uno dei tubi per formare una colonna lunga circa la metà del tubo, diciamo 14 cm.Versare la stessa quantità di alcol etilico nella seconda provetta.

Ora ci chiediamo, quale sarà l'altezza della colonna della miscela di entrambi i liquidi? Proviamo a ottenere una risposta sperimentalmente. Versare l'alcol nel tubo dell'acqua e misurare immediatamente il livello superiore del liquido. Contrassegniamo questo livello con un pennarello impermeabile sul tubo. Quindi mescolare entrambi i liquidi con un filo e controllare nuovamente il livello. Cosa notiamo? Si scopre che questo livello è diminuito, ad es. il volume della miscela è inferiore alla somma dei volumi degli ingredienti utilizzati per produrla. Questo fenomeno è chiamato contrazione del volume del fluido. La riduzione del volume è solitamente di pochi punti percentuali.

Spiegazione del modello

Per spiegare l'effetto di compressione, condurremo un esperimento modello. Le molecole di alcol in questo esperimento saranno rappresentate da chicchi di pisello e le molecole d'acqua saranno semi di papavero. Versare i piselli a grana grossa alti circa 0,4 m nel primo piatto stretto e trasparente, ad esempio un barattolo alto, versare i semi di papavero nel secondo vaso simile della stessa altezza (foto 1a). Quindi versiamo i semi di papavero in una nave con i piselli e utilizziamo un righello per misurare l'altezza a cui raggiunge il livello superiore dei chicchi. Contrassegniamo questo livello con un pennarello o un elastico farmaceutico sulla nave (foto 1b). Chiudere il contenitore e agitarlo più volte. Li mettiamo in verticale e controlliamo a quale altezza raggiunge ora il livello superiore della miscela di cereali. Si scopre che è inferiore rispetto a prima della miscelazione (foto 1c).

L'esperimento ha mostrato che dopo la miscelazione, piccoli semi di papavero riempivano gli spazi liberi tra i piselli, di conseguenza il volume totale occupato dalla miscela diminuiva. Una situazione simile si verifica quando si mescola acqua con alcol e altri liquidi. Le loro molecole sono di tutte le dimensioni e forme. Di conseguenza, le particelle più piccole riempiono gli spazi tra le particelle più grandi e il volume del liquido si riduce.

Foto 1. Le seguenti fasi dello studio del modello di compressione:

a) fagioli e semi di papavero in recipienti separati,

b) grani dopo lo spargimento, c) riduzione del volume dei grani dopo la miscelazione

Implicazioni moderne

Oggi è risaputo che tutti i corpi che ci circondano sono costituiti da molecole e quelli, a loro volta, sono costituiti da atomi. Sia le molecole che gli atomi sono in costante movimento casuale, la cui velocità dipende dalla temperatura. Grazie ai moderni microscopi, in particolare al microscopio a scansione tunnel (STM), è possibile osservare singoli atomi. Esistono anche metodi noti che utilizzano un microscopio a forza atomica (AFM-), che consente di spostare con precisione i singoli atomi e combinarli in sistemi chiamati nanostrutture. L'effetto di compressione ha anche implicazioni pratiche. Dobbiamo tenerne conto quando selezioniamo la quantità di determinati liquidi necessaria per ottenere una miscela del volume richiesto. Devi tenerne conto, incl. nella produzione di vodka, che, come sapete, sono miscele principalmente di alcol etilico (alcol) e acqua, poiché il volume della bevanda risultante sarà inferiore alla somma dei volumi degli ingredienti.