나노기술을 향한 발걸음
수천 년 전에 사람들은 주변 신체가 무엇으로 만들어졌는지 궁금해했습니다. 답변은 다양했습니다. 고대 그리스에서 과학자들은 모든 신체가 원자라고 부르는 작은 불가분의 요소로 구성되어 있다는 의견을 표명했습니다. 얼마나 적은지 그들은 지정할 수 없었습니다. 수세기 동안 그리스인의 견해는 가설에 불과했습니다. 그들은 분자와 원자의 크기를 추정하기 위해 실험이 수행 된 XNUMX 세기에 그들에게 반환되었습니다.
입자 크기 계산을 가능하게 한 역사적으로 중요한 실험 중 하나가 수행되었습니다. 영국의 과학자 레일리 경. 수행하기가 간단하고 동시에 매우 설득력이 있으므로 집에서 반복해 보도록 하겠습니다. 그런 다음 분자의 특성 중 일부를 배울 수 있는 두 가지 다른 실험을 살펴보겠습니다.
입자 크기는 무엇입니까?
쌀. 1. 추출된 휘발유에 기름을 녹인 용액을 주입하기 위한 주사기의 제조방법; p-폭시린,
c-주사기
다음 실험을 통해 이 질문에 답해 보겠습니다. 주사기에서 2cm3 플런저를 제거하고 Poxiline으로 출구를 밀봉하여 바늘 삽입용 출구 튜브를 완전히 채웁니다(그림 1). Poxilina가 굳을 때까지 몇 분 정도 기다립니다. 이런 경우에는 주사기에 0,2cm 정도 부어주세요.3 식용유를 넣고 이 값을 기록합니다. 이것은 사용된 오일 B의 양입니다.o. 주사기의 남은 부피를 휘발유로 채웁니다. 균일한 용액이 얻어질 때까지 두 액체를 와이어로 혼합하고 주사기를 홀더에 수직으로 고정합니다.
그런 다음 깊이가 0,5-1cm가되도록 대야에 따뜻한 물을 붓고 상승하는 증기가 보이지 않도록 따뜻한 물을 사용하되 뜨겁지 않은 물을 사용하십시오. 우리는 물 표면을 따라 접선 방향으로 종이 조각을 여러 번 끌어 표면에 떠다니는 꽃가루를 제거합니다.
우리는 오일과 휘발유를 약간 섞은 것을 스포이드에 넣고 물과 함께 용기 중앙을 따라 스포이드를 움직입니다. 지우개를 가볍게 누르면서 물 표면에 가능한 한 작은 방울을 떨어뜨립니다. 오일과 가솔린의 혼합물 한 방울은 물 표면의 모든 방향으로 널리 퍼지고 가장 유리한 조건에서 하나의 입자 직경과 동일한 두께의 매우 얇은 층을 형성합니다. 단분자층. 일정 시간(보통 몇 분)이 지나면 휘발유가 증발하고(물 온도가 상승하면 가속됨) 오일의 단분자 층이 표면에 남게 됩니다(그림 2). 결과 레이어는 직경이 수 센티미터 이상인 원 모양을 갖는 경우가 가장 많습니다.
쌀. 2. 물 표면의 기름 단분자층
m – 골반, c – 물, o – 오일, D – 형성 직경, d – 형성 두께
(기름 입자 크기)
우리는 손전등의 빛을 대각선으로 비추어 물 표면을 비춥니다. 이렇게 하면 레이어 경계가 더 잘 보입니다. 우리는 수면 바로 위에 있는 자를 사용하여 대략적인 직경 D를 쉽게 결정할 수 있습니다. 이 직경을 알면 원 면적 공식을 사용하여 S 층의 면적을 계산할 수 있습니다.
석유 V의 양이 얼마인지 안다면1 떨어뜨린 방울에 포함되어 있으면 오일이 녹아 표면 S와 층을 형성했다고 가정하여 오일 분자의 직경 d를 쉽게 계산할 수 있습니다.
공식 (1)과 (2)를 비교하고 간단한 변환을 수행한 후 오일 입자의 크기를 계산할 수 있는 공식을 얻습니다.
볼륨 V를 결정하는 가장 간단하지만 가장 정확한 방법은 아닙니다.1 주사기에 담긴 혼합물의 전체 부피에서 몇 방울이 나올 수 있는지 확인하고, 사용된 Vo 오일의 부피를 이 숫자로 나누는 것입니다. 이를 위해 혼합물을 피펫에 넣고 물방울을 만들어 물 표면에 떨어뜨릴 때와 동일한 크기를 유지하려고 노력합니다. 전체 혼합물이 소진될 때까지 이 작업을 수행합니다.
더 정확하지만 노동 집약적인 방법은 기름 한 방울을 물 표면에 반복적으로 떨어뜨려 기름의 단분자 층을 얻고 그 직경을 측정하는 것입니다. 물론, 각 층을 만들기 전에 이전에 사용한 물과 기름을 대야에서 쏟아내고 깨끗한 물로 다시 채워야 합니다. 산술 평균은 얻은 측정값으로부터 계산됩니다.
얻은 값을 공식 (3)에 대입하고 단위를 변환하고 표현을 미터 (m)와 V로 표현하는 것을 잊지 마십시오1 입방미터(m3). 우리는 입자 크기를 미터 단위로 얻습니다. 이 크기는 사용된 오일의 종류에 따라 달라집니다. 특히 층이 단분자가 아니고 액적 크기가 항상 동일하지 않다는 단순화된 가정으로 인해 결과가 잘못될 수 있습니다. 층의 단분자성이 부족하여 d 값이 과대평가된다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 일반적인 오일 입자 크기는 10-8-10-9 m. 블록 10-9 m이라고 불린다 나노미터 로 알려진 빠르게 발전하는 분야에서 자주 사용됩니다. 나노 기술.
"사라지는" 액체의 양
쌀. 3. 액체 수축 테스트를 위한 용기 설계;
g - 투명 플라스틱 튜브, p - poxylin, l - 눈금자,
t - 투명 테이프
다음 두 가지 실험을 통해 우리는 서로 다른 신체의 분자가 모양과 크기가 다르다는 결론을 내릴 수 있습니다. 첫 번째 작업을 수행하려면 내경 1-2cm, 길이 30cm의 투명한 플라스틱 튜브 두 개를 자르고 각 튜브 조각을 여러 조각의 테이프로 반대쪽의 별도 눈금자 가장자리에 붙입니다. 규모(그림 3). 폭실린 플러그로 호스의 하단 끝을 닫습니다. 접착 호스로 두 눈금자를 수직 위치로 고정합니다. 호스 중 하나에 충분한 물을 부어 호스 길이의 약 절반(예: 14cm) 기둥을 만들고 두 번째 시험관에는 같은 양의 에틸 알코올을 붓습니다.
이제 두 액체의 혼합물 기둥의 높이는 얼마인지 물어봅시다. 실험적으로 대답해 봅시다. 물호스에 알코올을 붓고 즉시 액체의 상부 수위를 측정합니다. 이 수준을 호스에 방수 마커로 표시합니다. 그런 다음 두 유체를 와이어로 혼합하고 레벨을 다시 확인하십시오. 우리는 무엇을 알아차렸나요? 이 수준이 감소한 것으로 나타났습니다. 혼합물의 부피는 혼합물을 생산하는 데 사용된 성분의 부피의 합보다 적습니다. 이 현상을 체액 수축이라고 합니다. 부피 감소는 일반적으로 몇 퍼센트입니다.
모델 설명
압축 효과를 설명하기 위해 모델 실험을 진행하겠습니다. 이 실험에서 알코올 분자는 완두콩 알갱이로, 물 분자는 양귀비 씨앗으로 표시됩니다. 약 0,4m 높이의 거친 완두콩을 첫 번째 좁고 투명한 용기(예: 키가 큰 항아리)에 붓고, 양귀비 씨앗을 같은 높이의 두 번째 용기에 붓습니다(사진 1a). 그런 다음 양귀비 씨앗을 완두콩과 함께 용기에 붓고자를 사용하여 곡물의 최고 수준에 도달하는 높이를 측정합니다. 우리는 용기에 마커나 약종상 지우개를 사용하여 이 레벨을 표시합니다(사진 1b). 용기를 닫고 여러 번 흔드십시오. 우리는 그것들을 수직으로 배치하고 이제 곡물 혼합물의 상위 수준이 어느 정도까지 도달하는지 확인합니다. 혼합 전보다 낮은 것으로 나타났습니다 (사진 1c).
실험 결과, 혼합 후 작은 양귀비 씨앗이 완두콩 사이의 빈 공간을 채워 혼합물이 차지하는 전체 부피가 감소하는 것으로 나타났습니다. 물과 알코올 및 기타 액체를 혼합할 때도 비슷한 상황이 발생합니다. 그들의 분자는 크기와 모양이 다양합니다. 결과적으로 작은 입자가 큰 입자 사이의 틈을 채우고 액체의 부피가 감소합니다.
사진 1. 압축 모델 연구의 다음 단계:
a) 별도의 용기에 콩과 양귀비 씨앗,
b) 탈피 후 곡물 c) 혼합 후 곡물 부피 감소
현대적인 결과
오늘날 우리 주변의 모든 물체는 분자로 구성되어 있고, 그 물체는 원자로 구성되어 있다는 것이 잘 알려져 있습니다. 분자와 원자는 모두 일정한 무작위 운동을 하며 그 속도는 온도에 따라 달라집니다. 현대 현미경, 특히 주사 터널링 현미경(STM) 덕분에 개별 원자를 관찰할 수 있습니다. 원자간력현미경(AFM)을 사용하는 방법도 있는데, 이를 통해 개별 원자를 정확하게 이동시켜 이를 시스템으로 결합할 수 있습니다. 나노구조. 압축 효과는 실용적인 의미도 있습니다. 필요한 양의 혼합물을 얻기 위해 필요한 특정 액체의 양을 선택할 때 이를 고려해야 합니다. 포함하여 이를 고려해야 합니다. 알려진 바와 같이 보드카 생산에서는 주로 에틸 알코올 (알코올)과 물의 혼합물로 생성되는 음료의 양이 성분의 양의 합보다 작기 때문입니다.
