Langkah menuju nanoteknologi

Ribuan tahun yang lalu, orang bertanya-tanya terbuat dari apa tubuh di sekitarnya. Jawabannya beragam. Di Yunani kuno, para ilmuwan menyatakan pendapat bahwa semua benda terdiri dari unsur-unsur kecil yang tak terpisahkan, yang mereka sebut atom. Seberapa kecil, mereka tidak bisa menentukan. Selama beberapa abad, pandangan orang Yunani hanya berupa hipotesis. Mereka dikembalikan kepada mereka pada abad ke-XNUMX, ketika eksperimen dilakukan untuk memperkirakan ukuran molekul dan atom.

Salah satu eksperimen yang signifikan secara historis, yang memungkinkan untuk menghitung ukuran partikel, telah dilakukan Ilmuwan Inggris Lord Rayleigh. Karena sederhana untuk dilakukan dan pada saat yang sama sangat meyakinkan, mari kita coba ulangi di rumah. Kemudian kita beralih ke dua eksperimen lain yang memungkinkan kita mempelajari beberapa sifat molekul.

Apa ukuran partikel?

Beras. 1. Metode menyiapkan jarum suntik untuk menempatkan larutan minyak dalam bensin yang diekstraksi ke dalamnya; p - poksilin,

c - jarum suntik

Mari kita coba menjawab pertanyaan ini dengan melakukan percobaan berikut. Dari jarum suntik 2 cm³ lepaskan plunger dan tutup saluran keluarnya dengan Poxiline sehingga benar-benar mengisi tabung saluran keluar yang dimaksudkan untuk memasukkan jarum (Gbr. 1). Kami menunggu beberapa menit sampai Poxilina mengeras. Ketika ini terjadi, tuangkan ke dalam jarum suntik sekitar 0,2 cm³ minyak nabati dan catat nilainya. Ini adalah jumlah minyak yang digunakan._o. Isi sisa volume jarum suntik dengan bensin. Campur kedua cairan dengan kawat sampai diperoleh larutan homogen dan pasang spuit secara vertikal pada dudukan apa pun.

Kemudian tuangkan air hangat ke dalam baskom sehingga kedalamannya 0,5-1 cm. Gunakan air hangat, tetapi tidak panas, agar uap yang naik tidak terlihat. Kami menyeret selembar kertas di sepanjang permukaan air beberapa kali secara tangensial untuk membersihkan permukaan serbuk sari acak.

Kami mengumpulkan sedikit campuran minyak dan bensin ke dalam penetes dan mendorong penetes melalui bagian tengah kapal dengan air. Dengan lembut menekan penghapus, kami menjatuhkan setetes mungkin ke permukaan air. Setetes campuran minyak dan bensin akan menyebar luas ke segala arah di atas permukaan air dan membentuk lapisan yang sangat tipis dengan ketebalan sama dengan satu diameter partikel di bawah kondisi yang paling menguntungkan - yang disebut lapisan monomolekul. Setelah beberapa waktu, biasanya beberapa menit, bensin akan menguap (yang dipercepat oleh kenaikan suhu air), meninggalkan lapisan minyak monomolekul di permukaan (Gbr. 2). Lapisan yang dihasilkan paling sering berbentuk lingkaran dengan diameter beberapa sentimeter atau lebih.

Beras. 2. Lapisan minyak monomolekul di permukaan air

m – pelvis, c – air, o – minyak, D – diameter formasi, d – ketebalan formasi

(ukuran partikel minyak)

Kami menerangi permukaan air dengan mengarahkan seberkas cahaya dari senter secara diagonal ke atasnya. Karena ini, batas-batas lapisan lebih terlihat. Kita dapat dengan mudah menentukan perkiraan diameter D dari penggaris yang dipegang tepat di atas permukaan air. Mengetahui diameter ini, kita dapat menghitung luas lapisan S menggunakan rumus luas lingkaran:

Jika kita tahu berapa volume minyak V₁ terkandung dalam tetesan yang dijatuhkan, maka diameter molekul minyak d dapat dengan mudah dihitung, dengan asumsi minyak meleleh dan membentuk lapisan dengan permukaan S, yaitu:

Setelah membandingkan rumus (1) dan (2) dan transformasi sederhana, kami memperoleh rumus yang memungkinkan kami menghitung ukuran partikel minyak:

Cara termudah, tetapi bukan yang paling akurat untuk menentukan volume V₁ adalah untuk memeriksa berapa tetes yang dapat diperoleh dari total volume campuran yang terkandung dalam jarum suntik dan membagi volume minyak Vo yang digunakan dengan angka ini. Untuk melakukan ini, kami mengumpulkan campuran dalam pipet dan membuat tetesan, mencoba membuatnya berukuran sama seperti saat dijatuhkan ke permukaan air. Kami melakukan ini sampai seluruh campuran habis.

Metode yang lebih akurat, tetapi lebih memakan waktu adalah dengan berulang kali menjatuhkan setetes minyak ke permukaan air, mendapatkan lapisan minyak monomolekul dan mengukur diameternya. Tentu saja, sebelum setiap lapisan dibuat, air dan minyak yang digunakan sebelumnya harus dituangkan dari baskom dan dituangkan hingga bersih. Dari pengukuran yang diperoleh, mean aritmatika dihitung.

Substitusikan nilai yang diperoleh ke dalam rumus (3), jangan lupa untuk mengonversi satuan dan menyatakan ekspresi dalam meter (m) dan V₁ dalam meter kubik (m³). Dapatkan ukuran partikel dalam meter. Ukuran ini akan tergantung pada jenis minyak yang digunakan. Hasilnya mungkin salah karena asumsi penyederhanaan yang dibuat, khususnya karena lapisannya tidak monomolekul dan ukuran tetesannya tidak selalu sama. Sangat mudah untuk melihat bahwa tidak adanya lapisan monomolekul menyebabkan nilai d terlalu tinggi. Ukuran partikel minyak yang biasa berada di kisaran 10^-8-10^-9 m.Blok 10^-9 m disebut nanometer dan sering digunakan di bidang booming yang dikenal sebagai nanoteknologi.

Volume cairan "menghilang"

Beras. 3. Desain bejana uji susut cair;

g - transparan, tabung plastik, p - poxylin, l - penggaris,

t - selotip transparan

Dua percobaan berikut akan memungkinkan kita untuk menyimpulkan bahwa molekul dari benda yang berbeda memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda. Untuk melakukan yang pertama, potong dua buah tabung plastik transparan, baik diameter dalam 1-2 cm dan panjang 30 cm. Setiap bagian tabung direkatkan dengan beberapa lembar pita perekat ke tepi penggaris terpisah yang berlawanan dengan skala (Gbr. .3). Tutup ujung bawah selang dengan sumbat poxylin. Perbaiki kedua penggaris dengan selang yang direkatkan dalam posisi vertikal. Tuang air secukupnya ke dalam salah satu selang untuk membuat kolom kira-kira setengah panjang selang, katakanlah 14 cm. Tuang etil alkohol dalam jumlah yang sama ke dalam tabung reaksi kedua.

Sekarang kita bertanya, berapa tinggi kolom campuran kedua cairan? Mari kita coba mendapatkan jawaban untuk mereka secara eksperimental. Tuang alkohol ke dalam selang air dan segera ukur ketinggian cairan. Kami menandai level ini dengan spidol tahan air pada selang. Kemudian campur kedua cairan dengan kawat dan periksa levelnya lagi. Apa yang kita perhatikan? Ternyata level ini mengalami penurunan, yaitu. volume campuran kurang dari jumlah volume bahan yang digunakan untuk memproduksinya. Fenomena ini disebut kontraksi volume cairan. Pengurangan volume biasanya beberapa persen.

Penjelasan model

Untuk menjelaskan efek kompresi, kami akan melakukan percobaan model. Molekul alkohol dalam percobaan ini akan diwakili oleh biji-bijian kacang polong, dan molekul air akan menjadi biji poppy. Tuang kacang polong berbutir besar setinggi sekitar 0,4 m ke dalam wadah pertama yang sempit dan transparan, misalnya toples tinggi, tuangkan biji poppy ke dalam wadah serupa kedua dengan ketinggian yang sama (foto 1a). Kemudian kami menuangkan biji poppy ke dalam wadah berisi kacang polong dan menggunakan penggaris untuk mengukur ketinggian yang dicapai biji-bijian tingkat atas. Kami menandai level ini dengan spidol atau karet gelang farmasi di kapal (foto 1b). Tutup wadah dan kocok beberapa kali. Kami menempatkannya secara vertikal dan memeriksa seberapa tinggi tingkat atas campuran biji-bijian sekarang mencapai. Ternyata lebih rendah dari sebelum pencampuran (foto 1c).

Percobaan menunjukkan bahwa setelah pencampuran, biji poppy kecil mengisi ruang kosong di antara kacang polong, akibatnya volume total yang ditempati oleh campuran berkurang. Situasi serupa terjadi ketika mencampur air dengan alkohol dan beberapa cairan lainnya. Molekul mereka datang dalam berbagai ukuran dan bentuk. Akibatnya, partikel yang lebih kecil mengisi celah antara partikel yang lebih besar dan volume cairan berkurang.

Foto 1. Berikut tahapan studi model kompresi:

a) kacang dan biji poppy di wadah terpisah,

b) biji-bijian setelah ditumpahkan, c) pengurangan volume biji-bijian setelah pencampuran

Implikasi modern

Hari ini diketahui bahwa semua benda di sekitar kita terdiri dari molekul, dan pada gilirannya, terdiri dari atom. Baik molekul maupun atom berada dalam gerakan acak yang konstan, yang kecepatannya bergantung pada suhu. Berkat mikroskop modern, terutama mikroskop tunneling scanning (STM), atom individu dapat diamati. Metode juga dikenal yang menggunakan mikroskop gaya atom (AFM-), yang memungkinkan Anda untuk secara akurat memindahkan atom individu dan menggabungkannya ke dalam sistem yang disebut struktur nano. Efek kompresi juga memiliki implikasi praktis. Kita harus mempertimbangkan hal ini ketika memilih jumlah cairan tertentu yang diperlukan untuk mendapatkan campuran dengan volume yang dibutuhkan. Anda harus memperhitungkannya, termasuk. dalam produksi vodka, yang, seperti yang Anda ketahui, adalah campuran terutama etil alkohol (alkohol) dan air, karena volume minuman yang dihasilkan akan kurang dari jumlah volume bahan.