Paso hacia la nanotecnología

Hace miles de años, la gente se preguntaba de qué estaban hechos los cuerpos circundantes. Las respuestas variaron. En la antigua Grecia, los científicos expresaron la opinión de que todos los cuerpos están formados por pequeños elementos indivisibles, a los que llamaron átomos. Que poco, no sabrían precisar. Durante varios siglos, las opiniones de los griegos siguieron siendo solo hipótesis. Les fueron devueltos en el siglo XIX, cuando se realizaron experimentos para estimar el tamaño de moléculas y átomos.

Uno de los experimentos históricamente significativos, que permitió calcular el tamaño de las partículas, se llevó a cabo científico inglés Lord Rayleigh. Como es sencillo de realizar y al mismo tiempo muy convincente, intentemos repetirlo en casa. Luego pasamos a otros dos experimentos que nos permitirán aprender algunas de las propiedades de las moléculas.

¿Cuáles son los tamaños de partículas?

Arroz. 1. Un método para preparar una jeringa para colocarle una solución de aceite en gasolina extraída; p - poxilina,

c - jeringa

Intentemos responder a esta pregunta realizando el siguiente experimento. De una jeringa de 2 cm³ retire el émbolo y selle su salida con Poxiline para que llene completamente el tubo de salida destinado a la inserción de la aguja (Fig. 1). Esperamos unos minutos hasta que endurezca la Poxilina. Cuando esto suceda, verter en la jeringa unos 0,2 cm³ aceite comestible y registre este valor. Esta es la cantidad de aceite utilizada._o. Llene el volumen restante de la jeringa con gasolina. Mezclar ambos líquidos con un alambre hasta obtener una solución homogénea y fijar la jeringa verticalmente en cualquier soporte.

Luego vierta agua tibia en el recipiente para que su profundidad sea de 0,5 a 1 cm Use agua tibia, pero no caliente, para que no se vea el vapor ascendente. Arrastramos una tira de papel a lo largo de la superficie del agua varias veces tangencialmente para limpiar la superficie de polen aleatorio.

Recogemos una pequeña mezcla de aceite y gasolina en el cuentagotas y conducimos el cuentagotas por el centro del recipiente con agua. Presionando suavemente el borrador, dejamos caer una gota lo más pequeña posible sobre la superficie del agua. Una gota de una mezcla de aceite y gasolina se esparcirá ampliamente en todas direcciones sobre la superficie del agua y formará una capa muy delgada con un espesor igual al diámetro de una partícula en las condiciones más favorables, las llamadas capa monomolecular. Después de un tiempo, generalmente unos minutos, la gasolina se evaporará (acelerada por el aumento de la temperatura del agua), dejando una capa de aceite monomolecular en la superficie (Fig. 2). La capa resultante suele tener la forma de un círculo con un diámetro de varios centímetros o más.

Arroz. 2. Capa monomolecular de aceite en la superficie del agua

m – pelvis, c – agua, o – petróleo, D – diámetro de la formación, d – espesor de la formación

(tamaño de partícula de aceite)

Iluminamos la superficie del agua dirigiendo un haz de luz de una linterna en diagonal sobre ella. Debido a esto, los límites de la capa son más visibles. Podemos determinar fácilmente su diámetro aproximado D con una regla sostenida justo por encima de la superficie del agua. Conociendo este diámetro, podemos calcular el área de la capa S usando la fórmula para el área de un círculo:

Si supiéramos cuál es el volumen de aceite V₁ contenido en la gota que cayó, entonces el diámetro de la molécula de aceite d podría calcularse fácilmente, asumiendo que el aceite se fundió y formó una capa con una superficie S, es decir:

Tras comparar las fórmulas (1) y (2) y una simple transformación, obtenemos una fórmula que nos permite calcular el tamaño de una partícula de aceite:

La forma más fácil, pero no la más precisa, de determinar el volumen V₁ es comprobar cuántas gotas se pueden obtener del volumen total de la mezcla contenida en la jeringa y dividir el volumen de aceite Vo utilizado por este número. Para ello, recogemos la mezcla en una pipeta y creamos gotitas, intentando que tengan el mismo tamaño que cuando se dejan caer sobre la superficie del agua. Hacemos esto hasta agotar toda la mezcla.

Un método más preciso, pero que requiere más tiempo, es dejar caer repetidamente una gota de aceite sobre la superficie del agua, obtener una capa de aceite monomolecular y medir su diámetro. Por supuesto, antes de hacer cada capa, el agua y el aceite usados ​​​​previamente deben verterse fuera del recipiente y verterse limpios. A partir de las medidas obtenidas se calcula la media aritmética.

Sustituyendo los valores obtenidos en la fórmula (3), no olvides convertir las unidades y expresar la expresión en metros (m) y V₁ en metros cúbicos (m³). Obtenga el tamaño de partícula en metros. Este tamaño dependerá del tipo de aceite utilizado. El resultado puede ser erróneo debido a las suposiciones simplificadoras realizadas, en particular porque la capa no era monomolecular y los tamaños de gota no siempre eran los mismos. Es fácil ver que la ausencia de una capa monomolecular conduce a una sobreestimación del valor de d. Los tamaños habituales de las partículas de aceite están en el rango de 10^-8-10^-9 M. Bloque 10^-9 m se llama nanómetro y se utiliza a menudo en el campo en auge conocido como nanotecnología.

Volumen de líquido que "desaparece"

Arroz. 3. El diseño del recipiente de prueba de contracción líquida;

g - tubo de plástico transparente, p - poxilina, l - regla,

t - cinta transparente

Los siguientes dos experimentos nos permitirán concluir que las moléculas de diferentes cuerpos tienen diferentes formas y tamaños. Para hacer lo primero, corte dos piezas de tubo de plástico transparente, ambas de 1-2 cm de diámetro interno y 30 cm de largo. Cada pieza de tubo se pega con varios trozos de cinta adhesiva al borde de una regla separada frente a la escala (Fig. . 3). Cierre los extremos inferiores de las mangueras con tapones de poxilina. Fije ambas reglas con mangueras pegadas en posición vertical. Vierta suficiente agua en una de las mangueras para formar una columna de aproximadamente la mitad de la longitud de la manguera, digamos 14 cm. Vierta la misma cantidad de alcohol etílico en el segundo tubo de ensayo.

Ahora nos preguntamos, ¿cuál será la altura de la columna de la mezcla de ambos líquidos? Tratemos de obtener una respuesta para ellos experimentalmente. Vierta alcohol en la manguera de agua e inmediatamente mida el nivel superior del líquido. Marcamos este nivel con un rotulador resistente al agua en la manguera. Luego mezcle ambos líquidos con un alambre y verifique el nivel nuevamente. ¿Qué notamos? Resulta que este nivel ha disminuido, es decir. el volumen de la mezcla es menor que la suma de los volúmenes de los ingredientes utilizados para producirla. Este fenómeno se denomina contracción del volumen del líquido. La reducción de volumen suele ser de un pequeño porcentaje.

Explicación del modelo

Para explicar el efecto de compresión, realizaremos un experimento modelo. Las moléculas de alcohol en este experimento estarán representadas por granos de guisantes y las moléculas de agua serán semillas de amapola. Vierta guisantes de grano grande de aproximadamente 0,4 m de altura en el primer plato estrecho y transparente, por ejemplo, un frasco alto, Vierta semillas de amapola en el segundo recipiente de la misma altura (foto 1a). Luego vertemos semillas de amapola en un recipiente con guisantes y usamos una regla para medir la altura a la que alcanza el nivel superior de los granos. Marcamos este nivel con un rotulador o una goma farmacéutica en el vaso (foto 1b). Cierra el recipiente y agítalo varias veces. Los colocamos en vertical y comprobamos a qué altura llega ahora el nivel superior de la mezcla de cereales. Resulta que es más bajo que antes de mezclar (foto 1c).

El experimento mostró que después de la mezcla, pequeñas semillas de amapola llenaron los espacios libres entre los guisantes, como resultado de lo cual disminuyó el volumen total ocupado por la mezcla. Una situación similar ocurre cuando se mezcla agua con alcohol y algunos otros líquidos. Sus moléculas vienen en todos los tamaños y formas. Como resultado, las partículas más pequeñas llenan los espacios entre las partículas más grandes y se reduce el volumen del líquido.

Foto 1. Las siguientes etapas del estudio del modelo de compresión:

a) frijoles y semillas de amapola en recipientes separados,

b) granos después del desprendimiento, c) reducción en el volumen de granos después de la mezcla

implicaciones modernas

Hoy es bien sabido que todos los cuerpos que nos rodean están formados por moléculas, y éstas, a su vez, están formadas por átomos. Tanto las moléculas como los átomos están en constante movimiento aleatorio, cuya velocidad depende de la temperatura. Gracias a los microscopios modernos, especialmente al microscopio de túnel de barrido (STM), se pueden observar átomos individuales. También se conocen métodos que utilizan un microscopio de fuerza atómica (AFM-), que le permite mover con precisión átomos individuales y combinarlos en sistemas llamados nanoestructuras. El efecto de compresión también tiene implicaciones prácticas. Debemos tener esto en cuenta a la hora de seleccionar la cantidad de determinados líquidos necesarios para obtener una mezcla del volumen requerido. Debes tenerlo en cuenta, incl. en la producción de vodkas, que, como sabes, son mezclas de alcohol etílico (alcohol) y agua principalmente, ya que el volumen de la bebida resultante será menor que la suma de los volúmenes de los ingredientes.