Un pas vers les nanotechnologies

Il y a des milliers d'années, les gens se demandaient de quoi étaient faits les corps environnants. Les réponses variaient. Dans la Grèce antique, les scientifiques ont exprimé l'opinion que tous les corps sont constitués de petits éléments indivisibles, qu'ils appelaient des atomes. Combien peu, ils ne pouvaient pas préciser. Pendant plusieurs siècles, les vues des Grecs ne sont restées que des hypothèses. Ils leur ont été rendus au XVIe siècle, lorsque des expériences ont été menées pour estimer la taille des molécules et des atomes.

L'une des expériences historiquement significatives, qui a permis de calculer la taille des particules, a été réalisée Le scientifique anglais Lord Rayleigh. Puisqu'il est simple à réaliser et en même temps très convaincant, essayons de le répéter à la maison. Ensuite, nous nous tournons vers deux autres expériences qui nous permettront d'apprendre certaines des propriétés des molécules.

Quelles sont les tailles de particules ?

Riz. 1. Une méthode de préparation d'une seringue pour y placer une solution d'huile dans de l'essence extraite; p - poxyline,

c - seringue

Essayons de répondre à cette question en réalisant l'expérience suivante. A partir d'une seringue de 2 cm³ retirer le piston et sceller sa sortie avec Poxiline afin qu'il remplisse complètement le tube de sortie destiné à l'insertion de l'aiguille (Fig. 1). Nous attendons quelques minutes jusqu'à ce que Poxilina durcisse. Lorsque cela se produit, verser dans la seringue environ 0,2 cm³ l'huile comestible et notez cette valeur. C'est la quantité d'huile utilisée._o. Remplissez le volume restant de la seringue avec de l'essence. Mélangez les deux liquides avec un fil jusqu'à l'obtention d'une solution homogène et fixez la seringue verticalement dans n'importe quel support.

Versez ensuite de l'eau tiède dans le bassin de manière à ce que sa profondeur soit de 0,5 à 1 cm.Utilisez de l'eau tiède, mais pas chaude, afin que la vapeur qui monte ne soit pas visible. Nous faisons glisser une bande de papier le long de la surface de l'eau plusieurs fois tangentiellement à celle-ci pour nettoyer la surface du pollen aléatoire.

Nous recueillons un peu de mélange d'huile et d'essence dans le compte-gouttes et conduisons le compte-gouttes à travers le centre du récipient avec de l'eau. En appuyant doucement sur la gomme, nous déposons une goutte aussi petite que possible sur la surface de l'eau. Une goutte d'un mélange d'huile et d'essence se répandra largement dans toutes les directions à la surface de l'eau et formera une très fine couche d'une épaisseur égale à un diamètre de particule dans les conditions les plus favorables - ce que l'on appelle couche monomoléculaire. Après un certain temps, généralement quelques minutes, l'essence s'évapore (ce qui est accéléré par l'élévation de la température de l'eau), laissant une couche d'huile monomoléculaire à la surface (Fig. 2). La couche résultante a le plus souvent la forme d'un cercle de plusieurs centimètres de diamètre ou plus.

Riz. 2. Couche monomoléculaire d'huile à la surface de l'eau

m - bassin, c - eau, o - huile, D - diamètre de la formation, d - épaisseur de la formation

(taille des particules d'huile)

Nous éclairons la surface de l'eau en dirigeant un faisceau de lumière d'une lampe de poche en diagonale sur celle-ci. De ce fait, les limites de la couche sont plus visibles. On peut facilement déterminer son diamètre approximatif D à partir d'une règle tenue juste au-dessus de la surface de l'eau. Connaissant ce diamètre, on peut calculer l'aire de la couche S en utilisant la formule de l'aire d'un cercle :

Si on savait quel est le volume d'huile V₁ contenue dans la goutte, alors le diamètre de la molécule d'huile d pourrait être facilement calculé, en supposant que l'huile a fondu et formé une couche avec une surface S, c'est-à-dire :

Après avoir comparé les formules (1) et (2) et une simple transformation, on obtient une formule qui permet de calculer la taille d'une particule d'huile :

Le moyen le plus simple, mais pas le plus précis, de déterminer le volume V₁ consiste à vérifier combien de gouttes peuvent être obtenues à partir du volume total du mélange contenu dans la seringue et à diviser le volume d'huile Vo utilisé par ce nombre. Pour ce faire, nous recueillons le mélange dans une pipette et créons des gouttelettes en essayant de leur donner la même taille que lorsqu'elles sont déposées à la surface de l'eau. Nous faisons cela jusqu'à ce que tout le mélange soit épuisé.

Une méthode plus précise, mais plus longue, consiste à déposer à plusieurs reprises une goutte d'huile à la surface de l'eau, à obtenir une couche d'huile monomoléculaire et à mesurer son diamètre. Bien sûr, avant que chaque couche ne soit faite, l'eau et l'huile précédemment utilisées doivent être versées hors du bassin et versées propres. A partir des mesures obtenues, la moyenne arithmétique est calculée.

En remplaçant les valeurs obtenues dans la formule (3), n'oubliez pas de convertir les unités et d'exprimer l'expression en mètres (m) et V₁ en mètres cubes (m³). Obtenez la taille des particules en mètres. Cette taille dépendra du type d'huile utilisée. Le résultat peut être erroné du fait des hypothèses simplificatrices faites, notamment parce que la couche n'était pas monomoléculaire et que les tailles de gouttelettes n'étaient pas toujours les mêmes. Il est facile de voir que l'absence de couche monomoléculaire conduit à une surestimation de la valeur de d. Les tailles habituelles des particules d'huile sont de l'ordre de 10^-8- 10^-9 M. Bloc 10^-9 m s'appelle nanomètre et est souvent utilisé dans le domaine en plein essor connu sous le nom nanotechnologie.

Volume de liquide "disparaissant"

Riz. 3. La conception du récipient d'essai de rétrécissement liquide ;

g - tube en plastique transparent, p - poxyline, l - règle,

t - ruban transparent

Les deux expériences suivantes nous permettront de conclure que les molécules de différents corps ont des formes et des tailles différentes. Pour faire le premier, coupez deux morceaux de tube en plastique transparent, à la fois 1-2 cm de diamètre intérieur et 30 cm de long.Chaque morceau de tube est collé avec plusieurs morceaux de ruban adhésif sur le bord d'une règle séparée en face de l'échelle (Fig. 3). Fermez les extrémités inférieures des tuyaux avec des bouchons en poxyline. Fixez les deux règles avec des tuyaux collés en position verticale. Versez suffisamment d'eau dans l'un des tuyaux pour former une colonne d'environ la moitié de la longueur du tuyau, disons 14 cm.Versez la même quantité d'alcool éthylique dans le deuxième tube à essai.

Maintenant, nous demandons quelle sera la hauteur de la colonne du mélange des deux liquides ? Essayons d'y répondre expérimentalement. Versez de l'alcool dans le tuyau d'eau et mesurez immédiatement le niveau supérieur du liquide. Nous marquons ce niveau avec un marqueur étanche sur le tuyau. Mélangez ensuite les deux liquides avec un fil et vérifiez à nouveau le niveau. Que remarque-t-on ? Il s'avère que ce niveau a diminué, c'est-à-dire le volume du mélange est inférieur à la somme des volumes des ingrédients utilisés pour le produire. Ce phénomène est appelé contraction du volume de fluide. La réduction de volume est généralement de quelques pour cent.

Explication du modèle

Pour expliquer l'effet de compression, nous allons mener une expérience modèle. Les molécules d'alcool dans cette expérience seront représentées par des grains de pois et les molécules d'eau seront des graines de pavot. Versez des pois à gros grains d'environ 0,4 m de haut dans le premier plat étroit et transparent, par exemple un grand pot.Versez les graines de pavot dans le deuxième même récipient de même hauteur (photo 1a). Ensuite, nous versons des graines de pavot dans un récipient avec des pois et utilisons une règle pour mesurer la hauteur à laquelle atteint le niveau supérieur des grains. Nous marquons ce niveau avec un marqueur ou un élastique pharmaceutique sur le vaisseau (photo 1b). Fermez le récipient et secouez-le plusieurs fois. Nous les plaçons verticalement et vérifions à quelle hauteur le niveau supérieur du mélange de grains atteint maintenant. Il s'avère qu'elle est plus faible qu'avant mélange (photo 1c).

L'expérience a montré qu'après le mélange, de petites graines de pavot remplissaient les espaces libres entre les pois, ce qui diminuait le volume total occupé par le mélange. Une situation similaire se produit lors du mélange d'eau avec de l'alcool et d'autres liquides. Leurs molécules sont de toutes tailles et de toutes formes. En conséquence, les particules plus petites remplissent les espaces entre les particules plus grosses et le volume du liquide est réduit.

Photo 1. Les étapes suivantes de l'étude du modèle de compression :

a) haricots et graines de pavot dans des récipients séparés,

b) grains après délestage, c) réduction du volume des grains après mélange

Implications modernes

Aujourd'hui, il est bien connu que tous les corps qui nous entourent sont constitués de molécules, et celles-ci, à leur tour, sont constituées d'atomes. Les molécules et les atomes sont en mouvement aléatoire constant, dont la vitesse dépend de la température. Grâce aux microscopes modernes, en particulier le microscope à effet tunnel (STM), des atomes individuels peuvent être observés. Il existe également des méthodes connues qui utilisent un microscope à force atomique (AFM-), qui vous permet de déplacer avec précision des atomes individuels et de les combiner dans des systèmes appelés nanostructures. L'effet de compression a également des implications pratiques. Il faut en tenir compte lors du choix de la quantité de certains liquides nécessaire pour obtenir un mélange du volume requis. Vous devez en tenir compte, incl. dans la production de vodkas, qui, comme vous le savez, sont des mélanges principalement d'alcool éthylique (alcool) et d'eau, car le volume de la boisson résultante sera inférieur à la somme des volumes des ingrédients.