Passo para a nanotecnologia

Milhares de anos atrás, as pessoas se perguntavam do que são feitos os corpos ao redor. As respostas variaram. Na Grécia antiga, os cientistas expressaram a opinião de que todos os corpos são feitos de pequenos elementos indivisíveis, que eles chamavam de átomos. Quão pouco, eles não poderiam especificar. Por vários séculos, as visões dos gregos permaneceram apenas hipóteses. Eles foram devolvidos a eles no século XNUMX, quando foram realizados experimentos para estimar o tamanho de moléculas e átomos.

Um dos experimentos historicamente significativos, que possibilitou o cálculo do tamanho das partículas, foi realizado cientista inglês Lord Rayleigh. Como é simples de executar e ao mesmo tempo muito convincente, vamos tentar repeti-lo em casa. Então nos voltamos para dois outros experimentos que nos permitirão aprender algumas das propriedades das moléculas.

Quais são os tamanhos das partículas?

Arroz. 1. Um método de preparação de uma seringa para colocar nela uma solução de óleo na gasolina extraída; p - poxilina,

c - seringa

Vamos tentar responder a essa pergunta realizando o seguinte experimento. De uma seringa de 2 cm³ retire o êmbolo e vede sua saída com Poxiline para que encha completamente o tubo de saída destinado à inserção da agulha (Fig. 1). Esperamos alguns minutos até que a Poxilina endureça. Quando isso acontecer, despeje na seringa cerca de 0,2 cm³ óleo comestível e registre esse valor. Esta é a quantidade de óleo utilizada._o. Encha o volume restante da seringa com gasolina. Misture os dois líquidos com um fio até obter uma solução homogênea e fixe a seringa verticalmente em qualquer suporte.

Em seguida, despeje água morna na bacia para que sua profundidade seja de 0,5 a 1 cm. Use água morna, mas não quente, para que o vapor subindo não possa ser visto. Arrastamos uma tira de papel ao longo da superfície da água várias vezes tangencialmente a ela para limpar a superfície do pólen aleatório.

Coletamos uma pequena mistura de óleo e gasolina no conta-gotas e conduzimos o conta-gotas pelo centro do recipiente com água. Pressionando suavemente a borracha, deixamos cair a menor gota possível na superfície da água. Uma gota de uma mistura de óleo e gasolina se espalhará amplamente em todas as direções sobre a superfície da água e formará uma camada muito fina com espessura igual a um diâmetro de partícula nas condições mais favoráveis ​​- as chamadas camada monomolecular. Depois de algum tempo, geralmente alguns minutos, a gasolina evaporará (o que é acelerado pelo aumento da temperatura da água), deixando uma camada de óleo monomolecular na superfície (Fig. 2). A camada resultante geralmente tem a forma de um círculo com um diâmetro de vários centímetros ou mais.

Arroz. 2. Camada monomolecular de óleo na superfície da água

m – pelve, c – água, o – óleo, D – diâmetro da formação, d – espessura da formação

(tamanho da partícula de óleo)

Iluminamos a superfície da água direcionando um feixe de luz de uma lanterna diagonalmente para ela. Devido a isso, os limites da camada são mais visíveis. Podemos facilmente determinar seu diâmetro aproximado D a partir de uma régua colocada logo acima da superfície da água. Conhecendo esse diâmetro, podemos calcular a área da camada S usando a fórmula para a área de um círculo:

Se soubéssemos qual é o volume de óleo V₁ contido na gota caída, então o diâmetro da molécula de óleo d poderia ser facilmente calculado, assumindo que o óleo derreteu e formou uma camada com uma superfície S, ou seja:

Depois de comparar as fórmulas (1) e (2) e uma simples transformação, obtemos uma fórmula que nos permite calcular o tamanho de uma partícula de óleo:

A maneira mais fácil, mas não a mais precisa, de determinar o volume V₁ é verificar quantas gotas podem ser obtidas do volume total da mistura contida na seringa e dividir o volume de óleo Vo utilizado por este número. Para fazer isso, coletamos a mistura em uma pipeta e criamos gotículas, tentando torná-las do mesmo tamanho de quando são lançadas na superfície da água. Fazemos isso até que toda a mistura esteja esgotada.

Um método mais preciso, mas mais demorado, é deixar cair repetidamente uma gota de óleo na superfície da água, obter uma camada monomolecular de óleo e medir seu diâmetro. Obviamente, antes de cada camada ser feita, a água e o óleo usados ​​​​anteriormente devem ser derramados da bacia e limpos. A partir das medidas obtidas, é calculada a média aritmética.

Substituindo os valores obtidos na fórmula (3), não esqueça de converter as unidades e expressar a expressão em metros (m) e V₁ em metros cúbicos (m³). Obtenha o tamanho da partícula em metros. Este tamanho dependerá do tipo de óleo utilizado. O resultado pode ser errôneo devido às suposições simplificadoras feitas, em particular porque a camada não era monomolecular e que os tamanhos de gotículas nem sempre eram os mesmos. É fácil ver que a ausência de uma camada monomolecular leva a uma superestimação do valor de d. Os tamanhos usuais de partículas de óleo estão na faixa de 10^-8-10^-9 m. Bloco 10^-9 m é chamado nanometro e é frequentemente usado no campo em expansão conhecido como nanotecnologia.

Volume de líquido "desaparecendo"

Arroz. 3. O projeto do recipiente de teste de encolhimento líquido;

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

t - fita transparente

Os dois experimentos a seguir nos permitirão concluir que as moléculas de corpos diferentes têm formas e tamanhos diferentes. Para fazer o primeiro, corte dois pedaços de tubo plástico transparente, ambos com 1-2 cm de diâmetro interno e 30 cm de comprimento. Cada pedaço de tubo é colado com vários pedaços de fita adesiva na borda de uma régua separada oposta à escala (Fig. . 3). Feche as extremidades inferiores das mangueiras com bujões de poxilina. Fixe ambas as réguas com mangueiras coladas na posição vertical. Despeje água suficiente em uma das mangueiras para fazer uma coluna com cerca de metade do comprimento da mangueira, digamos 14 cm. Despeje a mesma quantidade de álcool etílico no segundo tubo de ensaio.

Agora perguntamos, qual será a altura da coluna da mistura dos dois líquidos? Vamos tentar obter uma resposta para eles experimentalmente. Despeje álcool na mangueira de água e meça imediatamente o nível superior do líquido. Marcamos este nível com um marcador à prova d'água na mangueira. Em seguida, misture os dois líquidos com um fio e verifique o nível novamente. O que notamos? Acontece que esse nível diminuiu, ou seja, o volume da mistura é menor que a soma dos volumes dos ingredientes usados ​​para produzi-la. Esse fenômeno é chamado de contração do volume de fluido. A redução no volume é geralmente de alguns por cento.

Explicação do modelo

Para explicar o efeito de compressão, realizaremos um experimento modelo. As moléculas de álcool neste experimento serão representadas por grãos de ervilha e as moléculas de água serão sementes de papoula. Despeje as ervilhas de grãos grandes com cerca de 0,4 m de altura no primeiro prato estreito e transparente, por exemplo, um jarro alto. Despeje as sementes de papoula no segundo recipiente semelhante de mesma altura (foto 1a). Em seguida, despejamos sementes de papoula em um recipiente com ervilhas e usamos uma régua para medir a altura em que o nível superior dos grãos atinge. Marcamos este nível com um marcador ou um elástico farmacêutico no recipiente (foto 1b). Feche o recipiente e agite-o várias vezes. Nós os colocamos verticalmente e verificamos a que altura o nível superior da mistura de grãos atinge agora. Acontece que é mais baixo do que antes da mistura (foto 1c).

O experimento mostrou que após a mistura, pequenas sementes de papoula preencheram os espaços livres entre as ervilhas, fazendo com que o volume total ocupado pela mistura diminuísse. Uma situação semelhante ocorre ao misturar água com álcool e alguns outros líquidos. Suas moléculas vêm em todos os tamanhos e formas. Como resultado, partículas menores preenchem as lacunas entre partículas maiores e o volume do líquido é reduzido.

Foto 1. As seguintes etapas do estudo do modelo de compressão:

a) feijão e sementes de papoila em recipientes separados,

b) grãos após a descamação, c) redução do volume de grãos após a mistura

Implicações modernas

Hoje é bem sabido que todos os corpos ao nosso redor são compostos de moléculas, e estas, por sua vez, são compostas de átomos. Tanto as moléculas quanto os átomos estão em constante movimento aleatório, cuja velocidade depende da temperatura. Graças aos microscópios modernos, especialmente o microscópio de tunelamento de varredura (STM), átomos individuais podem ser observados. Existem também métodos conhecidos que usam um microscópio de força atômica (AFM-), que permite mover com precisão átomos individuais e combiná-los em sistemas chamados nanoestruturas. O efeito de compressão também tem implicações práticas. Devemos levar isso em consideração ao selecionar a quantidade de certos líquidos necessária para obter uma mistura do volume necessário. Você deve levar isso em consideração, incl. na produção de vodkas, que, como você sabe, são misturas principalmente de álcool etílico (álcool) e água, pois o volume da bebida resultante será menor que a soma dos volumes dos ingredientes.