नॅनोटेक्नॉलॉजीच्या दिशेने पाऊल
हजारो वर्षांपूर्वी, लोकांना आश्चर्य वाटायचे की आजूबाजूचे शरीर कशाचे बनलेले आहे. उत्तरे वेगवेगळी होती. प्राचीन ग्रीसमध्ये, शास्त्रज्ञांनी असे मत व्यक्त केले की सर्व शरीरात लहान अविभाज्य घटक असतात, ज्यांना ते अणू म्हणतात. किती कमी ते सूचित करू शकले नाहीत. अनेक शतके, ग्रीकांची मते केवळ गृहीतकेच राहिली. ते XNUMX व्या शतकात त्यांना परत केले गेले, जेव्हा रेणू आणि अणूंच्या आकारांचा अंदाज घेण्यासाठी प्रयोग केले गेले.
ऐतिहासिकदृष्ट्या महत्त्वपूर्ण प्रयोगांपैकी एक, ज्यामुळे कणांच्या आकारांची गणना करणे शक्य झाले इंग्रज शास्त्रज्ञ लॉर्ड रेले. हे कार्य करणे सोपे असल्याने आणि त्याच वेळी ते खूप पटण्यासारखे आहे, चला घरी पुनरावृत्ती करण्याचा प्रयत्न करूया. त्यानंतर आपण आणखी दोन प्रयोगांकडे वळू जे आपल्याला रेणूंचे काही गुणधर्म जाणून घेण्यास अनुमती देतील.
कणांचे आकार काय आहेत?
तांदूळ. 1. काढलेल्या गॅसोलीनमध्ये तेलाचे द्रावण ठेवण्यासाठी सिरिंज तयार करण्याची पद्धत; पी - पॉक्सिलीना,
c - सिरिंज
पुढील प्रयोग करून या प्रश्नाचे उत्तर देण्याचा प्रयत्न करूया. एक सिरिंज पासून 2 सें.मी3 प्लंगर काढा आणि त्याचे आउटलेट पॉक्सिलीनने सील करा जेणेकरुन ते सुई घालण्याच्या उद्देशाने आउटलेट ट्यूब पूर्णपणे भरेल (चित्र 1). पॉक्सिलिना कठोर होईपर्यंत आम्ही काही मिनिटे थांबतो. जेव्हा असे होते, तेव्हा सिरिंजमध्ये सुमारे 0,2 सें.मी3 खाद्यतेल आणि हे मूल्य रेकॉर्ड करा. हे वापरलेल्या तेल बीचे प्रमाण आहे.o. सिरिंजची उर्वरित मात्रा गॅसोलीनने भरा. एकसंध द्रावण मिळेपर्यंत दोन्ही द्रव एका वायरने मिसळा आणि सिरिंजला कोणत्याही धारकामध्ये अनुलंब सुरक्षित करा.
नंतर बेसिनमध्ये कोमट पाणी घाला जेणेकरून त्याची खोली 0,5-1 सेमी असेल कोमट पाणी वापरा, परंतु गरम नाही, जेणेकरून वाढणारी वाफ दिसणार नाही. भटक्या परागकणांची पृष्ठभाग साफ करण्यासाठी आम्ही पाण्याच्या पृष्ठभागावर कागदाची पट्टी स्पर्शिकपणे अनेक वेळा ओढतो.
आम्ही ड्रॉपरमध्ये तेल आणि गॅसोलीनचे थोडेसे मिश्रण घालतो आणि ड्रॉपरला पात्राच्या मध्यभागी पाण्याने हलवतो. इरेजर हळूवारपणे दाबून, शक्य तितक्या लहान थेंब पाण्याच्या पृष्ठभागावर टाका. तेल आणि गॅसोलीनच्या मिश्रणाचा एक थेंब पाण्याच्या पृष्ठभागावर सर्व दिशांना मोठ्या प्रमाणावर पसरेल आणि सर्वात अनुकूल परिस्थितीत, एका कण व्यासाच्या समान जाडीसह एक पातळ थर तयार करेल - तथाकथित मोनोमोलेक्युलर लेयर. काही काळानंतर, सामान्यतः काही मिनिटांनंतर, गॅसोलीनचे बाष्पीभवन होईल (जे पाण्याचे तापमान वाढवून वेगवान होते), आणि तेलाचा एक मोनोमोलेक्युलर थर पृष्ठभागावर राहील (चित्र 2). परिणामी लेयरमध्ये बहुतेकदा अनेक सेंटीमीटर किंवा त्याहून अधिक व्यास असलेल्या वर्तुळाचा आकार असतो.
तांदूळ. 2. पाण्याच्या पृष्ठभागावर तेलाचा मोनोमोलेक्युलर थर
m – श्रोणि, c – पाणी, o – तेल, D – निर्मिती व्यास, g – निर्मिती जाडी
(तेल कण आकार)
आम्ही पाण्याच्या पृष्ठभागावर तिरपे फ्लॅशलाइटमधून प्रकाशाचा किरण निर्देशित करून त्यावर प्रकाश टाकतो. यामुळे लेयरच्या सीमा अधिक दृश्यमान होतात. पाण्याच्या पृष्ठभागाच्या अगदी वर असलेल्या शासकाचा वापर करून आपण त्याचा अंदाजे व्यास D सहज ठरवू शकतो. हा व्यास जाणून घेतल्यास, आपण वर्तुळाच्या क्षेत्रफळासाठी सूत्र वापरून लेयर S चे क्षेत्रफळ काढू शकतो:
जर आम्हाला माहित असेल की तेल V चे प्रमाण काय आहे1 ड्रॉप केलेल्या ड्रॉपमध्ये समाविष्ट आहे, नंतर तेल रेणू d चा व्यास सहजपणे मोजला जाऊ शकतो, असे गृहीत धरून की तेल वितळले आणि पृष्ठभाग S सह एक थर तयार झाला, म्हणजे:
सूत्र (1) आणि (2) आणि साध्या परिवर्तनाची तुलना केल्यानंतर, आम्हाला एक सूत्र प्राप्त होते जे आम्हाला तेलाच्या कणाच्या आकाराची गणना करण्यास अनुमती देते:
व्हॉल्यूम V निर्धारित करण्याचा सर्वात सोपा, परंतु सर्वात अचूक मार्ग नाही1 सिरिंजमध्ये असलेल्या मिश्रणाच्या संपूर्ण व्हॉल्यूममधून किती थेंब मिळू शकतात हे तपासणे आणि या संख्येने वापरलेल्या व्हो ऑइलची मात्रा विभाजित करणे. हे करण्यासाठी, आम्ही मिश्रण पिपेटमध्ये घेतो आणि थेंब तयार करतो, त्यांना पाण्याच्या पृष्ठभागावर टिपताना समान आकार ठेवण्याचा प्रयत्न करतो. संपूर्ण मिश्रण संपेपर्यंत आम्ही हे करतो.
अधिक अचूक परंतु अधिक श्रम-केंद्रित पद्धतीमध्ये पाण्याच्या पृष्ठभागावर वारंवार तेलाचा थेंब टाकणे, तेलाचा मोनोमोलेक्युलर थर मिळवणे आणि त्याचा व्यास मोजणे समाविष्ट आहे. अर्थात, प्रत्येक थर बनवण्याआधी, पूर्वी वापरलेले पाणी आणि तेल बेसिनमधून ओतले पाहिजे आणि स्वच्छ असलेल्यांनी पुन्हा भरले पाहिजे. प्राप्त केलेल्या मोजमापांवरून अंकगणितीय सरासरी काढली जाते.
प्राप्त मूल्यांना फॉर्म्युला (3) मध्ये बदलून, युनिट्स रूपांतरित करण्यास विसरू नका आणि मीटर (m) आणि V मध्ये अभिव्यक्ती व्यक्त करा.1 क्यूबिक मीटरमध्ये (मी3). आम्हाला कणांचा आकार मीटरमध्ये मिळतो. हा आकार वापरलेल्या तेलाच्या प्रकारावर अवलंबून असेल. बनवलेल्या गृहितकांना सरलीकृत केल्यामुळे परिणाम चुकीचा असू शकतो, विशेषत: थर मोनोमोलेक्युलर नव्हता आणि थेंबाचा आकार नेहमी सारखा नसतो. हे पाहणे सोपे आहे की लेयरच्या मोनोमोलेक्युलरिटीच्या कमतरतेमुळे d मूल्याचा अतिरेक होतो. ठराविक तेल कणांचे आकार 10 च्या आत असतात-8-10-9 m. ब्लॉक 10-9 m म्हणतात नॅनोमीटर म्हणून ओळखल्या जाणार्‍या वेगाने विकसनशील क्षेत्रात वापरले जाते नॅनो तंत्रज्ञान.
द्रव "गायब" खंड
तांदूळ. 3. संकोचन साठी द्रव चाचणी करण्यासाठी जहाज डिझाइन;
g – पारदर्शक प्लास्टिक ट्यूब, p – पॉलीऑक्सिलिन, l – शासक,
टी - पारदर्शक टेप
पुढील दोन प्रयोगांमुळे आम्हाला असा निष्कर्ष काढता येईल की वेगवेगळ्या शरीराच्या रेणूंचे आकार आणि आकार वेगवेगळे असतात. प्रथम करण्यासाठी, 1-2 सेमी अंतर्गत व्यास आणि 30 सेमी लांबीच्या स्पष्ट प्लास्टिकच्या नळ्याचे दोन तुकडे करा. प्रत्येक नळ्याला टेपच्या अनेक तुकड्यांसह एका वेगळ्या शासकाच्या काठावर चिकटवलेले आहे. स्केल (Fig. 3). पॉक्सीलिन प्लगसह होसेसचे खालचे टोक बंद करा. उभ्या स्थितीत चिकटलेल्या होसेससह दोन्ही शासक सुरक्षित करा. रबरी नळीच्या अर्ध्या लांबीचा स्तंभ तयार करण्यासाठी एका नळीमध्ये पुरेसे पाणी घाला, उदाहरणार्थ 14 सेमी. दुसऱ्या टेस्ट ट्यूबमध्ये समान प्रमाणात इथाइल अल्कोहोल घाला.
आता आपण विचारू या, दोन्ही द्रव्यांच्या मिश्रणाच्या स्तंभाची उंची किती असेल? चला त्यांना प्रायोगिकपणे उत्तर देण्याचा प्रयत्न करूया. पाण्याच्या नळीमध्ये अल्कोहोल घाला आणि ताबडतोब द्रवचा वरचा स्तर मोजा. आम्ही हा स्तर नळीवर वॉटरप्रूफ मार्करसह चिन्हांकित करतो. नंतर दोन्ही द्रव एका वायरने मिसळा आणि स्तर पुन्हा तपासा. आम्ही काय लक्षात घेतो? हे दिसून येते की ही पातळी कमी झाली आहे, म्हणजे. मिश्रणाची मात्रा ते तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या घटकांच्या बेरीजपेक्षा कमी असते. या घटनेला द्रवपदार्थ आकुंचन म्हणतात. व्हॉल्यूम कपात सहसा अनेक टक्के असते.
मॉडेल स्पष्टीकरण
कॉम्प्रेशन इफेक्ट स्पष्ट करण्यासाठी, आम्ही एक मॉडेल प्रयोग करू. या प्रयोगातील अल्कोहोलचे रेणू वाटाणा दाण्यांद्वारे दर्शविले जातील आणि पाण्याचे रेणू खसखस बिया असतील. पहिल्या, अरुंद, पारदर्शक कंटेनरमध्ये सुमारे 0,4 मीटर उंच खडबडीत मटार घाला, उदाहरणार्थ एका उंच भांड्यात खसखस घाला. त्याच उंचीच्या दुसऱ्या कंटेनरमध्ये खसखस घाला (फोटो 1a). मग आम्ही मटारांसह खसखस भांड्यात ओततो आणि शासक वापरुन, धान्याची वरची पातळी किती उंचीवर पोहोचते ते मोजतो. आम्ही हा स्तर जहाजावर मार्कर किंवा एपोथेकरी इरेजरने चिन्हांकित करतो (फोटो 1b). कंटेनर बंद करा आणि अनेक वेळा शेक करा. आम्ही त्यांना अनुलंब ठेवतो आणि धान्य मिश्रणाचा वरचा स्तर आता किती उंचीवर पोहोचतो हे तपासतो. असे दिसून आले की ते मिसळण्यापूर्वी (फोटो 1 सी) पेक्षा कमी आहे.
प्रयोगात असे दिसून आले की मिसळल्यानंतर लहान खसखस बियाणे मटारमधील रिकाम्या जागा भरतात, परिणामी मिश्रणाने व्यापलेले एकूण प्रमाण कमी होते. अल्कोहोल आणि इतर काही द्रवांमध्ये पाणी मिसळताना अशीच परिस्थिती उद्भवते. त्यांचे रेणू सर्व आकार आणि आकारात येतात. परिणामी, लहान कण मोठ्या कणांमधील अंतर भरतात आणि द्रवाचे प्रमाण कमी होते.
फोटो 1. कॉम्प्रेशन मॉडेलचा अभ्यास करण्याचे पुढील टप्पे:
अ) बीन्स आणि खसखस वेगळ्या भांड्यात,
ब) शेडिंगनंतर धान्य, क) मिसळल्यानंतर धान्यांचे प्रमाण कमी होते
आधुनिक परिणाम
आज हे सर्वज्ञात आहे की आपल्या सभोवतालच्या सर्व शरीरांमध्ये रेणू असतात आणि त्या बदल्यात अणू असतात. दोन्ही रेणू आणि अणू सतत यादृच्छिक गतीमध्ये असतात, ज्याचा वेग तापमानावर अवलंबून असतो. आधुनिक सूक्ष्मदर्शकांबद्दल धन्यवाद, विशेषत: स्कॅनिंग टनेलिंग मायक्रोस्कोप (STM), वैयक्तिक अणूंचे निरीक्षण केले जाऊ शकते. अणुशक्ती सूक्ष्मदर्शक (AFM) वापरणार्‍या पद्धती देखील आहेत, ज्यामुळे वैयक्तिक अणू अचूकपणे हलवणे आणि त्यांना प्रणालींमध्ये एकत्र करणे शक्य होते. नॅनोस्ट्रक्चर्स. कॉम्प्रेशन इफेक्टला व्यावहारिक महत्त्व देखील आहे. आवश्यक व्हॉल्यूमचे मिश्रण मिळविण्यासाठी आवश्यक विशिष्ट द्रवपदार्थांची मात्रा निवडताना आपण हे लक्षात घेतले पाहिजे. आपण ते खात्यात घेणे आवश्यक आहे, समावेश. वोडकाच्या उत्पादनात, जे ज्ञात आहे, प्रामुख्याने इथाइल अल्कोहोल (अल्कोहोल) आणि पाण्याचे मिश्रण आहे, कारण परिणामी पेयाचे प्रमाण घटकांच्या खंडांच्या बेरजेपेक्षा कमी असेल.
