Nano... có quen thuộc với bạn không?

32

Vì mọi thứ hiện diện chắc chắn phải là một thứ gì đó, dù nó lớn lao hay tầm thường nhất… Titus Lucretius Carus

Khoảng hai triệu phân tử hydro xếp thành một hàng sẽ chiếm một milimet và khoảng 200 triệu triệu triệu trong số chúng sẽ nặng một miligam. Những con số này nên được coi là những con số gần đúng; khi khoa học được cải thiện, chúng sẽ được sửa chữa bằng những thí nghiệm đa dạng và chính xác hơn… James Clerk Maxwell

Nhũ tương là một bầu không khí thu nhỏ bị hút về phía trái đất. Ở quy mô của bầu khí quyển như vậy, độ cao của dãy Alps sẽ có vẻ là vài micron và từng ngọn đồi sẽ trở nên ngang bằng với các phân tử. Jean Baptiste Perrin

Nano (từ tiếng Hy Lạp na ѣ nos - lùn) là tiền tố để tạo thành tên của bội đơn vị bằng một phần tỷ đơn vị ban đầu. Từ điển bách khoa lớn

Nó có quen thuộc với bạn không?

?

nano…

Nói chung, người ta nên trả lời “tất nhiên là có, và trong một thời gian khá dài” - xét cho cùng, ngay cả tổ tiên xa xôi của chúng ta, bị dính đầy bồ hóng, cũng đã xử lý được các hạt nano carbon mà nó chứa. Các nhà khoa học xử lý bột mịn và dung dịch keo cũng gặp phải những “mảnh vụn” tương tự và có lẽ có ý thức hơn. Nhưng ít người tưởng tượng được những thay đổi đáng kinh ngạc về tính chất vật lý của vật thể có thể xảy ra khi chúng bị thu nhỏ lại thành kích thước nano. Những thay đổi này có thể được phát hiện khá gần đây với sự ra đời của các thiết bị nano - đặc biệt, khác biệt hoàn toàn với các thiết bị thông thường, có khả năng đo lường và khám phá các đặc tính mới. Sự chuyển đổi sang những quy mô như vậy kéo theo việc khám phá ra hành vi cực kỳ độc đáo của các hạt, thể hiện các định luật vật lý lượng tử. Và điều này, đến lượt nó, đã tạo ra những nhánh kiến ​​thức và công nghệ mới, được xây dựng trên một hệ tư tưởng khác về cơ bản và trên những cách tiếp cận khác so với trước đây - điện tử nano, y học nano, quang tử nano, năng lượng nano… rồi ở khắp mọi nơi. Tiền tố có màu “lùn” ẩn chứa cả một kho dự trữ khổng lồ, việc làm chủ được kho dự trữ khổng lồ, như các nhà khoa học dự đoán, trong tương lai rất gần sẽ biến đổi toàn bộ thế giới xung quanh chúng ta và giúp nhân loại đối phó với nhiều vấn đề do nền văn minh tích lũy. Bạn cũng có thể làm quen với những quan điểm này trong các ấn phẩm của tạp chí của chúng tôi - như thường lệ, một danh sách ấn tượng về chúng được đưa ra ở cuối số báo. Trong khi đó, đáp lại lời kêu gọi của R. Feynman, người đã viết cách đây đúng nửa thế kỷ bài báo “Có rất nhiều không gian bên dưới. Lời mời đến với thế giới vật lý mới”, chúng ta sẽ đi tìm kiếm các vật thể nano sống rất nhiều xung quanh chúng ta, và tất nhiên, trong khóa học vật lý ở trường. Có vẻ như khám phá trực tiếp hoặc gián tiếp của họ sẽ giúp bạn chuẩn bị tốt hơn để hiểu được ngành khoa học nano đầy hấp dẫn, đầy những cơ hội lớn.

Câu hỏi và bài toán

1. Có thể nhìn thấy một phần mười triệu gam (tức là 100 nanogram) của một chất bằng mắt thường không? 2. Có thể đạt được trọng lượng rất chính xác với sai số 10 nanogram. Có bao nhiêu nguyên tử trong một hạt sắt nặng 10 nanogram? 3. Làm thế nào để ước tính kích thước của các phân tử nước và rượu? 4. Nếu pha 50 ml nước và 50 ml rượu thì thể tích dung dịch sẽ nhỏ hơn 100 ml. Tại sao? 5. Ước tính khoảng cách trung bình giữa các phân tử hydro trong điều kiện bình thường lớn hơn đường kính của phân tử đó bao nhiêu lần. 6. Tại sao sự phóng điện xảy ra ở điện áp thấp hơn khi mật độ không khí giảm? 7. Làm thế nào chúng ta có thể giải thích rằng nước trong bình đất sét có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ không khí xung quanh? Trong điều kiện nào nhiệt độ của nước trong bình này sẽ bằng nhiệt độ của không khí xung quanh? 8. Nước đang sôi trong ấm, thấy hơi nước thoát ra từ vòi ấm. Điều này có đúng không? 9. Bình được chia thành hai phần bằng vách ngăn xốp. Trong một phần có một loại khí bao gồm các phân tử nhẹ, phần còn lại - từ các phân tử nặng. Áp suất khí lúc đầu bằng nhau. Sau một thời gian, áp suất trong phần bình chứa các phân tử nặng tăng lên. Sau đó, sau một thời gian dài hơn, áp suất ở cả hai phần của bình cân bằng. Làm thế nào để giải thích điều này? 10. Tại sao các hạt Brownian lại tương đối nhỏ? 11. Phải mất rất nhiều công sức để làm đứt một đoạn dây. Tuy nhiên, nếu bạn nung dây trên ngọn lửa của đầu đốt thì dây sẽ dễ bị đứt hơn nhiều. Tại sao?

33

12. Bạn không thể tạo hình từ cát khô nhưng bạn có thể làm được từ cát ướt. Tại sao? 13. Mỏ hàn không thể làm chảy dây đồng hoặc dây thép. Tại sao có thể kết nối các dây này với nhau một cách đáng tin cậy bằng cách hàn? 14. Một thợ tráng men có kinh nghiệm, sau khi chạy một viên kim cương trên kính, làm ẩm vết xước bằng nước và chỉ sau đó mới làm vỡ tấm kính. Tại sao việc làm ướt được thực hiện? 15. Được biết, vào những ngày thời tiết lạnh giá, người ta dùng gạch đỏ ngâm xăng thông thường để nhóm lửa thay vì củi. Phương pháp sưởi ấm này dựa trên điều gì? 16. Nếu màng xà phòng được đặt thẳng đứng, các sọc màu trên đó sẽ di chuyển xuống dưới theo thời gian, thay đổi chiều rộng và ngay sau đó, một điểm tối tăng nhanh sẽ xuất hiện ở phần trên của màng, sau đó màng sẽ bị rách. Làm thế nào để giải thích điều này?

Kinh nghiệm vi mô

Đun nóng lưỡi dao cạo an toàn trên ngọn lửa đèn cồn. Bạn sẽ có thể nhìn thấy cái gọi là màu xỉn trên bề mặt kim loại - màu sắc cầu vồng đang thay đổi. Lý do cho sự xuất hiện của nó là gì?

Thật thú vị rằng…

…họ đã học cách chế tạo những thanh kiếm và lưỡi kiếm bền bỉ từ thép Damascus từ thời Trung cổ. Nhưng bí mật tạo ra loại thép như vậy đã được tiết lộ khá gần đây, khi phân tích cấu trúc của nó, người ta có thể phát hiện ra các ống nano carbon bên trong nó - những phân tử hình trụ khổng lồ được làm từ các nguyên tử carbon, mang lại cho vật liệu độ đàn hồi và độ cứng độc đáo. …không giống như kim cương tự nhiên, kim cương nano được tạo ra nhân tạo có một số đặc tính đặc biệt. Do đó, các hạt nano của chúng có hoạt tính bề mặt và độ phản ứng cao hơn đáng kể (chúng có diện tích bề mặt riêng lớn hơn). Vì vậy, kim cương nano hiện nay được sử dụng cả trong sinh học và y học như chất hấp phụ các hợp chất độc hại và chất mang thuốc cho mục đích y học. … từ lâu họ đã học được cách dát vàng thành các tấm dày 100 nanomet và bằng cách xử lý hóa học, đưa nó lên độ dày 10 nanomet. Tuy nhiên, không thể đạt được kích thước của các nguyên tử theo cách này. Và chỉ với sự ra đời của kính hiển vi điện tử có độ phân giải 0,12 nanomet, với độ phóng đại bảy triệu lần, người ta mới có thể “nhìn thấy” các hàng nguyên tử trong một tinh thể vàng nằm ở khoảng cách 0,235 nanomet với nhau. …lịch sử điều chế dung dịch keo vàng, đổi màu từ cam sang xanh lục, hoặc thêm hợp chất vàng vào thủy tinh nóng chảy, tạo cho nó màu đỏ tươi (“hồng ngọc vàng”), đã có từ xa xưa. Bác sĩ nổi tiếng thế kỷ 16 Paracelsus cũng đề cập đến việc sử dụng “vàng hòa tan” trong y học. Tuy nhiên, chỉ đến năm 1857 Faraday mới chứng minh được rằng màu sáng của dung dịch keo vàng là do các hạt lơ lửng nhỏ của nó. Đây là vàng nano, có đặc tính hoàn toàn khác với vàng thông thường.

…có lẽ vật sắc nhọn nhất do thiên nhiên tạo ra là vết đốt của ong bắp cày - bán kính cong của đầu nó không vượt quá 10 nanomet. …trong thí nghiệm nổi tiếng của mình về việc xác định kích thước của phân tử, Lord Rayleigh đã thực hiện nó một cách đơn giản đến bất ngờ. Nhỏ dầu vào chậu nước, Rayleigh ném phấn hoa long não vào đó. Biết rằng trên mặt nước các hạt long não chuyển động ngẫu nhiên, nhưng trên bề mặt dầu chúng tĩnh lặng, ông đã chọn khối lượng giọt dầu sao cho nó bao phủ toàn bộ mặt nước và ngăn chặn sự “nhảy múa” của phấn hoa. Đây là bằng chứng cho thấy dầu lan rộng thành một lớp đơn phân tử, độ dày của lớp đó và do đó kích thước của các phân tử dầu không vượt quá 1,7 nanomet. …superinvar - một hợp kim của sắt và niken có thêm crom - có hệ số giãn nở nhiệt thấp bất thường. Do đó, khi nhiệt độ tăng thêm một độ, một thanh superinvar dài một mét chỉ dài thêm 30 nanomet. …công suất điện của tụ điện có thể rất lớn do khoảng cách nhỏ giữa các bản của chúng, được xác định bởi một màng hóa học dày vài nanomet. …công nghệ màng dùng để sản xuất màng bán thấm gần đây đã được bổ sung thêm một phương pháp khác. Các hạt nhân nặng được tăng tốc chiếu xạ các màng tổng hợp và biến chúng thành các “sàng” với các lỗ gọn gàng, kích thước của chúng có thể được điều chỉnh ở cấp độ nano. …cái gọi là cỗ máy phân tử sống - vi khuẩn roi hoặc các đơn vị cơ cơ bản đảm bảo sự di chuyển của tế bào mục tiêu và vận chuyển các phân tử qua màng - có kích thước đặc trưng là đơn vị hoặc hàng chục nanomet. Đường kính chuỗi xoắn kép của phân tử DNA là khoảng hai nanomet và chiều dài của nó dọc theo đường viền là khoảng 400 nanomet. …tiền tố “nano” trở nên phổ biến đến mức nó bắt đầu được sử dụng để mô tả các vật thể ở quy mô vĩ mô. Do đó, theo phân loại của Châu Âu về các vệ tinh nhỏ, các thiết bị có trọng lượng từ một đến mười kg được gọi là vệ tinh nano.

Những gì cần đọc trong «Kvant» về nano…

(xuất bản những năm gần đây)

1. “Công nghệ nano phục vụ con người” – 2005, số 4, tr. 11; 2. “Công nghệ nano: khi kích thước quan trọng” – 2008, Số 3, trang 6; 3. “Trên đường tới máy tính lượng tử” – 2009, số 1, tr. 2; 4. “Những câu chuyện về cơ học hiện đại” – 2009, số 3, tr.2; 5. “Thước kẻ dài một nanomet” – 2009, số 4, tr. 2; 6. “Tại sao ống nano carbon lại cứng hơn thép?” – 2009, số 4, tr. 7; 7. “Space Nanolift” – 2009, số 5, tr. 11; 8. “Đo sức mạnh cơ thể từ nano đến mega” – 2009, số 6, tr. 3; 9. “Cách điều khiển ánh sáng bằng từ trường” – 2010, số 1, tr. 12.

Tài liệu do A. Leonovich chuẩn bị