Народна Освіта » Фізика » § 6. Рідкі кристали та їх використання. Полімери. Наноматеріали

НАРОДНА ОСВІТА

§ 6. Рідкі кристали та їх використання. Полімери. Наноматеріали

► 1. Як були відкриті рідкі кристали?

 

Унікальні властивості рідких кристалів. Чи замислювалися ви коли-небудь над тим, що у кожного з нас завжди є поруч рідкі кристали? Це дійсно так, адже ми дивимося телевізор, користуємося комп’ютером та мобільним телефоном. А тому ви маєте уявляти собі, що представляють собою рідкі кристали і чому вони так поширені в техніці.

Вивчаючи питання про агрегатні стани речовини, ви дізналися, що більшість речовин у природі не може одночасно перебувати у твердому та рідкому станах. Але наприкінці XIX ст. виявилося, що це можливо — таку властивість мають рідкі кристали.

Ви вже знаєте, що усі властивості речовин зумовлені характером руху, розташування та взаємодії частинок, з яких вони утворені. А як тоді рухаються і взаємодіють молекули рідких кристалів, адже вони одночасно перебувають у двох агрегатних станах?

Молекули рідких кристалів мають витягнуту паличкоподібну форму. Саме така форма і визначає їх взаємне розташування всередині речовини - вони розташовані пліч о пліч одна до одної у певному порядку (рис. 36). Тому вони можуть рухатися лише вздовж своєї осі, повертатися на певний кут, але при цьому не можуть змінити напрям свого

розташування (на відміну від молекул рідини, які можуть рухатися у всіх напрямах). Така внутрішня будова рідких кристалів визначає їх властивості і застосування. Відомо декілька сотень рідких кристалів.

РІДКІ КРИСТАЛИ

Схожість з рідинами

Схожість з кристалами

Мають властивість текучості - приймають форму посудини, у якій знаходяться

Мають упорядковану внутрішню будову - молекулг розташовані у певному порядк

 

Характерною особливістю рідких кристалів є те, що вони дуже красиві і таємничі при спостереженні у мікроскопі (рис. 37)!

Дослідження рідких кристалів розпочалося в кінці 60-х років XX століття. З появою комп’ютерної техніки рідкі кристали стали використовуватися при створенні дисплеїв. Інформаційні стенди на залізничних вокзалах та в аеропортах, рекламні білборди зі зміною зображення - теж побудовані на рідких кристалах. Сьогодні більшість телевізорів мають рідкокристалічні екрани. Ефективно використовуються рідкі кристали у медицині. Вони дуже чуттєві до змін температури (десяті долі градуса) і при цьому змінюють своє забарвлення. Тому плівки рідких кристалів дозволяють зафіксувати зміни температури. Тому рідкі кристали дозволяють одержати картину розподілу температур на тілі людини, а, отже, локалізувати запалення.

Як системи відображення інформації рідкі кристали використовуються у наручних годинниках, вимірювальних приладах автомобілів. За допомогою рідких кристалів виявляють пари шкідливих хімічних сполук і небезпечні для здоров’я людини випромінювання.

 

З прикладами застосувань рідких кристалів ви можете ознайомитись на рис. 38.

► 2. Полімери — основа сучасного виробництва у різних галузях техніки

Сучасний науково-технічний прогрес був би неможливий без створення нових матеріалів, одним з яких є полімер. Термін «полімер» був введений у 1833 р. шведським хіміком та мінерологом Йенсом Берцеліусом (1799-1848 рр.). Це поняття визначає передусім не склад речовини, а те, як вона побудована. Полімери складаються із дуже великих і гнучких лінійних (атоми розташовані в одну лінію) або розгалужених (розташування атомів нагадує гілки дерев) молекул, які отримали назву макромолекул (рис. 39, а). Отже, характерною ознакою полімерів є наявність у їх складі макромолекул, які являють собою довгі ниткоподібні ланцюги. Ланцюги побудовані з однакових атомів. Наприклад, атоми вуглецю складають «основу» макромолекул одного із самих поширених полімерів - поліетилену (рис. 39, б). Специфічні властивості полімерів зумовлені саме їх хімічною будовою.

Дослідження впорядкованості роз-

ташування макромолекул в полімерах дало можливість розділити їх на аморфні та кристалічні.До аморфних полімерів відносяться, зокрема, полівінілхлорид, поліметилметакрилат (органічне скло) та інші, до кристалічних - поліетилен, поліпропілен, фторопласт та інші.

Полімер - від грецького слова polymeros -такий, що складається з багатьох частин, різ-номінатний.

 

 

З бюполімерів побудовані клітини усіх живих організмів (білки, нуклеїнові кислоти).

Для утворення полімерів з новими властивостями до них додають різні хімічні добавки__

 

Полімери залежно від їх походження поділяють на: а) природні, які добувають з природних матеріалів (наприклад, целюлоза, крохмаль, натуральний каучук та ін.); б) штучні, які одержують за допомогою хімічної модифікації природних полімерів (наприклад, із целюлози одержують віскозне волокно); в) синтетичні, що добувають у процесі синтезу деяких сполук (поліетилен, поліамід, епоксидні смоли).

Сучасне машинобудування, авіація, космічна техніка, автомобілебудування, електро- і радіотехніка немислимі без використання полімерних матеріалів. Полімери використовуються також в медицині, текстильному виробництві, сільському господарстві. Одним з найважливіших напрямів технічного прогресу в усьому світі є подальший розвиток промисловості полімерів: виготовлення синтетичних і штучних волокон, синтетичного каучуку, шкіри, захисних полімерних покриттів, клеїв, гуми, плівок, лаків, герметиків, посуду та інших матеріалів на основі полімерів. Традиційно вироби з полімерів відрізняються надійністю та високою якістю (рис. 40). Так, вікна з полівінілхлорида стійкі

проти атмосферних впливів, безпечні для людини, забезпечують необхідний повітрообмін та звукоізоляцію. Але слід пам’ятати, що деякі полімери (наприклад, поліуретан, поліефір, епоксидні смоли) схильні до займання, тому при практичному використанні полімерних матеріалів слід дотримуватись правил безпеки.

 

Основним об'єктом нанотехнологій і ключем до їх використання є атом. Для успішних досліджень у галузі нанотехнологій необхідно знати будову атома, а також здатність до взаємодії з іншими атомами

 

► 3. Нанотехнології — найсучасніша галузь фізики. Наноматеріали

Ми живемо у XXI століття і, звичайно, нас всіх хвилює питання про майбутнє, про подальший розвиток науки і техніки. Відповідь на ці та інші питання частково може дати розвиток нанофізи-ки, нанотехнологій і створення принципово нових наноматеріалів.

Нанотехнології — це технології роботи з об'єктами, які мають лінійні розміри у декілька нанометрів (мільярдна доля метра).1 нанометр (1 нм) = IO9M (1 нм наближено в 100 тисяч разів менше товщини людської волосини). Цікаво також те, що окремі віруси мають розміри близько 10 нанометрів, а 1 нм має радіус подвійної спіралі молекул ДНК. Щоб оцінити цей розмір, можна також мисленно співставити земну кулю і монету номіналом в 1 копійку. Важливість нанотехнологій важко переоцінити, оскільки це — майбутнє!

Для успішних досліджень у галузі нанотехнологій необхідно знати будову атома, а також його здатність до взаємодії з іншими атомами.

За допомогою нанотехнологій отримано нову речовину товщиною в один атом Карбону. Це вуглецевий наномате-ріал «графен», у якому атоми Карбону з’єднані у «комірки» формою правильного шестикутника зі стороною 0,142 нанометра (рис. 41).

Нанотехнології дозволяють впорядковувати атоми в новому порядку і одержувати речовини з необхідними тьа надзвичайними властивостями.

Переміщення окремих атомів можна здійснювати за допомогою «лазерного пінцету».

 

 

Які сьогодні практичні досягнення нанотехнологій? Нанотехнології дозволяють виробляти легкі і гнучкі будівельні матеріали, високоефективні фільтри для води і повітря. Ліки, виготовлені за допомогою нанотехнологій, дозволяють впливати лише на хворі клітини, не пошкоджуючи здорові, а косметика діє не лише на поверхню шкіри, але й на більш глибокому рівні.

Нанотехнології широко використовуються, зокрема, в матеріалознавстві для створення високоміцних матеріалів, в електроніцідля створення електронно-обчислювальних машин наступного покоління, створення надпотужних і над мініатюрних комп’ютерів, в медицині при виготовленні інструментарію для високоточної доставки ліків у певні місця живого організму, при діагностиці біологічно-шкідливих домішок у виробництві харчових продуктів, а також в інших галузях науки і техніки. За допомогою нанотехнологій створено електромобіль, розвивається робототехніка (рис. 42).

Нанотехнології забезпечують над-щільний запис інформації в сучасних комп’ютерних системах. Наприклад, для збереження одного байта інформації

у жорстких дисках використовуються 500 мільйонів атомів, а самий маленький «магнітний байт» може бути збережений з використанням всього 96 атомів.

 

За допомогою нанотехнологій виробляються найсучасніші наноматеріали. Це, в першу чергу, нанопорошки та вуглецеві нанотрубки.

Нанопорошки - це порошки, розмір частинок якого менше 100 нм.

У чому ж полягає цінність нанопо-рошків?

Кераміка, виготовлена на основі нано-порошків має таку міцність, що використовується для створення броні військової техніки! Нанопорошки також дозволяють одержувати тверді сплави, нові міцні матеріали. Нанопорошки використовуються у виробництві сонячних батарей.

Вуглецеві нанотрубки (або фулерени)

-    це великі молекули, які складаються лише з атомів вуглецю. Прийнято вважати, що ці молекули представляють собою нову форму вуглецю, поряд з відомими - алмазом та графітом.

Головна особливість нанотрубок полягає в тому, що вони мають каркасну форму, яка нагадує замкнену порожню оболонку. Найбільш відомий з фулеренів

-    це фулерен С60. Молекула фулерена складається з 60 атомів вуглецю, розташованих на сфері з діаметром близько одного нанометра. Атоми вуглецю розташовані на сфері у вершинах п’яти і шестикутників, що нагадує за формою футбольний м’яч (рис. 43). Саме з цього

фулерена, відкритого у 1985 році, розпочалася епоха активного дослідження цих дивовижних структур.

 

У кінці 80-х років біли відкриті нові фулерени, які нагадували довгі циліндри - нанотрубки. У перерізі їх розмір складає декілька нанометрів, у той час, як за довжиною вони можуть досягати гігантських розмірів - майже до міліметра! Атоми вуглецю на поверхні трубки розташовані в вершинах правильних шестикутників (рис. 44).

Нанотрубки мають дивовижні властивості - вони дуже міцні як на розтяг, так й на згин. Якщо у майбутньому вдасться виробити нанотрубки великої довжини, то тоді такі троси з декількох нанотру-бок та діаметром, меншим за товщину людської волосини, зможуть витримувати вантажі з масами у сотні кілограмів (вони знайдуть використання в якості елементів будівель і мостів, окремих конструкцій літальних апаратів тощо).

Ще одне цікаве застосування нанотру-бок - створення оперативної пам’яті. При цьому щільність запису інформації може досягти 5 мільярдів біт на квадратний сантиметр (в декілька разів більше, ніж у сьогоднішніх мікросхемах пам’ятів).

Атом залишається найважливішим об’єктом наукових досліджень і сучасна фізика покладає на них величезні надії. Україна приділяє значну увагу розвитку нанотехнологій — це дозволить нашій країні стати в один ряд з найбільш кон-курентноспроможними державами.

1.    Як були відкриті рідкі кристали? У чому полягає унікальність рідкокристалічного стану речовини?

2.    Яку форму мають молекули рідких кристалів? Як розташовані молекули рідких кристалів завдяки цій формі?

3.    У яких технічних пристроях застосовуються рідкі кристали?

4.    Що є характерною ознакою полімерів? Який вигляд мають макромолекули полімерів?

5.    Наведіть приклади аморфних та кристалічних полімерів.

6.    Яке основне призначення полімерних нанокомпозицій?

7.    Чому нанотехнології є однією з найперспективніших галузей фізичної науки і техніки?

8.    Що є основним об’єктом нанотехнологій? Чому?

9.    Наведіть приклади практичних досягнень нанотехнологій.

10.    Які ви знаєте наноматеріали і для чого вони використовуються?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

 

Вправа

1.    Користуючись рис. 45, поясніть таку властивість рідких кристалів, як упорядкованість їх внутрішньої будови.

2.    За рахунок чого нанотехнології дозволяють одержувати речовини з новими властивостями?

3.    У 1986 році компанія IBM - одна з найкрупніших серед постачальників програмного та апаратного забезпечення, виклала за допомогою тунельного скануючого мікроскопа (він дає збільшення у 100 мільйонів разів) свій логотип окремими атомами Ксенону. Користуючись рисунком 46, підрахуйте кількість атомів Ксенону, з яких був викладений логотип. Вважаючи, що літери мали висоту 5 нм, а діаметр атома Ксенону дорівнює 0,216 нм, обчисліть відстань між атомами.

►    1. Молекули, атоми та інші мікрочастинки речовини перебувають у неперервному безладному хаотичному русі - тепловому русі. Тепловий рух є особливою формою руху матерії.

►    2. Експериментальними підтвердженнями теплового руху в газах, рідинах і твердих тілах є явища дифузії та броунівського руху.

►    3. Між атомами та молекулами будь-якої речовини одночасно діють сили взаємного притягання й відштовхування (міжмолекулярна взаємодія). Існування стійких твердих й рідких тіл пов’язане із силами міжмолекулярної взаємодії.

►    4. Температура - це фізична велична, яка характеризує ступінь нагрітості тіла. Температура визначається швидкістю теплового руху мікрочастинок тіла. Температура визначає тепловий стан тіла. Для вимірювання температури використовуються термометри. Для побудови температурної шкали використовують термометричне тіло і реперні точки.

►    5. Існують три агрегатних стани речовини - твердий (кристали та аморфні тіла), рідкий, газоподібний. Четвертим агрегатним станом є плазма. Відмінності тіл у різних агрегатних станах пояснюються відмінностями у розташуванні, характері теплового руху та взаємодії частинок речовини.

►    6. Під час нагрівання твердих тіл, рідин і газів їх об’єми та лінійні розміри збільшуються внаслідок теплового розширення. Процес розширення у різних тіл відбувається по-різному, що пояснюється відмінностями у внутрішній будові тіл.

►    7. Рідкі кристали - це речовини з унікальними властивостями, які подібно до рідин є текучими, а подібно до кристалів - мають упорядковану внутрішню будову. Полімери - це речовини, характерною ознакою яких є наявність у їх складі макромолекул, які являють собою довгі ниткоподібні ланцюги, побудовані з однакових атомів. Нанотехнології - це технології роботи з об’єктами, які мають лінійні розміри у декілька нанометрів.

Початковий рівень

1.    Яке з перерахованих нижче явищ є тепловим?

А Всесвітнє тяжіння.

Б Обертання електронів навколо ядра.

В Провисання проводів ліній електропередач.

Г Піднімання вантажу за допомогою важеля.

2.    Яка фізична величина визначає тепловий стан тіла?

А Тиск. Б Температура. В Густина. Г Швидкість.

3.    Чому дорівнює температура кипіння води за абсолютною шкалою?

А 373, 16 К. Б 273,16 К. В ОК. Г - 273, 15 К.

Середній рівень

4.    Як залежить температура тіла від швидкості руху його молекул?

А Температура підвищується, якщо швидкість зменшується.

Б Температура підвищується, якщо швидкість збільшується. В Температура знижується, якщо швидкість збільшується.

Г Температура не залежить від швидкості руху молекул.

5.    Який зв’язок між температурою за абсолютною шкалою та шкалою Цельсія?

 

8.    Як залежить швидкість броунівського руху від розмірів завислих частинок

А Збільшується зі збільшенням розмірів частинок.

Б Збільшується із зменшенням розмірів частинок.

В Зменшується із зменшенням розмірів частинок.

Г Не залежить від розмірів завислих частинок.

9.    Температура за шкалою Цельсія підвищилась на 20 ОС. На скільки градусів підвищилась температура за шкалою Кельвіна?

А На 32 K.    В на 20 K.

Б На 12 К.    Г на 52 К.

Високий рівень

10.    Чому наповнені газом гелієм гумові повітряні кульки з часом загублюють пружність і зморщуються?

А Тому що у повітрі відбувається броунівських рух завислих частинок.

Б Тому що матеріал, з якого виготовлені кульки, деформується.

В Тому що поверхня кульок зазнає дії атмосферного тиску.

Г Тому що відбувається дифузія гелію крізь оболонки кульок.

11.    Учені Інституту хімії високомолекулярних сполук HAH України (м. Київ) займаються одержанням полімерних матеріалів з новими властивостями. Поясніть, що вони для цього роблять. (Відповідь:).

А Роблять суміші наявних речовин

Б Роблять розчини наявних речовин

В Додають до наявних матеріалів хімічні добавки

Г Розташовують атоми наявних речовин в новому порядку

12.    Які довжини при O0C повинні мати мідна і залізна дротини, щоб різниця їх довжин при довільних температурах залишалась незмінною і дорівнювала 10 см. Коефіцієнт лінійного розширення міді а = 1,7 X IO 8K1, a коефіцієнт лінійного розширення заліза а = 1,2 X IO-8K"1

з

A I4= 34 см, I= 44 см;    В Iv= 44 см, I= 34 см;

Б I = 34 см, I = 24 см;    Г Ґ= 24 см, I= 34 см;

M    9 З    9    M    9 з    9

Задачі до розділу 1.

1.    Найбільш холодним озером в Україні є високогірне озеро Бребенескул (Чорногірський хребет найвищого гірського масиву Українських Карпат). Навіть спекотним літом вода у ньому прогрівається до максимальної температури 15°С. А якою є максимальна температура Бребенескула за шкалою Фаренгейта? Реомюра? (.Відповідь: 59°F; 12°R)

2.    В Інституті монокристалів (м. Харків) виростили один з найбільших у світі кристалів. Об’єм кристалу 180000 см3, а густи-

3.    Найбільший у світі монокристал золота був знайдений у Венесуелі. Він має об’єм 11284 мм3 та густину 19300^.. Визначте масу цього монокристалу. (Відповідь: 217,78 г). м3

4.    Однією з типових аморфних речовин є бурштин (окам’яніла смола стародавніх хвойних дерев). В Україні поклади бурштину знаходяться у багатьох областях, зокрема, у Дніпропетровській, Житомирській, Львівській, Волинській та Івано-Франківській. Один з найбільших шматків бурштину масою 1270 г і об’ємом 1200 см3 був знайдений у Львівській області. Визначте за цими 8 10 11 12 13

РОЗДІЛ 2. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ

•    Як Земля одержує енергію із Всесвіту?

•    Чи можна підвищити температуру тіла, не нагріваючи його?

•    Чому вітер називають «великим господарем пустелі»?

•    Чим пояснюється той факт, що клімат у країнах Західної Європи м’якіший, ніж в Україні?

•    Чи доцільно опускати металеву ложку у склянку перед наливанням окропу з метою попередження її розтріскування?

•    Чому продукція металургійного комбінату «За-поріжсталь» користується попитом не лише в Україні, але й за її межами?

•    За яких умов над водоймами утворюються тумани?

•    Внаслідок чого вода закипає швидше у закритій посудині, ніж у відкритій?

•    Чому у приміщеннях обігрівачі встановлюються біля підлоги, а кондиціонери - під стелею?

•    Як взимку на віконному склі утворюються дивовижні візерунки?

•    Для чого під час ожеледиці тротуари та автомобільні дороги посипають сіллю?

•    Чому при сильних морозах для одержання гладкої ковзанки її поливають гарячою водою?

 

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 12-08-2016, 13:07, Переглядів: 43160