Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I Теплові явища

РОЗДІЛ 1. ТЕПЛОВИЙ РУХ АТОМІВ І МОЛЕКУЛ. ТЕМПЕРАТУРА

§ 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.

Рис. «36. Молекули рідких кристалів мають витягнуту паличкоподібну форму і розташовуються у певному порядку:

а) модель внутрішньої будови рідкого кристалу;

б) молекули в рідкому кристалі розташовані в певному порядку

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 - молекули розташовані у певному порядку

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.

Рис. 37. Фотографії рідких кристалів, одержані при їх спостереженні за допомогою мікроскопу

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 розташування 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.

Рнс. 38. Пристрої на рідких кристалах використовуються у системах відображення інформації та вимірювальних приладах:

а) телевізор з рідкокристалічним екраном;

б) ноутбук з рідкокристалічним монітором;

в) рідкокристалічний індикатор для інтенсивної терапії (в медицині)

г) цифровий рідкокристалічний індикатор зміни температури і вологості повітря

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

Рис. 39. Моделі полімерних макромолекул:

а) розгалужена макромолекула полімеру;

б) макромолекула поліетилену

З біополімерів 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.

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 нанофізики, нанотехнологий 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) = 10-9м (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 наноматеріал «графен», у якому атоми Карбону з’єднані у «комірки» формою правильного шестикутника зі стороною 0,142 нанометра (рис. 41).

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.

Рис. 40. Вироби з полімерів: а) килими з натурального каучука для спортивних занять та побуту;

б) труби з поліетилену для систем водопостачання;

в) вікна з полівінілхлорида (ПВХ)

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

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

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

Рис. 41. Структура графену - найтоншої речовини у світі!

Рис. 42. Наноробот-медик може дістатися до важкодоступних частин організму та забезпечити можливість діагностування захворювання

Нанотехнології широко використовуються, зокрема, в матеріалознавстві для створення високоміцних матеріалів, в електроніці для створення електронно-обчислювальних машин наступного покоління, створення надпотужних і надмініатюрних 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 надщільний 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 нанопорошків?

Кераміка, виготовлена на основі нанопорошків 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 нанотрубок 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).

Рис. 43. Фулерени - великі молекули, що складаються з атомів вуглецю:

а) найбільш симетричний та найбільш досліджений фулерен С60;

б) за своєю формою фулерен С60 нагадує форму футбольного м’яча

Ще одне цікаве застосування нанотрубок - 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 конкурентноспроможними державами.

Рис. 44. Моделі вуглецевих нанотрубок:

а) вуглецева нанотрубка складається з молекул, які містять надзвичайно велике число атомів (близько 10°);

б) одне із найважливіших завдань в області нанотехнологій - це отримання вуглецевих нанотрубок «нескінченої» довжини.

Подумайте і дайте відповідь

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.

Рис. 45. Логотип компанії в IBM викладений окремими атомами з використанням нанотехнологій

СИСТЕМАТИЗУЄМО ЗНАННЯ З РОЗДІЛУ 1.

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 етап 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.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити