מעבדה מתקדמת בכימיה פיזיקלית - ניסוי 8

Colloidal suspension – a tool to observe the microscopic properties of material phases

תרחיפים קולואידים – נקודת מבט מיקרוסקופית על גזים ונוזלים

כמשתמע מכך שמערך ה-NMR הינו חלק מהמעבדה המתקדמת בכימיה פיזיקלית, מערך זה נועד ללמד את הפן הפיזיקלי של ה-NMR. ניתן לומר שהמעבדה בנושא זה משלימה את הקורסים יסודות התהודה המגנטית ותהודה מגנטית גרעינית בכימיה ובביורפואה. שלא כמו במעבדות בכימיה אורגנית ובקורס יישום שיטות פיזיקליות בכימיה אורגנית, שם מתמקדים באנליזה של הספקטרה, כאן החומרים פשוטים ביותר וכפועל יוצא גם הספקטרה פשוטים ביותר וההתמקדות היא בעקרונות השיטות ולא ביישומן.

כמו שאר המערכים במעבדה, גם כאן ישנם שלושה מפגשים שבנויים מן הקל אל הכבד – במפגש הראשון לומדים את הבסיס. למעשה, בסופו של המפגש הראשון מתקבל בסה"כ ספקטרום NMR חד מימדי הכי פשוט לכאורה, אבל מה שנלמד מאחוריו הוא כל הפרמטרים הבסיסיים ביותר. בשבוע השני לומדים ומבצעים מדידות רלקסציה והשבוע השלישי הוא שבוע חופשי בו נלמדים נושאים מתקדמים ב-NMR. הנושאים הספציפיים מתחלפים משנה לשנה ו/או ממדריך למדריך ויכולים להיות NMR דינמי, מעבר מגנטזציה, NMR דו ממדי, מדידות דיפוזיה או שלל ניסיונות מתקדמים אחרים.

תרחיפים קולואידים מורכבים מחלקיקים מיקרוסקופים מוצקים (בסדר גודל של מיקרון) שמורחפים בנוזל. חלקיקים אלו הם מספיק גדולים בכדי שנוכל לעקוב אחר תנועתם במיקרוסקופ אופטי ומספיק קטנים כך שיהיו מושפעים מתנועתם של מולקולות הנוזל ויבצעו תנועה תרמית מובחנת. מסיבות אלו תרחיפים קולואידים מהווים מערכת מודל מושלמת לחקר דינאמיקה ותרמודינאמיקה ברמה המיקרוסקופית. בפרט במעבדה זו אנו נתמקד בחקר הדיפוזיה של חלקיק בודד ובאפיון ההבדל במבנה במיקרוסקופי של גז ונוזל.

במהלך המעבדה נלמד להכין תרחיפים קולואידים, לצלם אותם במיקרוסקופ אופטי, להשתמש באלגוריתמים של עיבוד תמונה בכדי לחלץ מהסרטים את מיקום ותנועת החלקיקים ולקשר בין הנתונים האלו לדינאמיקה של החלקיקים, ולסידורם המרחבי.

מהלך העבודה:

שבוע ראשון – מפגש וחומר רקע.

שבוע שני – הכנת תרחיפים בריכוזים שונים וצילום סרטים, אנליזה של מסלולי החלקיקים.

שבוע שלישי – אנליזה: דיפוזיה, מקדם הדיפוזיה כתלות בריכוז.

שבוע רביעי – חישוב ה-pair correlation function והשוואה לתרחיף של כדורים קשיחים.

הסבר מפורט בקובץ Colloidal suspensions – procedure.

חומר לרקע תאורטי יינתן בשבוע הראשון.

שאלות הכנה לקראת הניסיונות בקובץ Colloidal suspensions – preparation.