Ликбез по химии: кислотный реверсинг микросхем (как обнажить кристалл микросхемы для последующего его фотографирования)
Введение
Если вы уже занимаетесь стравливанием и фотографированием микросхем, то мало что сможете почерпнуть из этой статьи. Однако, если вы хотите сфотографировать микросхему, но не знаете с чего начать, то эта статья определённо для вас. Кроме того, имейте в виду, что на первых шагах освоения этой увлекательной процедуры, вам скорее всего будет немного больно.
Пожалуйста, соблюдайте крайнюю осторожность, тогда вам больно хоть и будет, но не сильно. Также, если у вас есть хотя бы крохотная наклонность к здравому смыслу, – проводите данную процедуру в специально оборудованной химической лаборатории, под присмотром опытных специалистов; и не становитесь жертвой своей самонадеянности, думая, что после прочтения этого ликбеза, вы сразу сможете проводить данную процедуру самостоятельно. Более того, если вы без обращения к Google не знаете, что во что нужно лить (кислоту в воду или воду кислоту) и не знаете, чем для вас будет чревато это незнание, – пожалуйста прекратите читать этот ликбез и сначала запишитесь на курсы в какой-нибудь местный техникум, где есть хорошая химическая лаборатория.
Химическое оборудование
Если исходить из абсолютно необходимого минимума, то вам потребуется высококонцентрированная азотная кислота (HNO3) и серная кислота (H2SO4). Правомерность их приобретения варьируется от страны к стране. Если вы проживаете на территории страны, в которой правительство проявляет особую заботу об окружающей среде, вам вероятно потребуется другой метод (я слышал, что немцы добиваются хороших результатов при помощи канифоли). Кроме двух этих кислот, вам также потребуется изопропиловый спирт и ацетон, – в качестве растворителей, для зачистки. Помимо химикатов, вам также понадобится немного стеклянной посуды. К счастью, процедура довольно-таки проста, поэтому всё что вам потребуется, это несколько пробирок, несколько стаканов и кольцевой штатив с зажимом для бюретки.
- Приобретая зажимы, уже бывшие в употреблении, имейте в виду, что металл не должен соприкасаться со стеклянными стенками пробирок; на зажимах, уже бывших в употреблении, может отсутствовать прокладка (резиновая или тканевая), предохраняющая от царапин.
- Кислоты, с которыми вам придётся работать, могут вгрызаться в металл, поэтому запаситесь кислотоустойчивыми пинцетами. Как показывает практика, пинцеты имеют тенденцию теряться или гнуться, так что купите сразу десяток, чтобы решить эту проблему раз и навсегда.
- Поскольку кислотные пары, – в особенности пары азотной кислоты, – очень вредны, вам понадобится вытяжной шкаф, для надлежащего «обуздания» кислотного газа, который будет выкипать из пробирки, когда вы начнёте нагревать её.
- В качестве удобного индикатора того, до какого уровня поднялись кислотные пары, можно использовать термобумагу от авиа и ж/д билетов. При соприкосновении с кислотными парами термобумага чернеет или краснеет. Подвешенный над пробиркой билет даст вам визуальный сигнал, когда кислотные пары будут извергаться излишне бурно.
- Для очистки поверхности микросхемы растворителем, вы в принципе можете обойтись зубной щёткой, но предпочтительней и безопасней использовать ультразвуковые ванночки. Недорогие ультразвуковые ванночки можно найти у ювелиров, – они работают довольно-таки неплохо. Но будьте внимательны с тем, чтобы ваши очищающие растворители не растворяли пластиковые детали этих ультразвуковых ванночек.
- Наконец, вам понадобится источник регулируемого тепла. Вы наверняка уже радостно протянули руку за газовой горелкой Бунзена… Но она для нашей процедуры совершенно не подходит. Вместо неё лучше воспользоваться недорогой термовоздушной паяльной станцией, предназначенная для работы с SMD: печатными платами поверхностного монтажа. Например Aoyue 850A. Вращая регулятор воздушного потока термофена вблизи максимума и медленно поднимая его температуру, вы сможете нагревать пробирку до нужной температуры, и затем поддерживать её.
Химическая процедура
Форм-фактор вашего образца микросхемы должен быть минимальным, из всех тех, что доступны в продаже. Например, Texas Instruments MSP430F2012 поставляется в двух форм-факторах: PDIP (Plastic Dual Inline Package; Пластмассовый корпус с двухрядным расположением выводов) и QFN (Quad Flat No-leads; Квадратный корпус, без ножек). Хотя описываемая процедура применима для любых форм-факторов, QFN предпочтительней. Потому что он намного меньше и на нём меньше пластика, который в любом случае придётся вытравливать; а значит азотной кислоты для вытравливания QFN-образца потребуется гораздо меньше.
- Начните с подсоединения зажима бюретки к кольцевому штативу. И направьте сопло паяльной станции, чуть ниже дна пробирки. Но пока не включайте нагрев.
- Поместите микросхему в пробирку с количеством азотной кислоты, достаточным для того, чтобы она полностью скрылась под кислотой. По вкусу, можете добавить капельку серной кислоты (но не переборщите, а то она съест не только пластик, но и проволочные соединения). Из соображений самосохранения, вы довольно быстро научитесь проделывать эту процедуру за тот короткий промежуток времени, пока стекло ещё холодное; также как вы очень быстро, и довольно болезненно узнаете, что, как это ни странно, холодное стекло на вид точно такое же, как и горячее.
- Поместите пробирку в зажим для бюретки. Пробирка должна быть слегка под наклоном. Нижней стороной ближе к вам, верхней дальше от вас, – чтобы взрывные извержения кипящей кислоты, порой случающиеся, пролетали стороной от вашего лица.
- Итак, у вас есть микросхема, покрытая кислотой. Теперь настройте паяльную станцию на высокую скорость воздушного потока термофена и на слабый нагрев. Медленно поднимайте температуру, наблюдая за хорошо освещённым столбом кислотных паров. Идея заключается в том, чтобы найти такую температуру, при котором кислота кипит весьма интенсивно, но при этом столб кислотных паров над ней – остаётся ниже краёв пробирки и не вылетает наружу.
- Луч лазерной указки, направленный в пробирку, покажет точную высоту этого столба, поскольку кислотные пары, в отличие от чистого воздуха, будут подсвечиваться лазерным лучом.
- Перегрев пробирки приведёт к тому, что кислотные пары вылетят наружу, – заполнив собой либо вытяжной шкаф, либо лабораторию. В последнем случае всё находящееся в комнате железо начнёт ржаветь, ваши лёгкие станут гореть, и помимо всего прочего сработает пожарная тревога. Не делайте так.
- По мере кипения микросхемы в азотной кислоте, её корпус будет выкрашиваться по кусочкам. Это выкрашивание необходимо продолжать до тех пор, пока кислота не начнёт разъедать уже сам кристалл микросхемы, либо до тех пор пока кислота не утратит разъедающую способность.
- Вы можете заметить, что цвет кислотного раствора меняется. HNO3 после растворения меди становится зелёной или синей, – и это сигнализирует о том, что её способность разъедать пластик значительно снизилась. После того как кислота израсходовалась, дайте пробирке остыть, а затем вылейте её содержимое в пустой стакан.
- На данный момент кислота уже недостаточно сильна, чтобы разъедать корпус микросхемы, – но ещё достаточно сильна чтобы разъесть вашу кожу. Ожоги от HNO3 поначалу болят не сильно, и они кроме того светлые. Поэтому вы можете их сразу даже не заметить, за исключением пожелтевшей кожи, которая будет постепенно отслаиваться в течение недели (или около того). Иногда вы можете ощутить их как зуд, а не ожог. Поэтому если какое-то пятно на вашей руке начало зудеть, бегите как ошпаренный к раковине. H2SO4 горит более интенсивно. При её попадании на кожу ощущается резкая жгучая боль, и кожа покрывается красной сыпью.
- Итак, теперь, когда ваши познания простираются уже немного дальше, чем понимание того факта, что не стоит засовывать пальцы в пробирки с кислотой, воспользуйтесь пинцетом, чтобы осторожно вынуть кристалл микросхемы из кислоты, и опустите его в другой стакан – с ацетоном. Этот стакан (стакан ацетона) затем на несколько минут отправляется в ультразвуковую ванночку.
- На данном этапе кристалл, как правило, уже практически полностью обнажён. Наблюдаются лишь незначительные кусочки грязи. Однако если корпус микросхемы большой, то одной порции азотной кислоты может оказаться недостаточно (после первого раза кристалл всё ещё остаётся покрытым). Для достижения наилучшего результата, процедуру с HNO3 следует повторять до тех пор, пока на кристалле микросхемы останется совсем немного грязи. Затем, перед фото-сессией, кристалл должен принять ванну в H2SO4, где с него отчистятся оставшиеся крошки грязи.
- Эти две кислоты очень отличаются друг от друга по своему поведению. Вы обнаружите, что принимая ванну с H2SO4, ваша микросхема ведёт себя совершенно иначе, чем в ваннах с HNO3. У H2SO4 гораздо более высокая температура кипения, чем у HNO3, но она при этом хорошо отъедает корпус микросхемы даже ниже точки своего кипения. Вы также обнаружите, что в H2SO4 корпус микросхемы ни открашивается, а растворяется, а кислота при этом приобретает чернильно-чёрный цвет, и через неё из-за этого уже не получается разглядеть кристалл микросхемы, чтобы понять, пора его уже вытаскивать или ещё нет.
- После купания в H2SO4, несколько минут подержите кристалл в ультразвуковой ванночке. Всё, теперь он готов к фото-сессии.
Оборудование для фотосъёмки
Теперь, когда у вас есть обнажённый кристалл, вы можете его сфотографировать. Для этого потребуется металлографический микроскоп, – т.е. тот который высвечивает картинку отражающим светом, а не проходящим.
- Для фотографирования кристалла микросхемы, вы либо можете приобрести специальную камеру для микроскопа, либо воспользоваться цифровым зеркальным фотоаппаратом. У обоих вариантов есть свои преимущества, однако стоит отметить, что «специальные камеры для микроскопа», зачастую оказываются – самыми примитивными бюджетными вариантами веб-камер, с неудобным софтом, который работает только под Windows. Поэтому лучше воспользоваться цифровым зеркальным фотоаппаратом.
Процедура фотосъёмки. Какую бы камеру вы не использовали, вам не удастся сфотографировать всю микросхему одним снимком. Чтобы получить изображение всей микросхемы, её придётся сфотографировать по частям, и затем сшить эти части в единое изображение. Это можно сделать, воспользовавшись софтом, предназначенным для работы с панорамными снимками. - Для обеспечения наилучшего результата, каждый фрагмент изображения должен перекрываться примерно на треть, с изображениями до и после него, а также с соседними строками.
- После того как отснимите всю микросхему, загрузите полученные изображения в Hugin, на компьютере с достаточным объёмом оперативной памяти. Hugin – это утилита для сшивания панорамных изображений. Она, в числе прочего, хороша тем, что может исправлять ошибки, допущенные при фотографировании, если их не слишком много. Hugin сделает всё возможное для того, чтобы выровнять все фрагменты вашего изображения. На выходе она выдаёт либо почти идеальный рисунок, либо безобразную путаницу. Если эта путаница происходит из-за незначительной ошибки, вы можете внести через Hugin необходимые корректировки. Однако в случае серьёзных ошибок, таких как недостаточное перекрытие или плохой фокус, – нужно будет провести для кристалла микросхемы повторную фото-сессию. На следующем рисунке показана полная фотография кристалла (в уменьшенном разрешении) микросхемы Clipper. Фотография построена при помощи утилиты Hugin.
‘микросхема’
Приборы, способные растворяться в теле
Учёные США разработали ультра тонкие электронные устройства, способные растворяться в теле человека. Как заявляют учёные в журнале «Science», новое изобретение можно широко использовать в медицинских целях. Компоненты электронной схемы выполнены из силикона и оксида магния и помещены в защитный слой из шёлка. После того, как устройство выполнит все намеченные функции и исследование, его фрагменты полностью «растворяются». Пока эксперимент проводился на крысах.
На фото: микросхема растворяется при контакте с водой
Новая технология, определяемая как «транзиентная электроника», позволяет создавать электронные приборы, которые после завершения работы, способны растворяться в воде без остатка. «Транзиентная электроника» – продолжение и усовершенствование более ранних разработок.
Графен – новый материал для интегральных схем будущего
Графен получил мировое признание и известность совсем недавно, когда двое ученых были удостоены Нобелевской Премии по Физике за исследование уникальных свойств этого удивительного материала. Следующий шаг – использование графена для создания более компактных микросхем.
Исследователям уже удавалось создавать невероятно быстрые транзисторы с использованием графена. Сейчас они разрабатывают графеновый транзистор, который может работать в трех различных режимах, для реализации которых в обычном чипе потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Такие настраиваемые транзисторы позволят создавать более компактные и менее энергоемкие чипы для, например, беспроводных коммуникаций.
Графеновые чипы будущего, будут состоять из меньшего количества транзисторов, выполняя те же функции, что и их полупроводниковые аналоги, при меньшей себестоимости, более высокой степени интеграции (компактности), и меньшего энергопотребления. Очевидным становится перспективность применения чипов с графеновыми транзисторами в первую очередь в мобильных устройствах требовательных к компактности и энергоэффективности. Новый графеновый транзистор – устройство аналоговое, обычно применяемое в беспроводных коммуникациях: в мобильных телефоны, плеерах, Bluetooth гарнитурах.
Первый универсальный контролер для маломощных источников электроэнергии
Благодаря усилиям ученых и инженеров электроэнергию кажется можно получить практически отовсюду. Проблема заключается в том, что, как правило, источник альтернативной энергии не обеспечивает постоянной величины выходной мощности. Поэтому компания Cymbet Corporation разработала микроконтроллер EnerChip Energy Proccessor – универсальный контролер мощности для генераторов ультра низких значений мощности электрического тока.
EnerChip EP CBC915 является первым универсальным микроконтроллером в отрасли, и предназначен для использования в системах, генерирующих низкие и непостоянные значения мощности, таких как: фотоэлектрические, термоэлектрические, пьезоэлектрические и электромагнитные.
Микросхема EnerChip EP использует улучшенный вариант запатентованной технологии Maximum Peak Power Tracking (отслеживание максимальной пиковой мощности), которая позволяет изменять входное сопротивление получателя энергии в соответствии с вырабатываемой генератором мощностью.
Миниатюрные солнечные батареи открывают новые возможности
Если при словах “солнечная энергия” пред вашим взором предстают бескрайние поля фотоэлектрических панелей, вы видите только половину картины. Не менее интересные вещи происходят сейчас на противоположном краю шкалы. Простое масштабирование существующих систем не годится, когда речь заходит об изделиях с поперечником в считанные миллиметры, а иной раз и доли миллиметра.
Учёным, создающим микроскопические солнечные батареи, приходится “рисовать” такие системы с нуля, подбирая оригинальный дизайн и материалы. Незаметный на глаз “слоёный пирог” из полупроводников в малых масштабах работает несколько иначе — добиться хорошей эффективности тут непросто, а ведь ещё нужно подумать и о возможности недорогого серийного выпуска новинки.
EPU-6. Общий обзор технологии энергосбережения
Полезные «зеленые» технологии прерогатива не только мощных фабрик или перерабатывающих предприятий. Постепенно энергосберегающие технологии стали проникать во все сферы нашего быта. Компьютерная техника не стала исключением. Первым делом в 2006 году лишено было отказаться при изготовлении комплектующих для ПК свинцовых сплавов (технология ROHS). Теперь настало время подумать о спектре энергосберегающих технологий.
Технология энергосбережения сама по себе не нова. Она необходима, прежде всего, при проектировании портативных и переносных компьютеров (ноутбуков, коммуникаторов), где каждый ватт энергии ценится на вес золота.
Зачатки энергосберегающих технологий гиганты Intel и AMD вложили в свои процессоры еще 2003 году. С того времени появилось много технологий, в той или иной мере уменьшающих энергопотребление: Cool’&’Quiet, Speed Step, а так же различные состояния сна процессора. В ноутбуках применялись технологии уменьшения частоты системной шины, шины памяти, параллельно с частотами снижали и напряжение питания памяти и чипсета. Видеоадаптеры ноутбуков в случае работы в 2D режиме отключали часть неиспользуемой логики, а так же снижали частоты. Все это в купе продлевало время работы портативных устройств в разы.
В 2008 году сразу несколько крупных производителей материнских плат расширили функциональность своих детищ, внедрив технологии энергосбережения. Первопроходцами были Gigabyte и Asustek. Сегодня мы поговорим о технологии кампании Asus – Energy Processor Unit. Впервые материнские платы с EPU предоставляют целый комплекс средств для экономии энергии и снижения тепловыделения.
Первый уровень EPU это аппаратное решение – микросхема (процессор) следящий за распределением и потреблением энергии всех компонентов ПК. Второй уровень – программный комплекс тонкой настройки энергопотребления компьютера для всех случаев жизни.
Микросхемы: кремниевое сердце электроники
Без чего не работают смартфоны и ноутбуки, какое будущее у микросхемотехники и чем опасно производство микросхем
Ксения Рыкова для ПостНауки
Зачем нужны микросхемы? Чем важен кремний для электроники? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Микросхема, или чипы, — электронное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию, выраженную в единицах и нулях. Чипы работают на основе транзисторов — радиоэлектронных полупроводниковых элементов, которые управляют входящим электротоком. Главный элемент транзистора — p-n-переход (от англ. positive — положительный и negative — отрицательный): в нем соприкасаются полупроводники с противоположными типами проводимости.
В одной микросхеме умещается до миллиарда транзисторов, и это дает большие вычислительные мощности. На базе микросхем созданы современные компьютеры и умная электроника.
Принцип работы и устройство микросхемы
Основа смартфонов и ноутбуков — это монокристаллический кремний. На нем инженеры формируют микросхемы из электронных компонентов: резисторов, транзисторов и конденсаторов. Чтобы избежать помех, микросхеме нужен диэлектрик для изоляции транзисторов друг от друга и металлические развязки-проводники для соединения. Транзистор преобразует входной ток и передает простейшую информацию в виде единиц и нулей. Ими оперирует булева алгебра для базовых логических функций: отрицания, тождества, сложения и пересечения.
Регистры настраиваются под каждую логическую функцию, а после объединяются в единую схему — процессор или микроконтроллер. Они выполняют вычислительное действие. В современных микросхемах на один кристалл кремния миллиарды транзисторов, поэтому настраивает и размещает их компьютер, а не человек.
Производство микросхем
Кристаллы для микросхем выращивают по методу Чохральского: в расплав кремния помещается небольшой кусочек кремния, затем его медленно вращают, и он начинает вытягиваться и застывать. В итоге получается цилиндр монокристаллического кремния, его нарезают на несколько пластин. В кремний добавляют атомы различных элементов (мышьяк, фосфор, бор), формируя базовый элемент транзистора — p-n-переход. Пленка из оксида кремния изолирует транзисторы, а металлические развязки соединяют их между собой.
После этого в корпусе DIP (dual-in-line-package — прямоугольный корпус с двумя рядами контактов по бокам) кристалл соединяют с входами и выходами микросхемы. Как только кристалл распаян, то есть на нем появились контактные площадки, к ним приваривается проволочка и соединяется с ножками DIP. Затем микросхему помещают в корпус из эпоксида или пластика. При этом кристалл стоит поместить на медную или золотую подложку для отвода тепла: через микросхему в секунду проходит большой объем энергии, и нужна система охлаждения.
Микросхемы в основном делают на монокристаллах кремния, сырья для которого на планете очень много. Но есть и альтернативные материалы: сапфир, углерод, арсенид галлия, германий. Микросхемы на монокристалле сапфира отличаются тем, что их можно использовать в силовой электронике, когда в ход идут большие токи. Из-за этого их часто применяют в оборонных технологиях. Микросхемы из германия больше устойчивы к низким температурам, а галлиевые устройства подходят для работы с сигналами высоких частот (в диапазоне от гигагерца и выше) — в мобильной связи и Wi-Fi.
В качестве одной из альтернатив кремнию рассматривается углерод. У него есть три фазы: полупроводниковый карбин, проводящий графит и диэлектрик — алмаз, который можно использовать как полупроводник. Микросхемы на основе углерода позволят работать в широком температурном диапазоне. В устройствах на углеродных нанотрубках отсутствует p-n-переход, а его повреждение — частая причина поломки микросхемы.
Отдельный интерес представляют гибридные интегральные схемы — электронный компонент с элементом в виде сверхпроводника. Сверхпроводник позволяет избавиться от омических потерь — перехода энергии тока в тепловую энергию — и увеличить энергоэффективность. Благодаря этому тратится меньше энергии на единицу обработанной информации. На сверхпроводниках основан SQUID (Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерферометр) — магнитометр, который может измерять слабые магнитные поля.
Производство микросхем требует особых норм безопасности, соблюдение которых чрезвычайно важно. Для обработки кремния используется плавиковая кислота — она обжигает нервные окончания и растворяет кости. При фотолитографии используются канцерогенные растворители и добавки — они раздражают слизистую оболочку и кожу.
Когда микросхемы утилизируют, из них необходимо выделить драгоценные металлы — в основном золото, но также серебро или платину и так далее. Этот процесс также требует соблюдения норм экологической безопасности.
Параметры микросхемы
Главная задача микросхемы — быстрая и правильная обработка информации. Это зависит от нескольких параметров.
Один из них — это тактовая частота работы. Внутри чипа один транзистор может отличаться от другого, поэтому их нужно синхронизировать. Для этого используется кварц в качестве генератора частоты. Относительно него вся информация передается с заданной частотой такта. Чем чаще частота, тем больше передается информации. Быстродействие всей системы определяет и резистивная емкостная нагрузка элемента — это не только число транзисторов, но и проводимость их каналов.
Применение микросхем
Микросхемы выполняют вычислительные функции. Они интерпретируют и обрабатывают информацию, которая сводится к единицам и нулям и выражается булевой алгеброй. Из микросхем создаются разные устройства — от датчиков движения до средств машинного зрения и умных пылесосов.
До массового распространения микросхем распылители жидкости или газа в автомобиле были механическими. Форсунка настраивалась так, чтобы бензин впрыскивался в определенный промежуток времени. Сейчас инжекторы снабжены микроконтроллером, который управляет топливными клапанами — регулирует расход горючего.
Микросхемы используют в датчиках влажности воздуха на основе оксида олова. Например, конденсатор, в котором в качестве диэлектрика используется пористый оксид олова, меняет свою емкость, если в него попадает вода. Рядом с конденсатором присутствует интегральная схема, которая анализирует емкость и определяет значение влажности.
Поломки микросхем
Наиболее уязвимая часть микросхемы — это p-n-переход, основная часть транзистора. Между p- и n-областями образуется переходный слой, в котором нет свободных носителей заряда. Если в эту решетку попадает высокоэнергетическая частица — квант от солнца или иной звезды, — то она вносит носителей заряда, и появляется дополнительный ток носителей заряда. В итоге это может нарушить работу логической цепи или разрушить ее.
Из-за этой особенности для военных нужд долгое время использовали вычислительные машины на вакуумных лампах. Транзисторный приемник выйдет из строя при ядерном взрыве от высокоэнергетичных квантов, даже если устройство находилось далеко от эпицентра, а приемник на лампах продолжит работать.
P-n-переход в микросхемах может разрушаться и по естественным причинам. Когда чип работает, выделяется тепло, причем в больших количествах. Ускоряется диффузия (взаимопроникновение атомов веществ) элементов металлических соединений и примеси, с помощью которой по отдельности формировались p- и n-переходы. В итоге p-n-переход исчезает.
Удивительные микросхемы, растворяемые в воде.
Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте II Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/2017/13/26922.
Вода – краса природы! Эту красу мы видим повсюду: и в тихой речке, подернутой туманом, и в глубине озера, по которому белыми корабликами плывут лебеди, и в синем море, где режет волны быстроходный корабль. Эта краса и в тонкой струйке воды, которой мы умываемся. Она и в облаках, бегущих по безбрежному воздушному океану. И в грибном дождике, напоившем влагой каждый кустик. А что если бы не было воды? Об этом даже подумать страшно. Не было бы дождя, снега, высохли бы реки, моря, озера, сгорели бы травы и деревья. Значит, не было бы рыб, птиц, животных и человека. Не было бы жизни на Земле.
Вода – это не просто обычная жидкость. Это самое распространенное вещество в природе и главная составная часть всех живых организмов. Сколько воды на Земле? Много или мало? Землю иногда называют «Голубой планетой». Оказывается, вода покрывает 70 % поверхности Земли. Ученые подсчитали, что 97 % всех запасов воды на планете Земля приходится на соленые воды морей и океанов и только 3 % водных запасов – пресная вода, а это очень мало.
В природе ею заполнены чаши океанов, моря, озера, реки, болота. Есть и искусственные водоемы – пруды, водохранилища и каналы. Она есть также и в глубине Земли, и в ее атмосфере. Она постоянно совершает круговорот в природе. Когда солнце нагревает поверхность Земли, вода превращается в пары и попадает в атмосферу. Когда вода в атмосфере охлаждается, она образует облака. Затем некоторое количество этой воды вновь выпадает на Землю в виде дождя. Среди всех благ, подаренных нам природой, вода занимает особое место. Вода – это уникальное богатство живой природы. Нет такого человека, который бы не знал, как выглядит вода. Каждый день мы умываемся, чистим зубы, моем руки, принимаем душ, но часто мы не задумываемся, как к нам в дом попадает чистая вода и откуда она берется? Какими свойствами она обладает? И может ли случится такое, что вдруг воды не станет? Какая она чистая, качественная вода?
Однажды этот вопрос задала я сама себе. Поэтому я выбрала эту тему работы.
Актуальность темы: Вода главный компонент жизни. Она необходима для жизнедеятельности человека, растений и животных, поэтому, необходимо ее изучение.
Цель – уточнить и расширить знания о воде, её свойствах, значении для человека.
– Проанализировать научную информацию по теме;
– Изучить роль воды в жизни человека;
– Проанализировать влияние качества воды на здоровье человека, экология воды;
– Узнать, как очищают воду, какими свойствами обладает;
– Проделать опыты с водой.
Объект исследования: вода.
Предмет исследования: качество воды и ее свойства.
Гипотезой исследования я выдвинула утверждение, что человек неразумно относится к воде и она нужна ему. Каждый человек должен беречь воду!
Во время работы я использовала такие методы исследования:
– сбор информации из книг, журналов, газет;
Гипотеза. Вода не имеет вкуса, запаха, цвета, формы и текуча.
а) определим свойства жидкой воды, нальем в один стакан воду, в другой – молоко, в третий – компот из вишни. Сравним при помощи органов чувств воду, компот и молоко, определим цвет, вкус и запах воды. Опустим одну ложку в стакан с водой, другую – в стакан с молоком, третий – с компотом). Вода бесцветна, без вкуса, без запаха. Вода не имеет формы. Она принимает форму того сосуда, который заполняет. Капнем воду на любую поверхность. Посмотрим на ее форму. Добавим еще три-четыре капли. Большая капля воды растеклась. Это свойство воды называется текучестью. Им обладают все жидкости.
Вывод: у воды нет запаха, вкуса, формы, она прозрачна и текуча.
Гипотеза. В воде растворяются вещества.
б) Нальем в стакан воды, добавим ложку сахарного песка и размешаем. Вода станет сладкой. Нальем в другой стакан ложку соли и размешаем. Вода станет соленой. В воде растворяются и другие вещества. Минеральные вещества могут всасываться корнями растений, только растворившись в воде.
Вывод: вода- хороший растворитель.
Гипотеза. Вода удерживает тепло.
У нас по всему дому для обогрева проведены трубы, а в этих трубах- вода. Трубы греют наш дом и долго удерживают тепло.
Вывод: способность воды долго удерживать тепло – это свойство теплоемкость.
Гипотеза. Вода – единственное вещество на Земле, которое существует сразу в трех различных состояниях: жидком, газообразном и твердом.
1. Наливаем в чайник воды и доводим до кипения. Вода при кипении превращается в прозрачный водяной пар, который мы не видим. Этот процесс перехода жидкой воды в газообразное состояние называется испарением. Остывая на воздухе пар, превращается в туман. А туман – это мельчайшие капельки жидкой воды. Его то мы и видим, когда он струей вырывается из носика чайника вверх.
2. К носику чайника поставим холодную ложку. Она мгновенно покрывается мельчайшими капельками воды. Выносим ложку с каплями на мороз или положим ее в морозильник – ложка покроется ледяной коркой. Вносим ее в теплую комнату – в ложке вновь окажется вода. Мы вернули воду в начальное состояние.
Вывод: вода имеет три агрегатных состояния – твердое, жидкое и газообразное.
Гипотеза. Одно из свойств воды полностью противоречит всем законам природы и в то же время является одним из важнейших ее законов. Мы знаем, что при нагревании все вещества расширяются, при охлаждении – сжимаются, при замерзании объем воды увеличивается.
Если налить в бутылочку воду по горлышко, плотно закрыть и выставить на мороз. Бутылочка лопнет. Значит, при замерзании воды стало не меньше, а больше!
Вывод: вода при нагревании расширяется, при охлаждении – сжимается.
Эксперимент № 5. « Структура воды и как приготовить структурированную воду в домашних условиях?».
Гипотеза. На сегодняшний день известно несколько способов как приготовить структурированную воду в домашних условиях.
Есть два способа получить полезную структурированную воду в домашних условиях.
1. Берем чистую отфильтрованную воду, наливаем в эмалированную кастрюлю и ставим в морозильную камеру холодильника. Появившийся первый ледок, такая кромка льда – это та самая тяжелая вода с дейтерием, что замерзает при + 3,8 °С. Она нам не нужна, мы от нее избавляемся, оставляем в кастрюле, а остальную воду переливаем в другую посуду и снова ставим в морозилку.
Вода вновь начинает замерзать, и когда она промерзнет где-то на 2/3, в середине останется вода со сверхлегкими изомерами (они замерзают в последнюю очередь при ниже – 1 °С) в которой будут содержаться все грязные химические примеси. От этой воды мы тоже избавляемся, а тот лед, который получен нами в итоге – это чистейшая и полезнейшая вода, живая и идеально структурированная для нашего организма.
Вывод: структурированная вода- действует комплексно, способствуя оздоровлению и омоложению организма, стимулируя обмен веществ, высвобождает энергию для качественной жизни. Такая терапия структурированной водой дает быстрые результаты. Помните, что свежие фрукты, овощи, зелень содержат структурированную воду. Используйте максимально летнее время, чтобы напитать клетки тела, очистить и обновить свою водную структуру!
А вот что такое микросферы? Как сделаны медицинские изделия с микросферами «Альсария» я, наверное, изучу и напишу в следующем своем проекте, т.к. надо еще знать химию.
Эксперимент № 6. Социологический опрос.
Для того чтобы выяснить уровень знаний школьников о качестве питьевой воды и влиянии её на организм человека, я провел анкетирование среди школьников.
Результат опроса показал, что более половины опрошенных не употребляют сырую воду. На вопрос какую воду вы чаще пьете, 30 человек из 50 сказали кипяченую, 10 человек профильтрованную, и 10 сырую.
При опросе о качестве воды, выяснилось, что более 60 человек из 100 считают, что надо улучшить систему очистки, 38 человек считает, что надо чаще проверять воду на пригодность к использованию. Причина заключается в том, что население недостаточно информировано о последствиях воздействия некачественной воды на организм каждого из нас. Взрослые и школьники недооценивают вред, наносимый такой питьевой водой всем живым существам и человеческому организму.
Исходя из результатов, проведенного анкетирования, сделан вывод о том, что данная проблема актуальна и важна для каждого из нас. Многие имеют поверхностные, отрывочные знания о проблеме воздействия воды на живые организмы, в том числе и организм человека. Не каждый из опрошенных связывает имеющиеся заболевания, различные недомогания с качеством питьевой воды. Сделал выводы о значении воды.
В наши дни водная проблема стала одной из самых важных. Благодаря воде, на нашей планете зародилась и до сих пор существует жизнь. Мы привыкли к воде и часто забываем о том, что вода – это самая большая драгоценность на Земле. Но запасы воды не безграничны. Если исчезнет вода – исчезнет и жизнь. Наша планета станет такой же безжизненной планетой, как и другие планеты в солнечной системе.
Вода входит в состав каждой клетки! Воду пьют леса и поля. Без неё не могут жить ни звери, ни птицы, ни люди.
Всем нужна чистая вода. Она основа здоровой жизни. Но чистой воды становится все меньше и меньше. И виноваты в этом сами люди. В реки, озера сливаются сточные воды фабрик и заводов, а также вода используемая в быту. От загрязнения воды страдает все живое.
Давайте беречь воду, ту самую простую воду, что течет из водопроводного крана, плещется в реках и озерах, ту, что мы пьем из родника, ведь беречь воду – это означает беречь жизнь!
Экономия воды – это не жадность. Это бережливость, забота о поколениях людей, которые будут жить после нас.
Вода – чудесный объект неживой природы! Вода уникальна!
Удивительные вещества, смеющиеся в лицо науке
Сейчас мы, конечно, можем посмеяться над нашими предками, которые считали, что порох – это происки нечистого, но в мире и по сей день существуют материалы, созданные научным путем, проявление свойств которых смахивает на гребаное колдовство. Их трудно достать, а некоторые даже чертовски опасны, но это делает их еще более крутыми.
1. Галлий – металл, который плавится в руках
Ты, конечно, в курсе про существование жидкого металла – ртути. И, конечно, тебе известно, что любой металл плавится при высокой температуре. Но наш мир горазд на удивительные выдумки и полон необыкновенных вещей, например, существует твёрдый металл, который способен растаять, словно мороженое, у тебя в руке. Знакомься – галлий. Этот металл даже при небольшой термической обработке превращается в неопасную версию Роберта Патрика из «Терминатора 2».
Галлий легко плавится при комнатной температуре, так что для строительства чего бы там ни было он совершенно не годится. Разве что ты решил создать что-нибудь ради шутки. Очень короткой шутки. Ну, и еще с помощью галлия ты сможешь снискать себе славу великого фокусника, например, если размешаешь галлиевую ложку в горячей воде, то она раствориться за считанные секунды. И это еще не все. На Youtube можно найти кучу роликов, где люди издеваются над алюминиевыми предметами, ведь по какой-то причине галлий не очень ладит с алюминием и способен превратить баночку Pepsi или компьютерный радиатор в бумажную салфетку. Лично мы бы придумали более эпичный розыгрыш, например, капнули бы немного этой хрени на соседский велосипед, перед тем как сосед решит немного прокатиться вечерком по парковой зоне, но, возможно, именно поэтому закон запрещает нам приближаться к химикатам.
2. Газ, способный удерживать предметы
«Это вещество тяжелее воздуха.» Мда… Согласись, эта фраза способна вызвать легкий зевок. Давай по-новой? «Ты только посмотри, на что способно это дерьмо под названием гексафторид серы!»
Хоть раз в своей жизни ты баловался шариками с гелием, и в итоге твой голос походил на писк бурундука, особенно забавно говорить таким голосом грязные ругательства. Но не только гелий может изменять голос. Гексафторид серы можно назвать злобным братом-близнецом гелия. Вдохни шарик, наполненный этим газом, и ты заговоришь так, словно помимо глистов в тебе поселился еще и демон.
Полюбуйся на Нила Патрика Харриса
Причина подобного преображения заключается в том, что гексафторид серы в несколько раз тяжелее воздуха, в результате чего он понижает частоту любого звука, проходящего через него. По такому же принципу, но наоборот, работает гелий. А теперь представь, что ты можешь вытворить с этим газом, обладая такой ценной информацией. Например, если вылить газ в стеклянный контейнер, то он пройдёт через воздух и осядет на дне. Этот газ, как и вода, способен выдержать вес менее плотных предметов. Например, лодку из алюминия, которая будет парить в воздухе, как по волшебству.
Можешь глянуть и этот ролик, где парень берет стакан, черпает что-то невидимое глазу, на чем держится лодка, и выливает это нечто прямо на лодку. Лодка тонет.
3. Вещество, не переносящее воду
Звучит не так круто, как выглядит на деле. Видишь эту зеленую массу? Это не яблочное желе и не прямоугольный леденец, а вода на стеклянной плитке, окрашенная в зеленый цвет. Даже если ты размажешь ее по поверхности, она все равно примет свою изначальную форму. Это происходит, потому что края плиты обработаны гидрофобным материалом, с помощью которого поверхность буквально отталкивает капли. В середине плита не обработана, поэтому вся жидкость стекает туда. Если ты капнешь каплю воды на обработанную поверхность, то можешь воочию увидеть, как она удирает в сторону, где отсутствует гидрофобный материал.
Если намажешь этой дрянью палец и окунешь его в воду, он останется абсолютно сухим, а вокруг него образуется своеобразная пленка, по текстуре похожая на крошечный гандон, при этом вода в отчаянии убежит прочь от твоего пальца.
И еще один занимательный опыт можешь посмотреть на видео ниже: ложку опускают в воду, насыпают в нее песок, он превращается в нечто отвратное, похожее на кишки, а после ложку достают с идеально сухим песком.
4. Горячий лед
Горячий лёд, или ацетат натрия – это жидкость, которая затвердевает при малейшей стрессовой ситуации. Дотронься до него пальцем или крикни пару бранных слов, как вещество из жидкого состояния преобразуется в субстанцию из твердых ледяных кристаллов. Например, ты можешь вылить эту штуковину в контейнер, дотронуться до него пальцем или членом, смотря как тебе больше нравится, а после наблюдать, как белые кристаллы хаотично распределяются по всей поверхности, чтобы через несколько секунд превратиться в лед.
Ацетат натрия очень медленно остывает и способен сохранять жидкое состояние даже при минусовой температуре. Но если его «разбудить», то он понимает, что «проспал» все на свете, и начинает заниматься очень активной деятельностью, а именно, его частицы начинают быстро затвердевать.
5. Металл, обладающий памятью
Теперь полюбуйся на металл, который имеет память. Посмотрев ролик, размещенный ниже, ты увидишь, как небольшой моток проволоки, на первый взгляд самой обычной, при контакте с кипятком образует слово HOT ( «горячий»). Это нитинол, сплав титана и никеля, который способен принимать свою изначальную форму даже после деформации до неузнаваемости. Всё, что нужно, это вылить на него кипяток, и не важно, как сильно запутан и скручен провод, «запоминающий металл» приобретёт первоначальную форму. Как говорится, просто добавь воды. Современные инженеры на данном этапе изучения этого материала додумались создать лишь очки с оправой из нитинола. Интересно, доживем ли мы до момента, когда из него начнут делать машины.
6. Взрывной порошок
Йодистый азот немного похож на кучу грязи или порцию огородных удобрений, но только не вздумай использовать эту штуку на своем заднем дворе. Только если ты не любитель суперского хардкора. Эта субстанция крайне нестабильна, и даже легкого дуновения ветерка хватит, чтобы устроить мощный взрыв. Йодистый азот не нашел широкого практического применения, кроме как в сфере больных розыгрышей. После взрыва этот порошок оставляет красивое фиолетовое облачко.
Кроме того, в первом сезоне сериала «Во все тяжкие» его использует Уолт, чтобы взорвать притон наркодилера. Единственная промашка режиссера заключается в том, что Уолтер погиб, даже не дойдя до места, с подобным ядреным веществом в сумке.
6 удивительных веществ, смеющихся в лицо физике
Мы можем потешаться над нашими предками, которые всего несколько веков назад считали обычный порох и магнит колдовством. Но уверяем вас, даже в наше цивилизованное время есть вещества, чьи свойства способны немало удивить. Гарантируем, что обзаведясь набором из нашего списка, даже в 21-м веке вы сойдёте за первоклассного мага!
6. Металл, тающий в руках
О существовании жидких металлов осведомлены все — любой из них расплавится, если его нагреть до нужной температуры. Но наверняка вы даже не предполагали, что металл может растаять у вас на ладони, подобно мороженому. Всё, что вам нужно сделать — это добыть немного галлия, удивительного металла, словно пришедшего к нам из второго «Терминатора» (за той лишь разницей, что, в отличие от Т-1000, галлий не пытается вас убить).
Галлий тает при комнатной температуре, так что создавать из него что-либо бесполезно – жизнь такой вещи будет очень короткой. Разве что можете показать на вечеринке фокус — например, ложка из галлия легко растворяется в стакане горячей воды. Вам не понадобится даже кипятка – ложка начнет таять при температуре +30 градусов Цельсия.
А ещё галлий не дружит с алюминием — настолько, что с помощью нескольких его капель вы можете заставить банку из-под газировки рваться, как кусок бумаги. Причём галлию поддается не только тонкая жесть, но и гораздо более твердые предметы. Например, после нескольких его капель вы сможете смять рукой процессорный радиатор вашего компьютера, как настоящий супермен. Другое применение удивительного вещества – насолить вздорному соседу, смазав галлием его велосипед. Но это уже под вашу ответственность.
Пожалуй, все хотя бы раз пробовали этот трюк: вдохнув гелий из воздушного шарика, некоторое время вы разговариваете мультяшным голосом. Но гелий не единственный газ, который может так воздействовать на ваш речевой аппарат и голосовой диапазон. Гексафторид серы подобен злому близнецу гелия: стоит вдохнуть всего полшарика этого вещества, и вы заговорите зловещим басом. Гелий в 6 раз легче воздуха, а его антипод в 6 раз тяжелее, так что на связки он оказывает прямо противоположное воздействие.
Но изменение тембра голоса далеко не самая крутая вещь, которую можно проделать с этим газом. К примеру, если наполнить им резервуар, гексафторид серы «просочится» через обычный воздух и незаметно заполнит дно контейнера. Подобно воде, этот газ может выдерживать вес менее плотных объектов, удерживая их на поверхности так же, как этот кораблик из алюминиевой фольги, «левитирующий» в якобы пустом аквариуме.
4. Гидрофобные поверхности
Вот ещё одно вещество, абсолютно непримечательное до тех пор, пока вы не увидите его в действии. Например — это вовсе не желе или карамель, как может показаться на первый взгляд. Это просто окрашенная в зелёный цвет вода, собравшаяся на поверхности стекла. Вы можете попробовать расплескать её пальцем, но в итоге она снова вернётся к прежней форме. Это происходит потому, что сухая поверхность по краям обработана гидрофобным покрытием, отталкивающим воду настолько, что заставляет её принимать правильную форму параллелепипеда. Причём, даже если капнуть ещё одну каплю на обработанную поверхность, то она тут же устремится к остальной жидкости, уже скопившейся в необработанной части.
Если же вы покроете этим веществом палец и окунёте его в воду, то он не только останется совершенно сухим, но благодаря мощным водоотталкивающим свойствам такого покрытия вокруг него сформируется ещё и защитный слой воздуха. Это чудо химической промышленности предназначено в основном для создания водоотталкивающей пропитки для одежды. Но нам же хочется ещё и поиграть с ним, верно? Для этих нужд рекомендуем вам гидрофобный песок: сыпьте его в воду, создавая умопомрачительные структуры, из воды в итоге вы извлечёте совершенно сухой рассыпчатый песок.
3. Взрывающийся порошок
Трёхиодистый азот выглядит как комок земли, но использовать его вместо почвы станет только камикадзе. Потому что это вещество настолько нестабильно, что даже лёгкого прикосновения птичьим пером достаточно, чтобы произошёл взрыв. Кстати, при этом образуется эффектное фиолетовое облако.
Другое схожее вещество – фульминат серебра, или гремучее серебро. Как следует из названия, оно имеет особенность взрываться, детонируя от удара. Именно его использовал Уолт из сериала «Во все тяжкие», чтобы взорвать логово наркобарона в конце первого сезона.
Горячий лёд, известный под научным названием ацетата натрия, это жидкость, которая отвердевает при малейшем поводе. Достаточно тронуть её пальцем, чтобы она мгновенно превратилась в похожие на лёд кристаллы.
С помощью ацетата натрия вам запросто удастся поразить друзей, не разбирающихся в химии. Одно лёгкое прикосновение мгновенно запускает процесс кристаллизации, и контейнер с горячим льдом полностью «замерзает» в считанные секунды. Хотя технически, «замерзает» – неверное слово, потому что, отвердевая, ацетат натрия наоборот выделяет тепло. Кстати добавим, что это первый из опытов в нашем списке, который вы можете без опаски повторить дома.
1. Металл с памятью
Нет, последовательность на картинке не перепутана – залив горячей водой скрученный кусок проволоки вы действительно можете получить слово. Если, конечно, проволока сделана из нитинола, сплава титана и никеля, обладающего впечатляющей способностью «запоминать» свою изначальную форму. Всё, что нужно — это немного увеличить температуру, например, с помощью горячей воды. Независимо от того, насколько вы перекрутили и скомкали проволоку из нитинола, при нагреве он «вспомнит» свою прежнюю форму и вернётся в исходное состояние.
Естественно, что применений его чудесным свойствам огромная масса – от очков, которые можно запросто восстановить, если вы их погнули, до хирургических инструментов.
2 thoughts on “6 удивительных веществ, смеющихся в лицо физике”
Это вранье, что, в отличие от Т-1000, галлий не пытается вас убить! Галлий очень токсичен и попадание его на открытые участки кожи не безвредно. Конечно, кратковременный контакт с галлием вас не свалит с ног, но и зоровья не прибавит. Кроме того галлий тяжело вывести из окружающей среды, т. е. он загаживает среду обитания и медленно но уверенно убивает. Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно.
Клиническая картина острого отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины[5].
Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.
Так же хотелось бы узнать смысл заголовка. Что же здесь не так с физикой?
Добавить комментарий Отменить ответ
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.
