Дендриты меди: реализация принципа самоподобия в природе

Актуальность

Медь – один из важнейших химических элементов, наночастицы которого в ряде случаев исследователи пытаются использовать вместо более дорогих золота и серебра в устройствах, которые основаны на управлении плазмонами – квазичастицами, символизирующими колебания электронного газа. Дендриты меди используют также для создания супергидрофобных покрытий. В этой связи достаточно интересно было исследовать процессы самопроизвольного формирования наночастиц, в том числе, самоподобных дендритов, за счёт протекания простых окислительно-восстановительных реакций.

Цель

Исследование технологии выращивания медного дендрита при электрохимическом замещении алюминия

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Фотокамера
• Весы электронные
• 3D-принтер
• Лабораторная посуда

Описание

Сначала были проведены наблюдения растений в природе. Строение листьев всех этих растений примерно одинаково. Лист состоит из симметрично расположенных к стебельку листочков, образующих подобие конуса. Каждый следующий лист повторяет форму и структуру предыдущего, но в уменьшенном размере. Наблюдаемые растения напомнили автору о ледяных узорах на оконных стёклах зимой.

Автор заморозил капли воды на стеклах, также были рассмотрены авторские фотографии снежинок. Автор смоделировал начало роста дендрита в программе Tinkercad и распечатал модель на 3D-принтере.

Первый эксперимент был проведён с железной пластинкой, опущенной в раствор сульфата меди. Пластинка в течение 3 часов покрылась тонкой медной плёнкой. Второй эксперимент был проведён в высоком сосуде: в раствор медного купороса добавили поваренную соль и сверху положили фольгу из алюминия. В течение часа выросли свисающие вниз древоподобные кристаллы меди.

В процессе экспериментов были сделаны выводы о том, что для выращивания дендрита в виде цветка надо взять низкий пластиковый контейнер и алюминиевую фольгу. Для того чтобы уменьшить окисление алюминия, надо взять раствор поваренной соли, а для замедления процесса – агар-агар.

Для третьего эксперимента взяли пластиковый сосуд, под него поместили миллиметровую бумагу. Сначала растворили и нагрели агар-агар, отдельно развели в 100 г воды 18 г медного купороса, добавили 3 г поваренной соли, смесь перемешали. Алюминиевый шарик диаметром 1 см углубили в раствор. Автор делал фотографии, фиксировал время и длину веточки дендрита. Дендрит вырос в течение 100 минут. А в виде цветка – через 24 часа.

Автор снял видеофильм о процессе роста дендрита.

Результаты работы/выводы

В работе были получены дендритные структуры меди, напоминающие растения. Снят видеофильм о процессе роста дендрита. В ходе экспериментов выявлены условия создания дендрита.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГУ им. М. В. Ломоносова, Факультет наук о материалах

Награды/достижения

1. Конкурс «Гениальные мысли» – победитель.
2. Научно-практическая конференция для школьников «Неорганическая химия и материаловедение: поколение NEXT» – обладатель поощрительного диплома.