Дендриты меди. Принцип самоподобия в природе

ЧТО ЭТО ?
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp904222b

Что общего?

Дендриты (от греч. δένδρον — «дерево»):- это сложные кристаллические образования древовидной ветвящейся структуры, представляющие собой пример фрактальных объектов.
Фрактал (от лат. Fractus- дроблёный, сломанный, разбитый) – объект, обладающий свойством самоподобия ( любая часть объекта в точности или приближённо подобна целому объекту). Пример фракталов – снежинки ( фото Бриттал Г.Э.)

Применение дендритов меди
Супергидрофобные поверхности, изготовленные с использованием этих дендритов, демонстрируют превосходные способности самоочищения, https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ra/c5ra22683j#!divAbstract

Эксперимент
Цель:
1)получить мелкие красивые
«веточки» дендритов меди;
2)Провести измерения;
3) Снять фильм роста кристаллов

Вещества, необходимые для проведения опыта:
1) сульфат меди (пентагидрат) CuSO4∙5 Н2О (медный купорос),
2) хлорид натрия NaCl (поваренная соль),
3) вода (Н2О),
4) агар-агар (пищевой загуститель).
Оборудование:
1) ёмкость на 400 мл,
2) пластиковый контейнер (1-2 шт.),
3) весы электронные для взвешивания веществ.
Ход работы:
1. Разведите агар-агар в воде по инструкции на пакете или баночке, (рекомендуемая в источнике -2 г на 100мл воды).
2. Доведите до кипения, постоянно помешивая (варианты - на магнитной мешалке или на плите)
3. Добавьте 15 г сульфата меди и 0,8 г хлорида натрия. Перемешайте.
4. В горячем виде разлейте раствор по ёмкостям, где толщина раствора должна быть 4-5 см

Наблюдение дендритных структур в природе

Модель дендрита

Методики
Дендриты можно получить в процессе реакции замещения ионов металла и восстановлении металлической меди. Способность металла переходить в раствор в виде ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на электроде характеризуется стандартным электродным потенциалом. У алюминия он меньше, чем у меди, поэтому алюминий отдаёт электроны, а медь получает и восстанавливается на границе сред алюминий-медь. На всём дендрите во время восстановления остаётся фиксированный потенциал.
Al0 - 3e = Al3+
Cu2+ + 2e = Cu0
3 CuSO4 + 2 Al = 3 Cu + Al2(SO4)3

Результаты
Медь – один из важнейших химических элементов, наночастицы которого в ряде случаев исследователи пытаются использовать вместо более дорогих золота и серебра в различных устройствах. Поэтому достаточно интересно исследовать процессы самопроизвольного формирования наночастиц и их агрегатов, в том числе, самоподобных дендритов, за счет протекания простых окислительно – восстановительных реакций.
Случайный рост кристаллов может привести к формированию красивых фрактальных объектов.
«Изучение и наблюдение природы породило науку», — писал Цицерон в первом столетии до нашей эры.

Выводы
В процессе данной работы были получены дендриты меди. Они росли в вязком растворе биологического полимера агар-агара в процессе реализация окислительно – восстановительной реакции замещения меди алюминием в солях. В процессе роста дендритов металлический алюминий отдавал электроны и переходил в раствор в виде ионов, ионы меди в виде растворенной соли получали электроны и оседали в виде металла на границе алюминий-медь, способствуя развитию дендрита, пока не заканчивались самые последние крупинки алюминия. Сначала появляются зародыши (наночастицы) меди непосредственно на поверхности фольги, они самоорганизуются в крупные образования - кластеры, а затем возникают красивые фрактальные (подобные кластеру) структуры.