Британский физик Эрнест Резерфорд как-то сказал: «Науки делятся на две группы - на физику и собирание марок». Возможно, он был несколько категоричен, но его главная мысль, очевидно, верна: физика — важнейшая из наук, помогающая понять, как устроен мир. Возможно, некоторые интересные факты о физике побудят Вас узнать побольше об этой науке.
О физических свойствах атомов
- Если увеличить диаметр атома до размеров футбольного поля, его ядро будет занимать объём футбольного мяча.
- Если убрать свободное пространство атомов, оставив только частицы, чайная ложка получившегося «вещества» будет весить 5000 миллиардов килограмм. Именно из него состоят нейтронные звёзды.
О физике солнца
- На самом деле солнце белое, поскольку излучает во всех диапазонах. С Земли оно кажется жёлтым из-за того, что атмосфера Земли хорошо пропускает лучи из жёлто-красного диапазона, рассеивая лучи из зелёно-фиолетового.
- В полёте многие насекомые ориентируются по солнцу. Поскольку солнце находится довольно далеко от нашей планеты (около 150 000 000 км), его лучи можно считать параллельными, а потому, когда насекомому нужно двигаться прямо, ему достаточно держать некоторый одинаковый угол к его лучам. О появлении ламп — искусственных источников света — насекомых никто не предупреждал, поэтому в полёте они ориентируются и по ним, как по солнцу. Но лучи от лампы расходятся радиально, и выдерживание конкретного угла к ним подводит насекомых: они по спирали всё ближе подлетают к источнику света, пока не врежутся в него (но и после этого не понимают своей ошибки). Вот, почему комары слетаются вечером на лампы.
- Если бы удалось накопить энергию, которую солнце испускает за секунду, её хватило бы для обеспечения всего человечества в течение миллиона лет.
О звуковых волнах
- Первое сверхзвуковое изобретение человечества — это кнут. Из-за того, что его кончик движется быстрее звука, после взмаха кнутом слышен щелчок.
- Чем плотнее среда, тем быстрее в ней распространяется звук. Например, гранит проводит его в 10 раз лучше воздуха. А если зажать зубами наручные часы, их тиканье будет намного громче, поскольку звук будет распространяться в твёрдой среде.
- Шум достигает 90-100 децибелл. Такой же шум производит фабричный цех.
О физических свойствах воды
- Вода проводит электричество только за счёт ионов растворённых в ней веществ. Поэтому во время грозы купаться можно. Правда, только в дистиллированной воде.
- В разных агрегатных состояниях вода отражает свет по-разному: снег отражает 75% света, вода — 2%, а океанический лёд — 5%.
- При 4°С вода обладает максимальной плотностью. Именно благодаря этому её свойству происходит перемешивание слоёв в пресных водоёмах: вода на поверхности нагревается, обретает максимальную плотность, и опускается, а вода на дне — охлаждается, становится менее плотной и поднимается к поверхности.
Об атмосфере и её явлениях
- Почти весь кислород атмосферы имеет биогенное происхождение. До появления фотосинтезирующих бактерий атмосфера Земли была бескислородной.
- Температура молнии составляет 30000 К, что в пять раз больше температуры поверхности солнца.
- Хотя спектр радуги непрерывен, считается, что она состоит из семи цветов. Первым это число ввёл Исаак Ньютон, причём сначала он выделял только пять цветов (без оранжевого и синего). Однако впоследствии он добавил ещё два цвета, чтобы их стало семь, как основных тонов в музыкальной гамме.
Об истории физики
- Паровой двигатель был впервые изобретён греческим учёным Героном Александрийским в I н. э. Машина, получившая название эолопил, представляла собой запаянный котёл с двумя Г-образными трубками на крышке, на которых вращалась сфера, тоже имевшая, в свою очередь, две Г-образные трубки. В котёл заливалась вода, и отверстие затыкалось. При нагревании котла вода превращалась в пар и вырывалась через трубки на сфере, вращая её. Практического приложения этот механизм не нашёл и был забыт.
- В 1683 году Кристофер Рен поставил 40 шиллингов на то, что никто не сможет объяснить эллиптические орбиты планет в течение нескольких месяцев. Исаак Ньютон, услыхав об этом, принял вызов. Результатом стала книга «Математические начала натуральной философии», в которой он сформулировал свои знаменитые законы. Правда, денег за это он не получил, поскольку на написание книги потребовалось несколько лет.
- В 1897 годы Никола Тесла изобрёл радиоуправляемый корабль. Только через 100 лет такие игрушки стали продаваться в магазинах.
- В нацисткой Германии было запрещено получать Нобелевскую премию. Физики Джеймс Франк и Макс фон Лауэ отдали свои медали на хранение датчанину Нильсу Бору. Во время немецкой оккупации Копенгагена, химик де Хевеши растворил их в смеси соляной и азотной кислот, а по окончании войны выделил спрятанное в ней и отдал Шведской академии наук, где повторно сделали из него медали и вручили Франку и фон Лауэ.
Советский физик Лев Арцимович говорил, что наука - лучший способ удовлетворения личного любопытства (добавляя при этом «за государственный счет», но не это главное). Если все эти интересные факты о физике подогрели Ваше любопытство, не останавливайтесь на прочитанном: читайте больше, узнавайте, как утроен мир и, конечно, смотрите по сторонам!
1. Как зародилась жизнь?
Появление около 4 млрд лет назад первого живого существа из неорганического материала до сих пор окутано завесой тайны. Каким образом из относительно простых молекул, содержащихся в первобытном океане, формировались все более сложные вещества? Почему некоторые из них приобрели способность поглощать и преобразовывать энергию, а также самовоспроизводиться (два последних свойства представляют собой отличительные особенности живого)? На молекулярном уровне все эти события, несомненно, представляют собой химические реакции, а потому и вопрос возникновения жизни следует рассматривать в рамках химии.
Перед химиками не стоит задача разбираться в бесчисленном множестве сценариев того, как могла развиваться ситуация миллиарды лет назад. Участвовали или нет в создании самореплицирующихся полимеров (каковы молекулы ДНК или белков) неорганические катализаторы, например комочки глины; или существовал ли в далеком прошлом «РНК-мир», в котором «двоюродная сестра» ДНК (молекула РНК) катализировала реакции образования белков и появилась раньше других биополимеров.
Необходимо проверить справедливость данных гипотез, проводя химические реакции в пробирке. Уже показано, что некоторые относительно простые химические вещества могут взаимодействовать друг с другом с образованием «строительных блоков» таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, т.е. аминокислот и нуклеотидов соответственно. В 2009 г. группа молекулярных биологов под руководством Джона Сазерленда (John Sutherland) из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже продемонстрировала возможность получения нуклеотидов из молекул, предположительно имевшихся в первобытном океане. Другую группу исследователей заинтересовала способность некоторых РНК выполнять функции катализатора, свидетельствующая о возможном существовании РНК-мира. Так шаг за шагом можно проложить мостик от неживой материи к самовоспроизводящимся живым системам.
Теперь, когда мы многое узнали о наших соседях по Солнечной системе - о наличии воды на Марсе, об углеводородных озерах на Титане, спутнике Сатурна, о холодных соленых океанах, по-видимому, скрытых под ледяной коркой на Европе и Ганимеде, спутниках Юпитера, и о многом другом, - вопрос происхождения земных форм жизни стал частью глобальной проблемы: какие условия необходимы для зарождения жизни и в каких пределах могут варьировать ее химические основы? Круг вопросов еще более расширился за последние 15 лет, в течение которых за пределами Солнечной системы было обнаружено более 500 планет, обращающихся вокруг других звезд. Эти миры, отличающиеся необычайным разнообразием, еще предстоит исследовать.
Подобные открытия заставили химиков изменить свои представления о химических основах жизни. Так, долгое время считалось, что совершенно необходимая предпосылка ее зарождения - наличие воды. Сегодня ученые в этом не уверены. Может быть, вместо воды подойдет жидкий аммиак, формамид, жидкий метан либо водород в условиях сверхвысокого давления в верхних слоях Юпитера? И почему необходимой предпосылкой формирования живых систем должно быть появление именно ДНК, РНК и белков? Созданы же искусственные химические структуры, способные к самовоспроизведению без всяких нуклеиновых кислот. Возможно, достаточно просто некоей молекулярной системы, которая может служить матрицей для копирования самой себя?
«Анализ современных форм жизни, существующих на Земле, - говорит Стивен Беннер (Steven Benner) из Фонда прикладной молекулярной эволюции в Гейнсвилле, штат Флорида, - не дает ответа на вопрос, обусловлено ли сходство их фундаментальных черт (использование ДНК и белков) наличием общего предка или свидетельствует об универсальности жизни». Однако если упорно стоять на том, что мы обязаны оставаться в рамках уже известных фактов, то мы никуда не продвинемся.
2 Как образуются молекулы?
Строение молекул - основной предмет, изучаемый студентами химических специальностей, при этом графическое представление молекул в виде совокупности кружков и линий между ними, соответствующих атомам и химическим связям, - это чистая условность, к которой прибегают для удобства. Среди ученых до сих пор нет согласия по поводу того, какое изображение молекул ближе всего к реальности.
В 1920-х гг. немецкие физики-теоретики Вальтер Гайтлер (Walter Heitler) и Фриц Лондон (Fritz London) показали, что химическую связь можно представить, используя уравнения только что появившейся квантовой физики, а великий американский химик Лайнус Полинг (Linus Poling) выдвинул гипотезу, что связи образуются при перекрывании в пространстве электронных облаков разных атомов. Альтернативная теория Роберта Милликена (Robert Milliken) и Фридриха Хунда (Friedrich Hund) предполагала, что химические связи (за исключением ионных) представляют собой результат перекрывания атомных орбиталей внешних электронов взаимодействующих атомов и появления охватывающей эти атомы молекулярной орбитали. Здесь мы попадаем в сферу компетенции теоретической химии, по сути представляющей собой одну из областей физики.
Концепция образования химических связей путем перекрывания атомных орбиталей получила широкое распространение, однако не все считают, что она универсальна. Дело в том, что построенные на ее основе модельные структуры молекул исходят из ряда упрощающих предположений и, таким образом, представляют собой лишь приближение. В действительности любая молекула - это некая группа атомных ядер, погруженная в электронное облако, и ядра, образно говоря, соревнуются между собой в его «перетягивании на себя», так что вся конструкция «дышит» и видоизменяется. В существующих же ныне моделях молекулы - это статичные образования, построенные с учетом лишь части важных свойств.
В рамках квантовой теории нельзя дать общее определение химической связи, которое соответствовало бы представлениям о ней химиков, чья работа в конечном счете сводится к разрушению одних химических связей и образованию других. В настоящее время существует множество способов представления молекул в виде связанных друг с другом атомов. По мнению специалиста по квантовой химии Доминика Маркса (Dominick Marx) из Бохумского университета в Германии, почти все они «хороши в одних случаях и совершенно непригодны в других».
Используя компьютерное моделирование, сегодня можно с высокой точностью предсказывать структуру и свойства молекул, исходя из принципов квантовой механики, - но до тех лишь пор, пока число электронов, участвующих в образовании химических связей, относительно невелико. «Вычислительная химия позволяет получить максимально реалистичную картину происходящего», - говорит Маркс. Компьютерное моделирование можно рассматривать как виртуальный эксперимент, воспроизводящий ход химической реакции. Но как только число электронов приближается к нескольким десяткам, численные методы становятся бессильными даже при наличии мощнейших компьютеров. В связи с этим встает вопрос: каким образом, например, моделировать сложные биохимические процессы, протекающие в клетке, или поведение многокомпонентных систем?
3. Как влияют внешние факторы на наши гены?
Долгое время в биологическом сообществе господствовала идея, что индивидуальность каждого из нас определяется тем, какими генами мы обладаем. Однако не менее важно и то, какие из них мы используем. Как и всюду в биологии, последнее неразрывно связано с той же химией.
Клетки эмбриона на самых ранних стадиях дают начало тканям всех возможных типов. По мере его развития так называемые плюрипотентные стволовые клетки дифференцируются и превращаются в специализированные (клетки крови, мышечные, нервные клетки и т.д.). Последние сохраняют свои индивидуальные свойства на протяжении всей жизни организма. Формирование тела человека - это, по существу, химические превращения хромосом стволовых клеток, в результате которых изменяется набор функционирующих и молчащих генов.
Одно из революционных открытий в области клонирования и изучения стволовых клеток состоит в том, что упомянутые превращения обратимы. В процессе дифференциации клетки не инактивируют часть генов, поддерживая в рабочем состоянии только те, которые нужны сейчас. Они их выключают и поддерживают в состоянии боевой готовности. Данные гены могут активироваться, например, под действием определенных химических веществ внешней среды.
Особенно интересен и загадочен с точки зрения химии тот факт, что регуляция генной активности осуществляется на надатомном и надмолекулярном уровнях, при участии целых групп взаимодействующих друг с другом молекул. Хроматин - комплекс между ДНК и белками, образующий хромосомы, - имеет иерархическую структуру. Сначала двухцепочечная молекула ДНК обвивается вокруг частиц цилиндрической формы, состоящих из особых белков - гистонов. Затем образовавшаяся «нитка бус» укладывается в пространстве в структуры более высокого порядка. Клетка строго контролирует процесс укладки - от того, в каком месте в хроматине окажется данный ген, зависит его активность.
Перестройка структуры хроматина происходит при участии особых ферментов, играющих ключевую роль в клеточной дифференцировке. В эмбриональных стволовых клетках хроматин имеет рыхлую, неупорядоченную структуру, которая уплотняется по мере выключения генов в процессе дифференциров-ки.
Структурирование хроматина сопровождается химическими превращениями как ДНК, так и гистонов. К ним присоединяются небольшие молекулы - маркеры, указывающие клетке, какие гены выключить, а какие, напротив, включить. Такие метки носят название эпигенетических факторов, поскольку они не влияют на информацию, заключенную в генах.
До какой степени зрелые клетки можно вернуть в состояние плюрипотентности? Будут ли они обладать свойствами стволовых клеток, необходимыми для использования при регенерации различных тканей? Ответ зависит от того, в какой мере можно повернуть вспять эпигенетическое маркирование.
Совершенно очевидно, что помимо генетического языка, на котором записаны многие ключевые инструкции, клетки используют совершенно другой с химической точки зрения язык - эпигенетический. «Человек может иметь генетическую предрасположенность к какому-то заболеванию, например раку, но возникнет оно или нет, зависит от средовых факторов, действующих через эпигенетический канал», - говорит Брайан Тернер (Bryan Turner) из Бирмингемского университета в Англии.
4. Как мозг формирует память?
Мозг можно уподобить химическому компьютеру. Связь между нейронами, из которых состоят его «электрические цепи», осуществляется с помощью особых молекул - нейромедиаторов. Они высвобождаются одним нейроном, пересекают синаптическую щель, связываются с рецепторами другого нейрона, активируют его, тот приводит в действие третий и т.д. В результате нервный импульс распространяется по цепочке нейронов. Химическая природа умственной деятельности проявляется при запоминании, когда некая информация - номер телефона или какое-то событие -«отпечатывается» с помощью химических сигналов в виде различных состояний нервной сети. Как на основе химических процессов формируется память -одновременно стойкая и динамичная? Что значит -вспоминать, переосмысливать, забывать?
У нас есть ответы только на некоторые вопросы. Мы знаем, например, что безусловный рефлекс возникает в ответ на некий каскад биохимических процессов, ведущий к изменению количества нейромедиаторов в синапсе. Но даже у такого простого процесса есть кратковременная и долговременная составляющие. Более сложный феномен - так называемая декларативная память (на лица, на местность и т.д.) - имеет другой механизм и другую локализацию в головном мозге. Основным игроком здесь выступает имеющийся у некоторых нейронов рецептор нейромедиатора дофамина. Его блокирование мешает сохранению декларативной памяти.
Формирование каждодневной декларативной памяти часто опосредуется так называемой долговременной потенциацией, в которой участвуют дофаминовые рецепторы и которая сопровождается расширением области нейрона, образующей синапс. С расширением данной области укрепляется связь нейрона с его партнерами, проявляющаяся через увеличение разности потенциалов в синаптической щели под действием нервного импульса. Биохимия процесса стала более или менее ясна в последние несколько лет. Обнаружилось, что внутри нейрона образуются филаменты актина - белка, который формирует внутренний каркас клетки, определяющий ее размеры и форму. Процесс можно прервать, если воспрепятствовать стабилизации только что появившихся филаментов.
Долговременная память, раз сформировавшись, сохраняется благодаря включению генов, кодирующих особые белки. Есть основания полагать, что в их число входят прионы. Последние могут находиться в одной из двух альтернативных конформаций. В первом случае прионы легко растворимы, во втором - нерастворимы и переводят в это состояние все белковые молекулы данного типа, с которыми им довелось контактировать. В результате образуются крупные при-онные агрегаты, причастные к развитию различных нейродегенеративных расстройств. Именно такое негативное свойство прионов стало стимулом к их идентификации и изучению. Обнаружилось, что агрегаты выполняют в организме и полезные функции - они участвуют в сохранении памяти.
В истории о работе памяти все еще много белых пятен, заполнять которые предстоит биохимикам. Как толковать, например, понятие «вспомнить что-то», если это «что-то» хранится в нашей памяти? «Данная проблема, к решению которой мы только приступаем, очень трудна для понимания», - говорит нейрофизиолог, лауреат Нобелевской премии Эрик Кандел (Eric Kandel) из Колумбийского университета.
Говоря о химической природе феномена памяти, нельзя не коснуться такого вопроса, как воздействие на нее фармацевтических средств. Некоторые улучшающие память вещества уже известны. Среди них половые гормоны и синтетические соединения, действующие на рецепторы никотина, глутамата, серотина и других ней-ромедиаторов. Как замечает нейробиолог Гэри Линч (Gary Lynch) из Калифорнийского университета, тот факт, что к формированию долговременной памяти ведет длинная цепочка событий, указывает на наличие множества мишеней в организме, на которые могли бы быть нацелены «лекарства памяти».
5. Есть ли предел пополнению периодической системы элементов?
Периодическая таблица химических элементов, которая висит на видном месте в каждом кабинете химии, постоянно пополняется. С помощью ускорителей физики-ядерщики получают новые, сверхтяжелые элементы с большим числом протонов и нейронов в ядре, чем у тех 92, которые существуют в природе. Они не слишком стабильны, некоторые распадаются в течение долей секунды после рождения. Но пока подобные элементы существуют, они по своему статусу ничем не отличаются от остальных: имеют атомный номер и массовое число, обладают определенными химическими свойствами. В ходе хитроумных экспериментов исследованы некоторые свойства атомов сибор-гия и хассия.
Одна из целей таких исследований состоит в том, чтобы выяснить, существует ли предел расширения периодической системы, иными словами - проявляют ли сверхтяжелые элементы ту периодичность в своем поведении, которая и определяет их местоположение в таблице. Уже сейчас можно сказать, что одни удовлетворяют указанным требованиям, другие - нет. В частности, их массивные ядра притягивают электроны с такой силой, что те начинают двигаться со скоростью, приближающейся к скорости света. Как следствие, масса электронов драматически увеличивается, что может привести к дезорганизации энергетических уровней, от которых зависят химические свойства элементов, а значит - их положение в периодической таблице.
Есть надежда, что физикам-ядерщикам удастся найти остров стабильности - некую область, слегка выходящую за пределы нынешних возможностей получения синтетических элементов, в которой сверхтяжелые элементы будут жить дольше. Однако остается фундаментальный вопрос об их предельных размерах. Как показывают довольно простые квантово-механические выкладки, электроны могут удерживаться ядром, число протонов в котором не превышает 137. Более сложные вычисления отвергают данное ограничение. «Периодическая система не заканчивается номером 137; фактически она ничем не ограничена», - заявляет физик-ядерщик Вальтер Грейнер (Walter Greiner) из Университета Гете во Франкфурте-на-Майне, Германия. До экспериментальной проверки этого утверждения еще очень далеко.
6. Можно ли создать компьютер на основе атомов углерода?
Компьютерные чипы на основе графена - сетки из углеродных атомов - потенциально более «быстрые» и мощные, чем кремниевые. Получение графена принесло его создателям Нобелевскую премию по физике за 2010 г., но практическое применение подобной «углеродной» нанотехнологии зависит в конечном счете от того, сумеют ли химики создавать конструкции с атомной точностью. В 1985 г. были синтезированы фуллерены, полые замкнутые сетчатые структуры, целиком состоящие из атомов углерода, а шестью годами позже - углеродные нанотрубки с сетчатыми стенками. Ожидалось, что чрезвычайно прочные электропроводящие конструкции найдут самое широкое применение - от получения на их основе сверхпрочных композитных материалов до изготовления крошечных проводников и электронных устройств, миниатюрных молекулярных капсул и мембран для очистки воды. Однако весь потенциал реализовать пока не удалось. Так, не получается встраивать нанотрубки в сложные электронные цепи. В последнее время в центре внимания нанотехнологов оказался графит.
Его удалось разделить на сверхтонкие слои (это и есть графен), из которых можно изготавливать сверхминиатюрные, дешевые и прочные электронные схемы. Разработчики компьютеров, используя узкие, тончайшие полоски графена, смогут изготавливать более совершенные чипы, чем кремниевые. «Из графена можно получать конструкции, без труда соединяющиеся друг с другом и встраиваемые в электронные цепи», - говорит Уолт де Хир (Walt de Heer) из Технологического института Джорджии. Однако для создания графеновых электронных цепей метод травления, используемый в микроэлектронике, не годится - он слишком груб, так что сегодня графеновая технология - это предмет раздумий, а не реальные дела. Возможно, ключом к решению проблемы конструирования на атомном уровне станет применение методов органической химии - соединение друг с другом полиароматических молекул из нескольких гексагональных углеродных колец, аналогов небольших фрагментов графеновой сетки.
7. Можно ли улавливать больше солнечной энергии?
Каждый восход Солнца напоминает нам, что человек использует лишь малую долю энергии, которую дает наше светило. Основное препятствие на пути ее широкого применения - дороговизна кремниевых солнечных ячеек. Но сама жизнь на нашей планете, поддерживаемая в конечном счете благодаря фотосинтезу, который осуществляется зелеными растениями при поглощении ими солнечной энергии, свидетельствует о том, что солнечные ячейки не обязательно должны быть высокоэффективными, достаточно, чтобы их было много (как листьев на деревьях) и они были бы дешевы.
«Одно из наиболее перспективных направлений в разработке способов использования солнечной энергии - получение топлива», - говорит Девенс Гаст (Devens Gust) из Университета штата Аризона. Проще всего это сделать, расщепляя при помощи солнечного света молекулы воды с образованием водорода и газообразного кислорода. Натан Льюис (Nathan S. Lewis) и его сотрудники из Калифорнийского технологического института работают над созданием искусственного листа из кремниевых нанопроволочек, который осуществлял бы такое расщепление.
Недавно Дэниел Носера (Daniel Nocera) из Массачусетсского технологического института сообщил о создании кремниевой мембраны, в которой при участии фотокатализатора на основе кобальта действительно происходит расщепление молекул воды. По оценкам Носеры, из одного галлона (~ 3,8 л) воды можно получить столько топлива, что его будет достаточно для энергоснабжения небольшого дома в течение суток.
Развитие подобной технологии сдерживается отсутствием подходящих катализаторов. «Кобальтовый катализатор наподобие того, что использовал Носера, и новые катализаторы на основе других металлов - это в принципе то, что нужно, но они слишком дороги - говорит Гаст. - К сожалению, мы не знаем, как работает природный фотосинтетический катализатор на основе марганца».
Гаст и его коллеги намереваются создать молекулярные ансамбли для осуществления искусственного фотосинтеза, имитирующие природные. Им уже удалось синтезировать ряд веществ, которые войдут в один из таких ансамблей. Но на этом пути предвидятся серьезные препятствия. Органические молекулы, аналогичные тем, которые использует природа, нестабильны. Растения тут же заменяют их новыми, а искусственные листья на такое пока не способны: у них, в отличие от живых систем, нет биосинтетических механизмов.
8. Как лучше всего получать биотопливо?
Вместо того чтобы разрабатывать технологию получения топлива с помощью энергии Солн-цалне лучше ли использовать способность зеленых растений запасать энергию и превращать биомассу в топливо? Такие виды биотоплива, как этанол, получают из кукурузы, а биодизельное топливо - из семян, и эти продукты уже занимают определенное место на рынке. Но есть опасность, что в ход пойдет зерно, составляющее основу рациона человека. Особенно нежелательно это для развивающихся стран - экспорт биотоплива может оказаться очень прибыльным и оставит местное население без пищи. Кроме того, чтобы удовлетворить нынешние потребности в топливе, придется распахать огромные территории, занятые сегодня лесами.
Таким образом, переработка зерна в топливо, по-видимому, не лучшее решение. Один из выходов мог бы заключаться в использовании других, менее ценных видов биомассы. В США образуется достаточно много отходов земледелия и деревообрабатывающей промышленности, чтобы на одну треть удовлетворить потребности транспорта в бензине и дизельном топливе.
Переработка такой низкосортной биомассы требует расщепления прочных молекул, таких как лигнин и целлюлоза. Химикам уже известно, как это делать, но существующие методы слишком дороги, энергоемки и малопригодны для получения больших количеств топлива.
Джону Хартвигу (John Hartwig) и Алексею Сергееву из Иллинойсского университета недавно удалось преодолеть одну из самых серьезных трудностей в расщеплении лигнина - разрыв связей между атомами углерода и кислорода, которые соединяют друг с другом бензольные кольца. Они использовали катализатор на основе никеля.
Получение из биомассы топлива в промышленных масштабах подразумевает переработку твердого биоматериала на месте, с тем чтобы транспортировать полученную жидкость по трубам. Здесь возникает одна серьезная проблема - сырье сильно загрязнено различными посторонними примесями, а классическая каталитическая химия имеет дело только с чистыми веществами. «Как, в конце концов, удастся выйти из положения - пока не ясно», - говорит Хартвиг. Очевидно одно: задача в значительной мере относится к области химии, и ее решение сводится к поиску подходящего катализатора. «Почти все промышленные процессы связаны с использованием соответствующих катализаторов», - еще раз подчеркивает Хартвиг.
9. Можно ли разработать новые способы получения лекарственных веществ?
Химия в своей основе - наука созидательная и в то же время практическая. Она занимается получением молекул, из которых затем можно создавать самые разные продукты - от материалов с новыми свойствами до антибиотиков, способных уничтожать патогенные микроорганизмы, устойчивые к другим лекарственным средствам.
В 1990-х гг. на пике популярности находилась комбинаторная химия, когда тысячи новых молекул получали случайным соединением «строительных блоков» и отбирали продукты с нужными свойствами. Данное направление, провозглашенное вначале будущим медицинской химии, довольно скоро утратило актуальность, поскольку результат оказался близким к нулю.
Но, возможно, комбинаторную химию ожидает второе рождение. Оно состоится при условии, что будет получен достаточно широкий набор молекул определенного типа и найден способ выделения из этой смеси микроскопических количеств нужных веществ. На помощь готова прийти биотехнология. Например, каждую молекулу можно снабдить штрих-кодом на основе ДНК, что облегчит ее идентификацию и выделение. Альтернативный подход мог бы состоять в последовательном отбраковывании неподходящих кандидатов - своего рода дарвиновском отборе in vitro. Для этого можно представить аминокислотную последовательность белка - кандидата на роль лекарственного вещества - в виде нуклеотидной последовательности сегмента ДНК и затем, используя механизм репликации с заложенной в нем склонностью к ошибкам, получать все новые и новые варианты, приближающиеся к идеалу с каждым раундом репликации и отбора.
Другие новые методы основываются на внутренней способности некоторых молекулярных фрагментов соединяться друг с другом в заданной последовательности. Так, аминокислотная последовательность белков определяется соответствующими генами. Используя такой принцип, химики могли бы в будущем программировать молекулы с заложенной в них способностью к самосборке. Данный подход имеет то преимущество, что в нем минимизировано количество побочных продуктов, а это в свою очередь уменьшает энергоемкость процессов и расход материалов.
В настоящее время эту идею пытаются реализовать Дэвид Лиу (David Liu) и его коллеги по Гарвардскому университету. Они присоединили к каждому строительному блоку будущих молекул короткий сегмент ДНК, кодирующий линкер, а кроме того синтезировали некую молекулу, которая движется вдоль ДНК и последовательно присоединяет мономерные звенья к строительному блоку, руководствуясь инструкцией, закодированной в сегменте ДНК, - процесс, аналогичный синтезу белков в живой клетке. Метод Лиу может пригодиться для создания целевых лекарственных веществ. «Многие молекулярные биологи, имеющие отношение к фармакологии, считают, что макромолекулы будут играть все большую, а затем и главную роль в терапии», - говорит Лиу.
10. Возможен ли химический мониторинг нашего организма?
В последнее время в химии все более отчетливо проявляется тенденция к сближению с информационными технологиями, в частности к использованию химических продуктов для коммуникаций с живыми клетками. Сама идея не нова: биосенсоры с протекающими в них химическими реакциями стали использоваться для определения концентрации глюкозы в крови еще в 1960-х гг., хотя широкое распространение в мониторинге диабета они получили лишь недавно, с появлением недорогих портативных устройств. Сфера применения химических датчиков широка: это обнаружение различных вредных веществ в пищевых продуктах и воде при очень малых их концентрациях, определение уровня загрязнения атмосферы и многое другое.
Но есть еще одна область - биомедицина, - где потенциал химических датчиков может раскрыться в полной мере и принести неоценимую пользу. Например, некоторые продукты генов, ассоциированных с тем или иным онкологическим заболеванием, начинают циркулировать в кровотоке задолго до проявления видимых симптомов патологии, когда обычные методы тестирования ничего не обнаруживают. Ранняя идентификация таких химических предвестников рака позволит поставить более точный диагноз, а главное - сделать это своевременно. Быстрое построение геномного профиля даст возможность подобрать индивидуальную схему лечения и уменьшить вероятность побочных эффектов.
Некоторые химики предвидят наступление эры непрерывного, необременительного для пациента мониторинга самых разных биохимических маркеров состояния организма. Подобная информация может пригодиться хирургу прямо во время операции, она может быть передана автоматизированной системе введения медикаментов и т.д. Реализация этих идей зависит от того, будут ли разработаны химические методы избирательной идентификации маркеров, даже когда они присутствуют в организме в следовых количествах.
Какая наука богата на интересные факты? Физика! 7 класс - это время, когда школьники начинают изучать её. Чтобы серьезный предмет не казался таким скучным, предлагаем начать учебу с занимательных фактов.
Почему в радуге семь цветов
Интересные факты о физике могут касаться даже радуги! Количество цветов в ней определил Исаак Ньютон. Таким явлением, как радуга, интересовался ещё Аристотель, а персидским учёным суть ее открылась ещё в 13-14 веке. Тем не менее мы руководствуемся описанием радуги, которое Ньютон сделал в своей работе «Оптика» в 1704 году. Он выделил цвета с помощью стеклянной призмы.
Если внимательно посмотреть на радугу, то можно увидеть, как цвета плавно перетекают из одного в другой, образуя огромное количество оттенков. И Ньютон изначально выделил только пять основных: фиолетовый, голубой, зеленый, желтый, красный. Но ученый обладал страстью к нумерологии, и поэтому захотел привести количество цветов к мистической цифре "семь". Он добавил к описанию радуги ещё два цвета - оранжевый и синий. Так получилась семицветная радуга.
Форма жидкости
Физика - вокруг нас. Интересные факты могут удивить нас, даже если дело касается такой привычной вещи, как обычная вода. Мы все привыкли думать, что жидкость не имеет собственной формы, об этом говорит даже школьный учебник по физике! Однако это не так. Естественная форма жидкости - шар.
Высота Эйфелевой башни
Какова точная высота Эйфелевой башни? А это зависит от погоды! Дело в том, что высота башни колеблется на целых 12 сантиметров. Это происходит от того, что в жаркую солнечную погоду строение нагревается, и температура балок может доходить до 40 градусов по Цельсию. А как известно, вещества могут расширяться под воздействием высокой температуры.
Самоотверженные ученые
Интересные факты об ученых-физиках могут быть не только забавными, но и рассказывать об их самоотверженности и преданности любимому делу. Во время изучения электрической дуги физик Василий Петров удалил верхний слой кожи на кончиках пальцев, чтобы ощущать слабые токи.
А Исаак Ньютон ввел в собственный глаз зонд, чтобы понять природу зрения. Ученый считал, что мы видим потому, что свет давит на сетчатку.
Зыбучие пески
Интересные факты о физике могут помочь понять свойства такой занимательной вещи, как зыбучие пески. Они представляют собой Человек или животное не могут погрузиться в зыбучий песок полностью из-за высокой вязкости, но и выбраться из него очень сложно. Чтобы вытащить ногу из зыбучего песка, нужно приложить усилия, сравнимые с поднятием легкового автомобиля.
В нем нельзя утонуть, но опасность для жизни представляют обезвоживание, солнце, приливы. При попадании в зыбучий песок нужно лечь на спину и ждать помощи.
Сверхзвуковая скорость
Вы знаете, каким было первое приспособление, преодолевшее Обычный пастуший кнут. Щелчок, пугающий коров, это не что иное, как хлопок при преодолении При сильном ударе кончик кнута движется так быстро, что создает в воздухе ударную волну. То же самое происходит с самолетом, летящим со сверхзвуковой скоростью.
Фотонные сферы
Интересные факты о физике и природе черных дыр таковы, что иногда просто невозможно даже вообразить себе реализацию теоритических выкладок. Как известно, свет состоит из фотонов. Попадая под влияние гравитации черной дыры фотоны образуют дуги, области, где они начинают вращаться по орбите. Ученые полагают, что если поместить человека в такую фотонную сферу, то он сможет увидеть собственную спину.
Скотч
Вряд ли вы разматывали скотч в вакууме, но ученые в своих лабораториях это сделали. И выяснили, что при разматывании возникает видимое свечение и рентгеновское излучение. Мощность рентгеновского излучения такова, что позволяет даже делать снимки частей тела! А вот почему это происходит - загадка. Подобный эффект можно наблюдать при разрушении ассиметричных связей в кристалле. Но вот незадача - никакой кристаллической структуры в скотче нет. Так что ученым придется придумать другое объяснение. Не стоит опасаться разматывать скотч в домашних условиях - в воздухе никакого излучения не происходит.
Эксперименты на людях
В 1746 году французский физик и, по совместительству, священник Жан-Антуан Нолле исследовал природу электрического тока. Ученый решил узнать, какова скорость электрического тока. Вот только как это сделать в условиях монастыря…
Физик пригласил на эксперимент 200 монахов, соединил их с помощью железных проводов и разрядил в бедняг батарею из недавно изобретенных лейденских банок (они являются первыми конденсаторами). Все монахи отреагировали на удар одновременно, и это дало понять, что скорость тока чрезвычайно высока.
Гениальный двоечник
Интересные факты из жизни физиков могут подавать ложные надежды неуспевающим ученикам. Среди нерадивых учеников ходит легенда, что знаменитый Эйнштейн был самым настоящим двоечником, плохо знал математику и вообще завалил выпускные экзамены. И ничего, стал всемирно Спешим разочаровать: Альберт Эйнштейн начал проявлять недюжинные математические способности ещё в детстве и имел знания, намного превосходящие школьную программу.
Возможно, слухи о плохой успеваемости ученого возникли потому, что он не сразу поступил в высшую политехническую школу Цюриха. Альберт блестяще сдал экзамены по физике и математике, но в других дисциплинах нужное количество баллов не набрал. Подтянув знания по нужным предметам, будущий ученый успешно сдал экзамены в следующем году. Ему было 17 лет.
Птички на проводе
Вы замечали, что птицы любят сидеть на проводах? Но почему же они не погибают от удара током? Все дело в том, что тело - не очень хороший проводник. Птичьи лапы создают параллельное соединение, через которое протекает малый ток. Электричество предпочитает провод, который является лучшим проводником. Но стоит птице коснуться ещё какого-либо элемента, например, заземленной опоры, как электричество устремляется через её тело, приводя к гибели.
Люки против болидов
Интересные факты о физике можно вспомнить даже во время просмотра городских гонок "Формулы 1". Спортивные болиды движутся с такой большой скоростью, что между днищем машины и поверхностью дороги создается низкое давление, которого вполне хватит, чтобы поднять в воздух крышку люка. Именно так и произошло на одной из городских гонок. Крышка люка столкнулась со следующей машиной, возник пожар, гонка была остановлена. С тех пор во избежание несчастных случаев крышки люка привариваются к ободу.
Природный ядерный реактор
Один из самых серьезных разделов науки - ядерная физика. Интересные факты есть и здесь. Вы знали, что 2 миллиарда лет назад в районе Окло действовал самый настоящий природный ядерный реактор? Реакция протекала 100 000 лет, пока урановая жила не истощилась.
Интересен тот факт, что реактор был саморегулируемый - в жилу попадала вода, которая играла роль замедлителя нейронов. При активном ходе цепной реакции вода выкипала, и реакция ослабевала.
Cтраница 1
Интересная молекула F3NO также имеет тетраэдрическую структуру.
Эти интересные молекулы могут либо отдавать протон карбоксила, либо присоединять еще один протон к аминогруппе.
Ксенон образует ряд интересных молекул и ионов со фтором и кислородом. Укажите, на каких атомах в этих льюисовых структурах имеются отличные от нуля формальные заряды.
При попытке использовать измерения ЯЭО для более интересных молекул, чем приведенные в предыдущем разделе, мы столкнемся с некоторыми трудностями. Вероятно, большое число взаимодействующих протонов сделает невозможным расчет межъядерных расстояний. Предположение о равных корреляционных временах для всех межъядерных векторов, на котором основаны такие расчеты, скорее всего вообще не выполняется для больших молекул, и мы не должны забывать об этом. Для того чтобы добиться успеха в определении структур сложных молекул, мы должны частично забыть о двух основных принципах из разд. Мы будем считать, что наблюдаемая величина ЯЭО отражает относительную близость ядер, ио при этом надо помнить, что в некоторых случаях наши выводы могут быть неверны.
Прогресс, достигнутый за последние годы в области современной структурной химии, сводится в основном к определению структур ряда особенно интересных молекул и кристаллов.
Вместе с тем метод газовой хроматографии для исследования адсорбции отличается высокой чувствительностью, позволяющей изучать область малых заполнений, возможностью работать на серийной аппаратуре в широкой области температур и, следовательно, изучить адсорбционные взаимодействия большого числа интересных молекул разного строения. Однако при этом используется приближение теории нелинейной равновесной хроматографии. Сопоставление со статическими исследованиями показывает, что обычно критерием достаточной близости к равновесным условиям в колонке при проявительной хроматографии является, во-первых, совпадение размытой границы пика для разных проб (от нуля до точки перегиба изотермы) и, во-вторых, вертикальность противоположной границы пика.
В анионе [ СЮ2 ] - угол ОС1О равен 110 5, длина связи хлор - кислород - 156 пм. Интересной молекулой с аналогичным угловым строением является С1С2, в которой угол OC1Q равен 117 4, а расстояние С1 - О - 147 пм. Эта молекула необычна, так как хотя она парамагнитна, но в противоположность NO2, димеров (см. с. Поскольку связи С1 - О в ней заметно короче связей в хлорид-ионе, порядок связей должен быть больше. Простейший способ описать образование связей - исходить из строения диоксида серы и считать, что дополнительный электрон находится на разрыхляющей орбитали.
Мы хотим теперь поговорить об одной из самых интересных молекул - о молекуле бензола, диаграмма которой приведена на фиг. В нее входят по шести весьма симметрично расположенных атомов углерода и водорода. Каждая черточка на диаграмме представляет пару электронов с противоположными спинами, пляшущих танец ковалентной связи. Каждый атом водорода вводит в игру по одному электрону, а каждый атом углерода - по четыре, образуя в общей сложности систему из 30 участвующих в игре электронов.
Таким образом, изооктан дает только два первичных продукта: грег-бутилкатион и изобутилен. Здесь следует отметить несколько важных моментов, делающих изооктан наиболее интересной молекулой с точки зрения исследования карбоний-ионного механизма превращения алканов.
Выше были рассмотрены спектры труднолетучих галогенидов различных элементов, однако еще более труднолетучими являются окислы. Одним из первых объектов исследований была окись бора, но до сих пор проблемы строения и спектров этой очень интересной молекулы не разрешены, поэтому остановимся несколько подробнее на истории и технике исследований.
Теперь на примере наиболее простой молекулы - молекулярного иона водорода Щ - мы сначала выявим наиболее существенные черты теории строения молекул, а затем обсудим более сложные и химически более интересные молекулы.
Сравнивая протонные химические сдвиги 1 6 8 13 - б с-метано аннулена (31) и данные для 1 6-метано аннулена, можно прийти к заключению, что в 31 нет кольцевого тока, существование которого можно предполагать, исходя из числа jt - электронов. Как показывает изучение молекулярных моделей, между центрами 6, 7, 8 и 13, 14, 1 происходит сильное скручивание углерод-углеродных связей, которое настолько затрудняет эффективное перекрывание 2рг - орбиталей углерода, что здесь впервые соединение, имеющее число л-электронов, точно соответствующее правилу ароматичности Хюккеля, проявляет олефиновые свойства. Позднее мы еще вернемся к этой интересной молекуле.
Однако любая предлагаемая структура должна быть проверена путем сравнения спектра, предсказываемого на ее основании, с опытным. При этом следует указать на два обстоятельства. Для того чтобы такая сложная молекула, как [ Fe3 (CO) 12 ], имела сравнительно простой спектр, ее симметрия должна быть довольно высокой. Слабость полос представляется, таким образом, аргументом против наличия в молекуле кетонных мостиков. Однако тогда становится неясным вопрос о том, к чему же могут быть отнесены слабые полосы. Очевидно, что необходимы дальнейшие исследования этой интересной молекулы.
Страницы: 1
Если вы считаете физику скучным и ненужным предметом, то глубоко заблуждаетесь. Наша занимательная физика расскажет, почему птица, сидящая на проводе линии электропередач, не гибнет от удара током, а человек, попавший в зыбучие пески, не может в них утонуть. Вы узнаете, действительно ли в природе не существует двух одинаковых снежинок и был ли Эйнштейн в школе двоечником.
10 занимательных фактов из мира физики
Сейчас мы ответим на вопросы, которые волнуют многих людей.
Зачем машинист поезда сдает назад перед тем, как тронуться?
Всему виной сила трения покоя, под воздействием которой находятся стоящие без движения вагоны поезда. Если паровоз просто поедет вперед, он может не сдвинуть состав с места. Поэтому он слегка отталкивает их назад, сводя к нулю силу трения покоя, а затем придает им ускорение, но уже в другом направлении.
Существуют ли одинаковые снежинки?
Большинство источников утверждает: в природе не существует одинаковых снежинок, поскольку на их формирование влияет сразу несколько факторов: влажность и температура воздуха, а также траектория полета снега. Однако занимательная физика утверждает: создать две снежинки одинаковой конфигурации можно.
Это экспериментально подтвердил исследователь Карл Либбрехт. Создав в лаборатории абсолютно идентичные условия, он получил два внешне совершенно одинаковых снежных кристалла. Правда, следует отметить: кристаллическая решетка у них все-таки была разной.
Где в Солнечной системе находятся самые большие запасы воды?
Никогда не догадаетесь! Самым объемным хранилищем водных ресурсов нашей системы является Солнце. Вода там находится в виде пара. Его наибольшая концентрация отмечена в местах, которые мы называем «пятнами на Солнце». Ученые даже высчитали: в этих районах температура на полторы тысячи градусов ниже, чем на остальных участках нашей горячей звезды.
Какое изобретение Пифагора было создано для борьбы с алкоголизмом?
Согласно легенде, Пифагор, дабы ограничить употребление вина, сделал кружку, которую можно было наполнить хмельным напитком только до определенной метки. Стоило превысить норму хоть на каплю, и все содержимое кружки вытекало наружу. В основе этого изобретения лежит действие закона о сообщающихся сосудах. Изогнутый канал в центре кружки не позволяет ее наполнять до краев, «избавляя» емкость от всего содержимого в случае, когда уровень жидкости находится выше изгиба канала.
Можно ли превратить воду из проводника в диэлектрик?
Занимательная физика утверждает: можно. Проводниками тока являются не сами молекулы воды, а содержащиеся в ней соли, точнее их ионы. Если их удалить, жидкость потеряет способность проводить электрический ток и станет изолятором. Другими словами, дистиллированная вода является диэлектриком.
Как выжить в падающем лифте?
Многие считают: нужно подпрыгнуть в момент удара кабины о землю. Однако данное мнение неверно, поскольку предугадать, когда произойдет приземление, невозможно. Поэтому занимательная физика дает другой совет: лягте спиной на пол лифта, стараясь максимально увеличить площадь соприкосновения с ним. В этом случае сила удара будет направлена не на один участок тела, а равномерно распределится по всей поверхности — это значительно увеличит ваши шансы на выживание.
Почему птица, сидящая на проводе высокого напряжения, не гибнет от удара током?
Тела пернатых плохо проводят электрический ток. Прикасаясь лапами к проводу, птица создает параллельное соединение, но поскольку она является не самым лучшим проводником, заряженные частицы движутся не через нее, а по кабельным жилам. Но стоит птахе соприкоснуться с заземленным предметом, и она умрет.
Горы находятся к источнику тепла ближе равнин, но на их вершинах гораздо холоднее. Почему?
Этот феномен имеет очень простое объяснение. Прозрачная атмосфера беспрепятственно пропускает солнечные лучи, не поглощая их энергию. Зато почва отлично впитывает тепло. Именно от нее потом и прогревается воздух. Причем чем выше его плотность, тем лучше он удерживает получаемую от земли тепловую энергию. Но высоко в горах атмосфера становится разреженной, а потому и тепла в ней «задерживается» меньше.
Могут ли засосать зыбучие пески?
В фильмах нередко встречаются сцены, где люди «тонут» в зыбучих песках. В реальной жизни — утверждает занимательная физика — подобное невозможно. Выбраться самостоятельно из песчаного болота у вас не получится, ведь чтобы вытащить только одну ногу, придется приложить столько усилий, сколько тратится на подъем легкового автомобиля средней массы. Но и утонуть вы тоже не сможете, поскольку имеете дело с неньютоновской жидкостью.
Спасатели советуют в таких случаях не делать резких движений, лечь спиной вниз, раскинуть руки в стороны и ждать помощи.
Существует ли в природе ничто, смотрите в видео:
Удивительные случаи из жизни известных физиков
Выдающиеся ученые в большинстве своем фанатики своего дела, способные ради науки на все. Так, например, Исаак Ньютон, пытаясь объяснить механизм восприятия света человеческим глазом, не побоялся поставить опыт на себе. Он ввел в глаз тонкий, вырезанный из слоновой кости зонд, одновременно надавив на тыльную часть глазного яблока. В результате ученый увидел перед собой радужные круги и доказал таким образом: видимый нами мир — не что иное, как результат давления света на сетчатку.
Русский физик Василий Петров, живший в начале XIX века и занимавшийся изучением электричества, срезал на своих пальцах верхний слой кожи, чтобы повысить их чувствительность. В то время еще не существовало амперметров и вольтметров, позволявших измерять силу и мощность тока, и ученому приходилось делать это наощупь.
Репортер спросил А. Эйнштейна, записывает ли он свои великие мысли, и если записывает, то куда — в блокнот, записную книжку или специальную картотеку. Эйнштейн посмотрел на объемистый блокнот репортера и сказал: «Милый мой! Настоящие мысли приходят так редко в голову, что их нетрудно и запомнить».
А вот француз Жан-Антуан Нолле предпочел поставить эксперимент на других, Проводя в середине XVIII века эксперимент по вычислению скорости передачи электрического тока, он соединил 200 монахов металлическими проводами и пропустил по ним напряжение. Все участники эксперимента дернулись практически одновременно, и Нолле сделал вывод: ток бежит по проводам ну о-о-очень быстро.
Историю о том, что великий Эйнштейн был в детские годы двоечником, знает практически каждый школьник. Однако на самом деле Альберт учился очень хорошо, а его знания по математике были гораздо глубже, чем того требовала школьная программа.
Когда юный талант попытался поступить в высшую политехническую школу, он набрал высший балл по профильным предметам — математике и физике, но по остальным дисциплинам у него оказался небольшой недобор. На этом основании ему было отказано в приеме. На следующий год Альберт показал блестящие результаты по всем предметам, и в возрасте 17 лет стал студентом.
Забирай себе, расскажи друзьям!
Читайте также на нашем сайте:
Показать еще
Загрузка...