Цікаві короткі факти про фізику. Велика енциклопедія нафти та газу

Фізика часто асоціюється зі нудною та складною темою. Але часто ми навіть не усвідомлюємо, скільки фізичних явищ ми бачимо та використовуємо у нашому повсякденному житті.

Фізика може бути досить цікавою. Замість того, щоб говорити про складні рівняння, ми розповімо вам про цікаві та цікаві факти з фізики.

атом

Всі навколишні предмети складаються з атомів. Атоми настільки малі, що за час, поки ми дописуємо цю пропозицію, могло б утворитися 100 000 атомів.

Насправді першими про існування атомів заговорили греки ще 2400 років тому. Але ідея про атоми прийшла і пішла і до неї не поверталися до 1808, коли Джон Делтон показав на досвіді, що атоми дійсно існують.

Атоми входять до складу молекул предметів, якими ми користуємося щодня, які ми торкаємось і бачимо. В одній піщинці настільки багато атомів, що їх кількість можна порівняти з кількістю самих піщин на пляжі.

Тверді тіла та рідини

Тверді тіла жорсткі, оскільки їх молекули щільно утримують одна одну: тут молекули вишикувані у прямий ряд. Молекули твердих тіл не можуть рухатися довкола один одного, тому вони залишаються нерухомими (хоча їхні атоми постійно вагаються).

У рідині, з іншого боку, молекули також щільно тримаються одна за одну, але не настільки сильно як у твердих тілах, тому вони можуть рухатися довкола та змінювати форму. Однак рідина неможливо стиснути, оскільки її молекули і так розташовуються дуже щільно одна до одної.

Молекули газу слабо пов'язані один з одним, тому вони можуть поширюватися та заповнювати простір. Крім того, молекули газу можуть стискатися до дрібніших розмірів.

Існують текучі та густі рідини, наприклад, вода та мед. Щільність рідини визначає її в'язкість.

Цікаво, але скло не є твердим тілом. Насправді скло - це рідина, але воно настільки в'язке, що ми не можемо помітити, як воно тече. Внизу старих вікон можна помітити, що скло набагато товстіше: це пояснюється тим, що згодом скло витекло вниз.

Нагрівання та охолодження

Коли предмети нагріваються, вони стають більшими: це явище має назву «теплове розширення». Гази, рідини та тверді тіла завжди розширюються при нагріванні.

Ви можете провести кумедний експеримент: поставте відкриту пластикову пляшку в холодильник. Коли пляшка охолоне, надягніть на її шийку кульку, а потім покладіть пляшку в тазик з гарячою водою. Кулька наповниться повітрям сама по собі. Після цього помістіть пляшку з кулею назад у холодильник: після того, як пляшка знову замерзне, кулька здувається. При нагріванні повітря у пляшці розширюється і надходить у кульку, оскільки йому мало простору ємності. При охолодженні предмети набувають свого початкового розміру.

Також у випадку, коли металева кришка застрягне у банку, ви можете поставити її під гарячу воду, і вона відкриється. Метал розширюється сильніше ніж скло, тому кришка послабиться. Різні матеріали розширюються по-різному: все залежить від того, наскільки близько розташовані одна до одної молекули матеріалу.

Інші факти з фізики

Під час їзди на швидкості 80 кілометрів на годину автомобілі використовують близько половини свого палива просто, щоб подолати опір вітру.
Вода може йти проти сили тяжіння, рухаючись вгору вузькими трубами в процесі, званому капілярне явище.
Блискавка в 3 рази гарячіша, ніж Сонце.
Можна перетворювати графіт на алмаз, застосовуючи температуру 3000 градусів Цельсія і тиску 100 000 атм.
У середньому наші тіла постійно опираються атмосферному тиску близько 1 кілограма на квадратний дюйм.
Блискавка вдаряє близько 6000 разів на хвилину на нашій планеті.
Через гравітаційні ефекти, ви важите трохи менше звичайного, коли Місяць знаходиться прямо над головою.
Коли водень згоряє повітря, утворюється вода.
"Світловий рік" є мірою відстані, але не часу. Вона визначається як відстань, що світло долає за один рік. Світло рухається зі швидкістю близько 300 тисяч кілометрів кожну секунду, так що за один рік, він проходить близько 9.500.000.000.000 кілометрів.
Світло не має маси, але має вагу. Вага є виміром сили тиску щось, і світло може бути вигнутий під дією сили тяжіння.

1. Як зародилося життя?

Поява близько 4 млрд років тому першої живої істоти з неорганічного матеріалу досі оповита завісою таємниці. Яким чином із відносно простих молекул, які у первісному океані, формувалися дедалі складніші речовини? Чому деякі з них набули здатності поглинати і перетворювати енергію, а також самовідтворюватися (два останні властивості є відмінними рисами живого)? На молекулярному рівні всі ці події, безперечно, є хімічними реакціями, а тому й питання виникнення життя слід розглядати в рамках хімії.

Перед хіміками не стоїть завдання розбиратися в безлічі сценаріїв того, як могла розвиватися ситуація мільярди років тому. Брали участь у створенні самореплікованих полімерів (які молекули ДНК або білків) неорганічні каталізатори, наприклад грудочки глини; чи існував у далекому минулому «РНК-світ», в якому «двоюрідна сестра» ДНК (молекула РНК) каталізувала реакції утворення білків і з'явилася раніше за інші біополімери.

Необхідно перевірити справедливість цих гіпотез, проводячи хімічні реакції у пробірці. Вже показано, деякі відносно прості хімічні речовини можуть взаємодіяти друг з одним з утворенням «будівельних блоків» таких біополімерів, як білки і нуклеїнові кислоти, тобто. амінокислот та нуклеотидів відповідно. У 2009 р. група молекулярних біологів під керівництвом Джона Сазерленда (John Sutherland) з Лабораторії молекулярної біології в Кембриджі продемонструвала можливість отримання нуклеотидів з молекул, які, ймовірно, були в первісному океані. Іншу групу дослідників зацікавила здатність деяких РНК виконувати функції каталізатора, що свідчить про можливе існування РНК світу. Так крок за кроком можна прокласти місток від неживої матерії до живих систем, що самовідтворюються.

Тепер, коли ми багато чого дізналися про наших сусідів по Сонячній системі - про наявність води на Марсі, про вуглеводневі озера на Титані, супутника Сатурна, про холодні солоні океани, мабуть, приховані під крижаною кіркою на Європі та Ганімеді, супутниках Юпітера, і багато чого іншого, - питання походження земних форм життя став частиною глобальної проблеми: які умови необхідні зародження життя й у яких межах можуть варіювати її хімічні основи? Коло питань ще більше розширилося за останні 15 років, протягом яких за межами Сонячної системи було виявлено понад 500 планет, що обертаються довкола інших зірок. Ці світи, що відрізняються надзвичайною різноманітністю, ще належить дослідити.

Подібні відкриття змусили хіміків змінити свої уявлення про хімічні основи життя. Так, довгий час вважалося, що необхідна передумова її зародження - наявність води. Сьогодні вчені цього не впевнені. Можливо, замість води підійде рідкий аміак, формамід, рідкий метан чи водень за умов надвисокого тиску верхніх шарах Юпітера? І чому необхідною передумовою формування живих систем має бути саме ДНК, РНК і білків? Створено ж штучні хімічні структури, здатні до самовідтворення без будь-яких нуклеїнових кислот. Можливо, чи достатньо просто якоїсь молекулярної системи, яка може служити матрицею для копіювання самої себе?

«Аналіз сучасних форм життя, що існують на Землі, - каже Стівен Беннер (Steven Benner) з Фонду прикладної молекулярної еволюції в Гейнсвіллі, штат Флорида, - не дає відповіді на питання, чи обумовлена схожість їх фундаментальних рис (використання ДНК та білків) наявністю загального предка чи свідчить про універсальність життя». Однак якщо наполегливо стояти на тому, що ми повинні залишатися в рамках вже відомих фактів, то ми нікуди не просунемося.

2 Як утворюються молекули?

Будова молекул - основний предмет, що вивчається студентами хімічних спеціальностей, у своїй графічне уявлення молекул як сукупності гуртків і ліній з-поміж них, відповідних атомам і хімічним зв'язкам, - це чиста умовність, до якої вдаються зручності. Серед вчених досі немає згоди щодо того, яке зображення молекул найближче до реальності.

У 1920-х роках. німецькі фізики-теоретики Вальтер Гайтлер (Walter Heitler) і Фріц Лондон (Fritz London) показали, що хімічний зв'язок можна уявити, використовуючи рівняння квантової фізики, що щойно з'явилася, а великий американський хімік Лайнус Полінг (Linus Poling) висунув гіпотезу, що перекривання у просторі електронних хмар різних атомів. Альтернативна теорія Роберта Міллікена (Robert Milliken) і Фрідріха Хунда (Friedrich Hund) припускала, що хімічні зв'язки (за винятком іонних) є результатом перекриття атомних орбіталей зовнішніх електронів взаємодіючих атомів і появи молекулярної орбіталі, що охоплює ці атоми. Тут ми потрапляємо у сферу компетенції теоретичної хімії, яка по суті є однією з областей фізики.

Концепція утворення хімічних зв'язків шляхом перекриття атомних орбіталей набула широкого поширення, проте не всі вважають, що вона універсальна. Справа в тому, що побудовані на її основі модельні структури молекул виходять з ряду припущень, що спрощують, і, таким чином, являють собою лише наближення. Насправді будь-яка молекула - це якась група атомних ядер, занурена в електронну хмару, і ядра, образно кажучи, змагаються між собою в його перетягуванні на себе, так що вся конструкція дихає і видозмінюється. У існуючих нині моделях молекули - це статичні освіти, побудовані з урахуванням лише частини важливих властивостей.

У рамках квантової теорії не можна дати загальне визначення хімічного зв'язку, яке відповідало б уявленням про неї хіміків, чия робота зрештою зводиться до руйнування одних хімічних зв'язків та утворення інших. Нині існує безліч способів представлення молекул як пов'язаних друг з одним атомів. На думку фахівця з квантової хімії Домініка Маркса (Dominick Marx) з Бохумського університету в Німеччині, майже всі вони «хороші в одних випадках і непридатні в інших».

Використовуючи комп'ютерне моделювання, сьогодні можна з високою точністю передбачати структуру і властивості молекул, виходячи з принципів квантової механіки, але до тих пір, поки кількість електронів, що беруть участь в утворенні хімічних зв'язків, відносно невелика. "Обчислювальна хімія дозволяє отримати максимально реалістичну картину того, що відбувається", - говорить Маркс. Комп'ютерне моделювання можна як віртуальний експеримент, який відтворює хід хімічної реакції. Але як тільки кількість електронів наближається до кількох десятків, чисельні методи стають безсилими навіть за наявності найпотужніших комп'ютерів. У зв'язку з цим постає питання: як, наприклад, моделювати складні біохімічні процеси, які у клітині, чи поведінка багатокомпонентних систем?

3. Як впливають зовнішні чинники наші гени?

Довгий час у біологічному співтоваристві панувала ідея, що індивідуальність кожного з нас визначається тим, які гени ми маємо. Однак не менш важливим є і те, які з них ми використовуємо. Як і скрізь у біології, останнє нерозривно пов'язане з тією ж хімією.

Клітини ембріона на ранніх стадіях дають початок тканинам всіх можливих типів. У міру його розвитку так звані плюрипотентні стволові клітини диференціюються і перетворюються на спеціалізовані (клітини крові, м'язові, нервові клітини тощо). Останні зберігають свої індивідуальні властивості протягом життя організму. Формування тіла людини - це, по суті, хімічні перетворення хромосом стовбурових клітин, у яких змінюється набір функціонуючих і мовчазних генів.

Одне з революційних відкриттів у галузі клонування та вивчення стовбурових клітин полягає в тому, що згадані перетворення оборотні. У процесі диференціації клітини не инактивируют частину генів, підтримуючи у стані лише ті, які зараз. Вони їх вимикають та підтримують у стані бойової готовності. Дані гени можуть активуватись, наприклад, під дією певних хімічних речовин зовнішнього середовища.

Особливо цікавий і загадковий з погляду хімії те що, що регуляція генної активності складає надатомному і надмолекулярном рівнях, з участю цілих груп взаємодіючих друг з одним молекул. Хроматин – комплекс між ДНК та білками, що утворює хромосоми, – має ієрархічну структуру. Спочатку дволанцюжкова молекула ДНК обвивається навколо частинок циліндричної форми, що складаються з особливих білків – гістонів. Потім «нитка бус», що утворилася, укладається в просторі в структури вищого порядку. Клітина суворо контролює процес укладання - від того, де в хроматині виявиться цей ген, залежить його активність.

Перебудова структури хроматину відбувається за участю спеціальних ферментів, які грають ключову роль клітинної диференціювання. В ембріональних стовбурових клітинах хроматин має пухку, невпорядковану структуру, яка ущільнюється в міру виключення генів у процесі диференціювання.

Структурування хроматину супроводжується хімічними перетвореннями як ДНК, і гістонів. До них приєднуються невеликі молекули – маркери, що вказують клітині, які гени вимкнути, а які, навпаки, включити. Такі мітки звуться епігенетичних факторів, оскільки вони не впливають на інформацію, укладену в генах.

Якою мірою зрілі клітини можна повернути в стан плюрипотентності? Чи будуть вони мати властивості стовбурових клітин, необхідні для використання при регенерації різних тканин? Відповідь залежить від того, якою мірою можна повернути назад епігенетичне маркування.

Цілком очевидно, що крім генетичної мови, якою записано багато ключових інструкцій, клітини використовують зовсім іншу з хімічної точки зору мову - епігенетичну. "Людина може мати генетичну схильність до якогось захворювання, наприклад раку, але виникне воно чи ні, залежить від середовищних факторів, що діють через епігенетичний канал", - каже Брайан Тернер (Bryan Turner) з Бірмінгемського університету в Англії.

4. Як мозок формує пам'ять?

Мозок можна уподібнити до хімічного комп'ютера. Зв'язок між нейронами, у тому числі складаються його «електричні ланцюга», здійснюється з допомогою спеціальних молекул - нейромедиаторов. Вони вивільняються одним нейроном, перетинають синаптичну щілину, зв'язуються з рецепторами іншого нейрона, активують його, той приводить у дію третій і т.д. В результаті нервовий імпульс поширюється ланцюжком нейронів. Хімічна природа розумової діяльності проявляється при запам'ятовуванні, коли якась інформація - номер телефону чи якесь подія -«віддруковується» з допомогою хімічних сигналів як різних станів нервової мережі. Як на основі хімічних процесів формується пам'ять-одночасно стійка та динамічна? Що означає - згадувати, переосмислювати, забувати?

У нас є відповіді лише на деякі запитання. Ми знаємо, наприклад, що безумовний рефлекс виникає у відповідь на каскад біохімічних процесів, що веде до зміни кількості нейромедіаторів у синапсі. Але навіть такий простий процес має короткочасну і довготривалу складові. Більш складний феномен – так звана декларативна пам'ять (на обличчя, на місцевість тощо) – має інший механізм та іншу локалізацію в головному мозку. Основним гравцем тут виступає рецептор нейромедіатора дофаміну, який є у деяких нейронів. Його блокування заважає збереженню декларативної пам'яті.

Формування щоденної декларативної пам'яті часто опосередковується так званою довготривалою потенціацією, в якій беруть участь дофамінові рецептори та супроводжується розширенням області нейрона, що утворює синапс. З розширенням даної області зміцнюється зв'язок нейрона з його партнерами, що виявляється через збільшення різниці потенціалів у синаптичній щілині під впливом нервового імпульсу. Біохімія процесу стала більш менш зрозуміла в останні кілька років. Виявилося, що всередині нейрона утворюються філаменти актину – білка, який формує внутрішній каркас клітини, що визначає її розміри та форму. Процес можна перервати, якщо перешкодити стабілізації філаментів, що тільки-но з'явилися.

Довготривала пам'ять, раз сформувавшись, зберігається завдяки включенню генів, що кодують спеціальні білки. Є підстави вважати, що до їхнього числа входять пріони. Останні можуть бути в одній з двох альтернативних конформацій. У першому випадку пріони легко розчиняються, у другому - нерозчинні і переводять у цей стан усі білкові молекули даного типу, з якими їм довелося контактувати. У результаті утворюються великі при-онние агрегати, причетні до розвитку різних нейродегенеративних розладів. Саме така негативна властивість пріонів стала стимулом для їх ідентифікації та вивчення. Виявилося, що агрегати виконують в організмі та корисні функції – вони беруть участь у збереженні пам'яті.

В історії про роботу пам'яті ще багато білих плям, заповнювати які належить біохімікам. Як тлумачити, наприклад, поняття «згадати щось», якщо це «щось» зберігається у нашій пам'яті? "Дана проблема, до вирішення якої ми тільки приступаємо, дуже важка для розуміння", - говорить нейрофізіолог, лауреат Нобелівської премії Ерік Кандел з Колумбійського університету.

Говорячи про хімічну природу феномена пам'яті, не можна не торкнутися такого питання, як вплив на неї ліків. Деякі речовини, що покращують пам'ять, вже відомі. Серед них статеві гормони та синтетичні сполуки, що діють на рецептори нікотину, глутамату, серотину та інших ней-ромедіаторів. Як зауважує нейробіолог Гері Лінч (Gary Lynch) з Каліфорнійського університету, той факт, що до формування довготривалої пам'яті веде довгий ланцюжок подій, вказує на наявність безлічі мішеней в організмі, на які могли б бути націлені «ліки пам'яті».

5. Чи є межа поповнення періодичної системи елементів?

Періодична таблиця хімічних елементів, що висить видному місці у кожному кабінеті хімії, постійно поповнюється. За допомогою прискорювачів фізики-ядерники отримують нові надважкі елементи з більшим числом протонів і нейронів в ядрі, ніж у тих 92, які існують в природі. Вони не надто стабільні, деякі розпадаються протягом часток секунди після народження. Але поки подібні елементи існують, вони за своїм статусом нічим не відрізняються від інших: мають атомний номер і масове число, мають певні хімічні властивості. У ході хитромудрих експериментів досліджено деякі властивості атомів сибор-гія та хасія.

Одна з цілей таких досліджень полягає в тому, щоб з'ясувати, чи існує межа розширення періодичної системи, інакше кажучи - чи надважкі елементи виявляють ту періодичність у своїй поведінці, яка і визначає їх місцезнаходження в таблиці. Вже зараз можна сказати, що одні задовольняють зазначені вимоги, інші - ні. Зокрема, їх масивні ядра притягують електрони з такою силою, що починають рухатися зі швидкістю, що наближається до швидкості світла. Як наслідок, маса електронів драматично збільшується, що може призвести до дезорганізації енергетичних рівнів, від яких залежать хімічні властивості елементів, а отже - їхнє положення в періодичній таблиці.

Є надія, що фізикам-ядерникам вдасться знайти острів стабільності - якусь область, яка трохи виходить за межі нинішніх можливостей отримання синтетичних елементів, у якій надважкі елементи житимуть довше. Однак залишається фундаментальне питання про їх граничні розміри. Як показують досить прості квантово-механічні викладки, електрони можуть утримуватися ядром, число протонів у якому не перевищує 137. Більш складні обчислення відкидають це обмеження. «Періодична система не закінчується номером 137; фактично вона нічим не обмежена», - заявляє фізик-ядерник Вальтер Грейнер (Walter Greiner) з Університету Ґете у Франкфурті-на-Майні, Німеччина. До експериментальної перевірки цього твердження дуже далеко.

6. Чи можна створити комп'ютер з урахуванням атомів вуглецю?

Комп'ютерні чіпи на основі графену – сітки з вуглецевих атомів – потенційно більш «швидкі» і потужніші, ніж кремнієві. Отримання графена принесло його творцям Нобелівську премію з фізики за 2010 р., але практичне застосування подібної «вуглецевої» нанотехнології залежить, зрештою, від того, чи зможуть хіміки створювати конструкції з атомною точністю. У 1985 р. були синтезовані фулерени, порожнисті замкнуті сітчасті структури, що повністю складаються з атомів вуглецю, а шістьма роками пізніше - вуглецеві нанотрубки з сітчастими стінками. Очікувалося, що надзвичайно міцні електропровідні конструкції знайдуть найширше застосування – від отримання на їх основі надміцних композитних матеріалів до виготовлення крихітних провідників та електронних пристроїв, мініатюрних молекулярних капсул та мембран для очищення води. Проте весь потенціал реалізувати поки що не вдалося. Так, не вдається вбудовувати нанотрубки у складні електронні ланцюги. Останнім часом у центрі уваги нанотехнологів опинився графіт.

Його вдалося розділити на надтонкі шари (це і є графен), з яких можна виготовляти надмініатюрні, дешеві та міцні електронні схеми. Розробники комп'ютерів, використовуючи тонкі, вузькі смужки графена, зможуть виготовляти більш досконалі чіпи, ніж кремнієві. «З графена можна отримувати конструкції, які легко з'єднуються один з одним і вбудовуються в електронні ланцюги», - говорить Уолт де Хір (Walt de Heer) з Технологічного інституту Джорджії. Однак для створення графенових електронних ланцюгів метод травлення, що використовується в мікроелектроніці, не годиться - він занадто грубий, тому сьогодні графенова технологія - це предмет роздумів, а не реальні справи. Можливо, ключем до вирішення проблеми конструювання на атомному рівні стане застосування методів органічної хімії - з'єднання поліароматичних молекул з кількох гексагональних вуглецевих кілець, аналогів невеликих фрагментів графенової сітки.

7. Чи можна вловлювати більше сонячної енергії?

Кожен схід Сонця нагадує нам, що людина використовує лише малу частку енергії, що дає наше світило. Основна перешкода на шляху її широкого застосування – дорожнеча кремнієвих сонячних осередків. Але саме життя на нашій планеті, яке підтримується зрештою завдяки фотосинтезу, який здійснюється зеленими рослинами при поглинанні ними сонячної енергії, свідчить про те, що сонячні осередки не обов'язково повинні бути високоефективними, достатньо, щоб їх було багато (як листя на деревах) і вони були б дешеві.

«Один із найбільш перспективних напрямків у розробці способів використання сонячної енергії – отримання палива», – каже Девенс Гаст (Devens Gust) з Університету штату Арізона. Найпростіше це зробити, розщеплюючи за допомогою сонячного світла молекули води з утворенням водню та газоподібного кисню. Натан Льюїс (Nathan S. Lewis) та його співробітники з Каліфорнійського технологічного інституту працюють над створенням штучного листа з кремнієвих нанодротів, який здійснював би таке розщеплення.

Нещодавно Деніел Носера (Daniel Nocera) з Массачусетського технологічного інституту повідомив про створення кремнієвої мембрани, в якій за участю фотокаталізатора на основі кобальту справді відбувається розщеплення молекул води. За оцінками Носера, з одного галону (~ 3,8 л) води можна отримати стільки палива, що його буде достатньо для енергопостачання невеликого будинку протягом доби.

Розвиток такої технології стримується відсутністю відповідних каталізаторів. «Кобальтовий каталізатор на кшталт того, що використовував Носера, і нові каталізатори на основі інших металів – це в принципі те, що потрібно, але вони надто дорогі – каже Гаст. – На жаль, ми не знаємо, як працює природний фотосинтетичний каталізатор на основі марганцю».

Гаст та його колеги мають намір створити молекулярні ансамблі для здійснення штучного фотосинтезу, що імітують природні. Їм уже вдалося синтезувати низку речовин, які увійдуть до одного з таких ансамблів. Але цим шляхом передбачаються серйозні перешкоди. Органічні молекули, аналогічні до тих, які використовує природа, нестабільні. Рослини відразу замінюють їх новими, а штучне листя на таке поки що не здатне: у них, на відміну від живих систем, немає біосинтетичних механізмів.

8. Як найкраще отримувати біопаливо?

Замість того, щоб розробляти технологію отримання палива за допомогою енергії Сон-Цалне чи краще використовувати здатність зелених рослин запасати енергію і перетворювати біомасу на паливо? Такі види біопалива, як етанол, одержують із кукурудзи, а біодизельне паливо - із насіння, і ці продукти вже займають певне місце на ринку. Але є небезпека, що в хід піде зерно, що є основою раціону людини. Особливо небажано це для країн, що розвиваються - експорт біопалива може виявитися дуже прибутковим і залишить місцеве населення без їжі. Окрім того, щоб задовольнити нинішні потреби у паливі, доведеться розорати величезні території, зайняті сьогодні лісами.

Таким чином, переробка зерна на паливо, мабуть, не найкраще рішення. Один із виходів міг би полягати у використанні інших, менш цінних видів біомаси. У США утворюється досить багато відходів землеробства та деревообробної промисловості, щоб на одну третину задовольнити потреби транспорту в бензині та дизельному паливі.

Переробка такої низькосортної біомаси потребує розщеплення міцних молекул, таких як лігнін та целюлоза. Хімікам вже відомо, як це робити, але існуючі методи надто дорогі, енергоємні та малопридатні для отримання більших кількостей палива.

Джону Хартвігу (John Hartwig) та Олексію Сергєєву з університету Іллінойсу нещодавно вдалося подолати одну з найсерйозніших труднощів у розщепленні лігніну - розрив зв'язків між атомами вуглецю і кисню, які з'єднують один з одним бензольні кільця. Вони використовували каталізатор на основі нікелю.

Отримання з біомаси палива в промислових масштабах передбачає переробку твердого біоматеріалу на місці, щоб транспортувати отриману рідину трубами. Тут виникає одна серйозна проблема - сировина сильно забруднена різними сторонніми домішками, а класична каталітична хімія має справу лише з чистими речовинами. «Як, зрештою, вдасться вийти зі становища – поки не ясно», – каже Хартвіг. Очевидно одне: завдання значною мірою відноситься до галузі хімії, і її рішення зводиться до пошуку відповідного каталізатора. "Майже всі промислові процеси пов'язані з використанням відповідних каталізаторів", - ще раз наголошує Хартвіг.

9. Чи можна розробити нові засоби отримання лікарських речовин?

Хімія у своїй основі - наука творча й те водночас практична. Вона займається отриманням молекул, з яких потім можна створювати різні продукти - від матеріалів з новими властивостями до антибіотиків, здатних знищувати патогенні мікроорганізми, стійкі до інших лікарських засобів.

У 1990-х роках. на піку популярності була комбінаторна хімія, коли тисячі нових молекул отримували випадковим з'єднанням «будівельних блоків» і відбирали продукти з потрібними властивостями. Цей напрямок, проголошений спочатку майбутнім медичної хімії, незабаром втратив актуальність, оскільки результат виявився близьким до нуля.

Але, можливо, на комбінаторну хімію чекає друге народження. Воно відбудеться за умови, що буде отримано досить широкий набір молекул певного типу і знайдено спосіб виділення із цієї суміші мікроскопічних кількостей необхідних речовин. На допомогу готова прийти біотехнологія. Наприклад, кожну молекулу можна забезпечити штрих-кодом на основі ДНК, що полегшить її ідентифікацію та виділення. Альтернативний підхід міг би полягати у послідовному відбраковуванні невідповідних кандидатів – свого роду дарвінівському доборі in vitro. Для цього можна уявити амінокислотну послідовність білка - кандидата на роль лікарської речовини - у вигляді нуклеотидної послідовності сегмента ДНК і потім, використовуючи механізм реплікації із закладеною в ньому схильністю до помилок, отримувати нові і нові варіанти, що наближаються до ідеалу з кожним раундом реплікації та відбору .

Інші нові методи ґрунтуються на внутрішній здатності деяких молекулярних фрагментів з'єднуватися один з одним у заданій послідовності. Так, амінокислотна послідовність білків визначається відповідними генами. Використовуючи такий принцип, хіміки могли б у майбутньому програмувати молекули із закладеною в них здатністю до самоскладання. Цей підхід має ту перевагу, що в ньому мінімізовано кількість побічних продуктів, а це, в свою чергу, зменшує енергоємність процесів та витрату матеріалів.

В даний час цю ідею намагаються реалізувати Девід Ліу (David Liu) та його колеги з Гарвардського університету. Вони приєднали до кожного будівельного блоку майбутніх молекул короткий сегмент ДНК, що кодує лінкер, а також синтезували якусь молекулу, яка рухається вздовж ДНК і послідовно приєднує мономерні ланки до будівельного блоку, керуючись інструкцією, закодованою в сегменті ДНК, - процес, аналогічний синтезу білків в живої клітини. Метод Ліу може стати в нагоді для створення цільових лікарських речовин. «Багато молекулярних біологів, що мають відношення до фармакології, вважають, що макромолекули відіграватимуть все більшу, а потім і головну роль у терапії», - говорить Ліу.

10. Чи можливий хімічний моніторинг нашого організму?

Останнім часом у хімії дедалі чіткіше проявляється тенденція до зближення з інформаційними технологіями, зокрема до використання хімічних продуктів для комунікацій із живими клітинами. Сама ідея не нова: біосенсори з хімічними реакціями, що протікають в них, стали використовуватися для визначення концентрації глюкози в крові ще в 1960-х рр., хоча широкого поширення в моніторингу діабету вони отримали лише недавно, з появою недорогих портативних пристроїв. Сфера застосування хімічних датчиків широка: це виявлення різних шкідливих речовин у харчових продуктах і воді при дуже малих концентраціях, визначення рівня забруднення атмосфери та багато іншого.

Але є ще одна область - біомедицина, де потенціал хімічних датчиків може розкритися повною мірою і принести неоціненну користь. Наприклад, деякі продукти генів, асоційованих з тим чи іншим онкологічним захворюванням, починають циркулювати у кровотоку задовго до прояву видимих симптомів патології, коли звичайні методи тестування нічого не виявляють. Рання ідентифікація таких хімічних провісників раку дозволить поставити точніший діагноз, а головне - зробити це вчасно. Швидка побудова геномного профілю дозволить підібрати індивідуальну схему лікування та зменшити ймовірність побічних ефектів.

Деякі хіміки передбачають настання ери безперервного, необтяжливого для пацієнта моніторингу різних біохімічних маркерів стану організму. Подібна інформація може стати в нагоді хірургу прямо під час операції, вона може бути передана автоматизованій системі введення медикаментів і т.д. Реалізація цих ідей залежить від того, чи будуть розроблені хімічні методи виборчої ідентифікації маркерів, навіть коли вони присутні в організмі у кількостях.

Молекула (новолат. molecula, зменшувальне від лат. moles - маса), найменша частка речовини, що володіє його хімічними властивостями. Молекула складається з атомів, точніше - з атомних ядер, навколишніх внутрішніх електронів і зовнішніх валентних електронів, що утворюють хімічні зв'язки (див. Валентність) . Внутрішні електрони атомів зазвичай беруть участь у освіті хімічних зв'язків. Склад та будова молекул даної речовини не залежать від способу її одержання. У разі одноатомних молекул (наприклад, інертних газів) поняття молекули та атома збігаються. Вперше поняття про молекули було введено у хімії у зв'язку з необхідністю відрізняти молекулу як найменшу кількість речовини, що вступає в хімічні реакції, від атома як найменшої кількості даного елемента, що входить до складу молекули (Міжнародний конгрес у Карлсруе, 1860). Основні закономірності будови молекул було встановлено внаслідок дослідження хімічних реакцій, аналізу та синтезу хімічних сполук, і навіть завдяки застосуванню низки фізичних методів. Атоми об'єднуються в молекули здебільшого хімічними зв'язками. Як правило, такий зв'язок створюється однією, двома або трьома парами електронів, якими володіють разом два атоми. Молекула може містити позитивно та негативно заряджені атоми, тобто іони; у цьому випадку реалізуються електростатичні взаємодії. Крім зазначених, у молекулах існують і слабкіші взаємодії між атомами. Між валентно не пов'язаними атомами діють сили відштовхування. Склад молекул виражають хімічними формулами. Емпірична формула (наприклад, С2Н6О для етилового спирту) встановлюється на підставі атомного співвідношення елементів, що містяться в речовині, що визначається хімічним аналізом, і молекулярної маси. Розвиток вчення структуру молекул нерозривно пов'язані з успіхами передусім органічної хімії. Теорія будови органічних сполук, створена 60-х гг. 19 ст. працями А. М. Бутлерова, Ф. А. Кекуле, А. С. Купера та ін., дозволила уявити будову молекул структурними формулами або формулами будови, що виражають послідовність валентних хімічних зв'язків у молекулах. При одній і тій же емпіричній формулі можуть існувати молекули різної будови, що мають різні властивості (явище ізомерії). Такі, наприклад, етиловий спирт С5Н5ОН та диметиловий ефір (СН3)2О. Структурні формули цих сполук відрізняються: У деяких випадках ізомерні молекули швидко перетворюються одна на одну і між ними встановлюється динамічна рівновага (див. Таутомерія). Надалі Я. Х. Вант-Гофф та незалежно французький хімік А. Ж. Ле Бель прийшли до розуміння просторового розташування атомів у молекулі та до пояснення явища стереоізомерії. А. Вернер (1893) поширив загальні ідеї теорії будови на неорганічні комплексні сполуки. На початку 20 ст. хімія мала у своєму розпорядженні докладну теорію будови молекул, що виходить з вивчення тільки їх хімічних властивостей. Чудово, що прямі фізичні методи дослідження, розвинені пізніше, у переважній більшості випадків повністю підтвердили структурні формули хімії, встановлені шляхом дослідження макроскопічних кількостей речовини, а чи не окремих молекул. У фізиці поняття про молекули виявилося необхідним пояснення властивостей газів, рідин і твердих тіл. Прямий експериментальний доказ існування молекул вперше було отримано щодо броунівського руху (французький фізик Ж. Перрен, 1906).

Більшість людей впевнені, що фізика — справа нудна і віддалена відношення до життя. Навіть знаючи, що багатьом явищам у ній є саме наукове пояснення, вони вважають розуміння природи кожного з них доступним лише фахівцям.

Насправді фізика — не лише рівняння, формули та схеми. А люди, що її вивчають, аж ніяк не вкриті книжковим пилом істоти. і вчених, які займаються цією наукою, тому підтвердження.

Чи фізика буває цікавою?

Все, що є на Землі та за її межами, підпорядковується фізичним законам. Люди не замислюються над цим, але користуються у повсякденному житті. Наприклад, усім відомо, що не варто купатися в річці у грозу, бо треба боятися удару блискавки. Але вона небезпечна і на відкритому сухому просторі. Що ж страшного іменне у воді? А те, що вона відмінно проводить електрику, але тільки завдяки домішкам, що містяться, іонам мінеральних солей. Самі молекули води струм не сприймають, але про це необізнані люди не мають уявлення. Хоча навряд чи знання подібних цікавих фактів про фізикуспонукало їх наповнювати басейни дистильованою рідиною і купатися в грозу.

Кожен чоловік хоч раз у житті їздив у ліфті. І багатьом спала на думку думка про те, що робити, якщо він почне падати з висоти. Більшість вирішили б, що за таких обставин шансів вижити немає. Або що у момент удару необхідно підстрибнути. Насправді розрахувати цей час неможливо. Але якщо зробити так, щоб сила удару припала на якомога більшу площу поверхні тіла, можливо, все обійдеться. Тобто просто потрібно лягти на підлогу. Як видно, цікаві факти про фізикуздатні врятувати життя.

Іноді закони науки виглядають дивом. Наприклад, при відкриванні пляшки, запечатаною пробкою, об стіну. Якщо прикрити останній згорнутим папером і вдарити про неї дном судини суворо під кутом в 90 градусів, затичка вийде настільки, що її можна вийняти без штопора. Це можливо завдяки різкій зміні швидкості потоку рідини у пляшці через зіткнення зі стіною. Удар припадає саме на пробку.

Не пропусти! Цікаві факти про гриби

А щоб умільці відкривати пляшки і спустошувати їх у великій кількості знали в цьому заході, Піфагор свого часу вигадав особливий кухоль. Заповнити її рідиною можна лише до певного рівня. Все, що вище, витікає назовні. Подібне можливо завдяки наявній усередині кружки вигнутій трубці, один край якої розкритий з боку дна, а інший має вихід усередину. Це ніщо інше як закон про сполучені судини, відкритий Паскалем.

"Фізик" - це звучить гордо

Люди, які вивчають цю науку, мають не тільки високий інтелект і інтерес до незвичайного, але й самовідданість, почуття гумору і потяг до прекрасного. Свідчення тому:

Хто міг припустити, що портрети нобелівських лауреатів, написані великим художником, можуть коштувати мішок пшона? Адже таке було в 1921 році. Позували майбутні знамениті вчені Петро Капіца та Микола Семенов, а писав Борис Кустодієв. Гонорар, переданий художнику, майбутні світила науки заробили на ремонті млина. До Кустодієва молоді вчені прийшли тому, що вважали саме його, що пише портрети знаменитостей, гідним сфотографувати їх самих;
Є фізик, який має нагороди за найпрекрасніше і найбезглуздіше відкриття в науці. Це голландець Андрій Гейм, який у 2000 році отримав Шнобелівську премію за вивчення левітації жаб та у 2010 Нобелівську за відкриття властивостей графена;
Серед цікавих фактів про фізиківне тільки кумедні та курйозні, а й свідчать про самовідданість вчених, відданість справі. Василь Петров для експериментів з вивчення електричної дуги позбавився верхнього шару шкіри на пальцях, щоб відчувати необхідні для цього слабкі струми. А Ньютон, цікавлячись можливостями сітківки, вводив на власні очі зонд. Так перевіряв значення тиску світла неї.

Не пропусти! Цікаві факти про фільми

Залік( 11 ) Перездавання ( 3 )

Не пропусти найцікавіше

Молекулярна фізика часто асоціюється зі нудною та складною темою. Але часто ми навіть не усвідомлюємо, скільки фізичних явищ ми бачимо та використовуємо у нашому повсякденному житті.

Фізика може бути досить цікавою. Замість того, щоб говорити про складні рівняння, ми розповімо вам про забавні, цікаві та корисні факти з фізики.

ФІЗИКАМ ВДАЛОСЯ ОХОЛОДИТИ МОЛЕКУЛИ Майже до абсолютного нуля

Вчені змогли охолодити молекули монофториду стронцію практично до абсолютного нуля одним махом. Фізики описали використану ними технологію у статті у журналі Nature. На відміну від молекул і атомів, що знаходяться при кімнатній температурі, речовина, охолоджена до температур, близьких до абсолютного нуля (мінус 273,15 градусів Цельсія, або 0 градусів кельвіна), починає демонструвати квантові властивості (у нагрітій матерії вони «забиваються» тепловими ефектами ).

Фізики часто охолоджують атоми, використовуючи лазер - атоми поглинають фотони, потім випускають їх. При багаторазовому повторенні цього процесу атоми поступово втрачають свою кінетичну енергію, тобто охолоджуються. Для молекул такий метод досі не застосовувався - вони важчі і гірше втрачають енергію. Крім того, в молекулах «зайва» енергія запасається у зв'язках між атомами, а також у обертальних рухах молекули цілком.

У більшості ранніх робіт охолоджувалися атоми, та був із них «збиралися» молекули. Автори нового дослідження вирішили охолодити безпосередньо молекули. Вчені експериментували з монофторидом стронцію, енергія коливань якого менша, ніж у багатьох інших молекул. Крім того, фізики підібрали колір лазера так, щоб його вплив не викликав обертання молекул. Нарешті, дослідники особливо попередньо охолоджували монофторид стронцію.

У результаті авторам вдалося охолодити молекули до 300 мікрокельвінів (мікрокельвін – це одна мільйонна кельвіна). Розрахунки показують, що використана вченими технологія дозволяє знизити їхню температуру до ще нижчих значень.

На початку 2010 року інший колектив дослідників, працюючи з охолодженими до наднизьких температур молекулами калію та рубідії, зміг безпосередньо поспостерігати за квантово-механічними ефектами.

Ще трохи фактів...

Середньостатистичнийлюдина звик думати, що будь-яка рідина по суті своїй не має власної форми, проте це помилка. Цікаво, що навіть шкільна програма говорить про це. Але природна форма будь-якої рідини куляста. Єдина причина через яку вона не перебувати в такій формі – сила тяжіння.

Швидкість рух молекул у води може досягати 650 метрів за одну секунду. Звісно, коли вона доходить до кипіння.

Чи знаєте ви, що літак, який вилітає з Москви до Владивостока може прибути одночасно зчасом відльоту? Справа в тому, що різниця в годинникових полюсах складає 9годин. Тобто Якщо літак зможе пройти шлях за три години, то ви прибудете в тежчас , до якого відбули.

Варто зауважити, що фізика має багато неточностей і недоробок, але на сьогоднішній день це єдина наука, яка може пояснити речі, що відбуваються, з точки зору загального підходу. Те, що викладено у цій статті, здебільшого є шкільною програмою сучасного західного школяра, так що дізнавайтесь більше і вчитеся думати, щоб не відставати від них.

атом

Всі навколишні предмети складаються з атомів. Атоми настільки малі, що за час, поки ми дописуємо цю пропозицію, могло б утворитися 100 00 атомів.

Насправді першим про існування атомів заговорили греки ще 2400 років тому. Але ідея про атоми прийшла і пішла і до неї не поверталися до 1808, коли Джон Делтон показав на досвіді, що атоми дійсно існують.

Атоми входять до складу молекул предметів, якими ми користуємося щодня, що ми торкаємося і бачимо. В одній піщинці настільки багато атомів, що їх кількість можна порівняти з кількістю самих піщин на пляжі.

Тверді тіла та рідини

У рідині, з іншого боку, молекули теж щільно триматися одна за одною, але не настільки сильно як у твердих тілах, тому вони можуть рухатися довкола та змінювати форму. Однак, рідину неможливо стиснути.

Цікаво, але скло не є твердим тілом. Насправді скло це рідина, але воно настільки в'язке, що ми не можемо помітити як воно тече.

Найбільші запаси води в Сонячній системі знаходяться, як не дивно, це може здатися на перший погляд, на Сонці. Молекули води у виглядіпари сконцентровані в сонячних плямах, температура в яких на півтори тисячі градусів нижча, ніж у навколишніх областях, а також в області температурного мінімуму - вузькому шарі під поверхнею зірки.

Існує особливий стан речовини під назвою «невпорядкована сверходнородність», при якому речовина має властивості кристала та рідини одночасно. Спочатку його виявили фізики в рідкому гелії та простих плазмах, але нещодавно з ним зіткнулися і біологи при вивченні курейіншого ока. Як та в інших денніх птахів, у курок є п'ять видів фоторецепторів: червоні, сині, зелені, фіолетові та відповідальні за сприйняття освітленості. Всі вони розташовуються на сітківці в один шар на перший погляд безладно, проте при детальному вивченні патернів з'ясувалося, що навколо кожної колби є так звана зона заборони, в якій виключена поява інших колб того ж типу. У результаті система неспроможна прийняти єдину упорядковану форму, але прагне максимально однорідної.

Іноді під товщею морського льоду можуть виникати великі бурульки, схожі сталактити. Коли формується лід, у кристалічній решітці не залишається солі, і в деяких точках утворюються низхідні потоки дуже холодної і дуже солоної води. За певних умов навколо такого потоку починає рости вниз знову ж таки шар льоду. Якщо в цьому місці море неглибоке, бурулька досягає дна і продовжує рости в якомусь горизонтальному напрямку.