Как правило, школьную науку естествознания о свойствах и строении материи любит мало кто из учеников. И в самом деле - нудное решение задач, сложные формулы, непонятные комбинации специальных знаков и т.д. В целом, сплошная хмурь и тоска. Если вы так считаете, то данный материал - определенно для вас.
В статье мы расскажем самые интересные факты о физике, которые даже равнодушного к ней человека заставят взглянуть на естественную науку по-другому. Вне всяких сомнений, физика - очень полезная и интересная наука, а относящихся к ней интересных фактов о Вселенной - масса.
1. Почему солнце утром и вечером красное? Замечательный пример факта из физических явлений в природе. Вообще-то, свет раскалённого небесного тела - белый. Белому свечению при его спектральном изменении свойственно приобретать для себя все цвета радуги.
По утрам и вечерам солнечные лучи проходят через многочисленные атмосферные слои. Молекулы воздуха и мельчайшие сухие частицы пыли способны задерживать прохождение солнечных лучей, лучше всего пропуская сквозь себя только красные лучи.
2. Почему времени свойственно останавливаться на скорости света? Если верить общей теории относительности, предложенной , абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакуумной среде является неизменной и равняется тремстам миллионам метров в секунду. На самом деле это уникальное явление, учитывая, что ничто в нашей Вселенной не может превышать скорость светового движения, однако это все еще остается теоретическим мнением.
В одной из теорий, автором которой является Эйнштейн, есть интересный раздел, в котором говорится, что чем большую вы набираете скорость движения, тем медленнее начинает двигаться время в сравнении с окружающими предметами. К примеру, если вы будете передвигаться на автомобиле в течение часа, вы постареете чуть меньше, чем если бы просто лежали у себя дома на кровати, просматривая телевизионные программы. Наносекунды навряд ли ощутимо повлияют на вашу жизнь, однако доказанный факт остается фактом.
3. Почему сидящая на электрическом проводе птичка не погибает от разряда тока? Сидящая на линии электропередачи птица не подвергается электрическому удару, потому что ее тело имеет недостаточную проводимость. В местах соприкосновения птицы с проводом создается так называемое параллельное соединение, а т.к. высоковольтный провод лучший проводник тока, по телу самой птицы перемещается лишь минимальной мощности ток, который не в состоянии причинить значительного вреда здоровью птицы.
Но стоит покрытому перьями и пухом позвоночному животному, стоящему на проводе, соприкоснуться с заземленным предметом, например, с металлической частью высоковольтной ЛЭП, она моментально сгорает, ведь сопротивление в таком случае становится слишком большим, а весь электрический ток пронзает тело несчастной птицы.
4. Сколько темной материи во Вселенной? Мы обитаем в материальном мире, и все, что мы можем видеть вокруг, - это материя. У нас есть возможность потрогать ее на ощупь, продать, купить, можно распоряжаться материей на свое усмотрение. Однако во Вселенной существует не только объективная реальность в виде материи, но и темная материя (физики часто про нее говорят «темная лошадка») - это разновидность материи, которой не свойственно излучать электромагнитные волны и взаимодействовать с ними.
По понятным причинам никому не удавалось увидеть или потрогать темную материю. Ученые пришли к выводу, что она присутствует во Вселенной, не единожды наблюдая косвенные доказательства ее существования. Принято считать, что ее доля в составе Вселенной занимает 22%, в то время как привычная для нас материя занимает всего 5%.
5. Существуют ли во Вселенной землеподобные планеты? Несомненно, существуют! Принимая к сведению масштабы Вселенной, вероятность этого оценивается учеными достаточно высоко.
Однако лишь с недавних пор ученые из NASA начали активно открывать такие планеты, находящиеся не далее, чем на расстоянии 50 световых лет от Солнца, названные экзопланетами. Экзопланеты - планеты земного типа, обращающиеся вокруг оси других звезд. На сегодняшний день удалось найти более 3500 планет земного типа, и ученые открывают альтернативные места для существования людей все чаще.
6. Все предметы падают с идентичной скоростью. Некоторым может показаться, что предметы с большим весом падают вниз значительно быстрее, чем легкие, - это вполне логичное предположение. Наверняка хоккейная шайба падает с гораздо большей скоростью, чем птичье перышко. На самом деле это так, однако не по вине всемирного тяготения - основная причина, благодаря которой мы можем наблюдать за этим, заключается в том, что окружающая планету газовая оболочка обеспечивает мощнейшее сопротивление.
Прошло уже 400 лет с момента, когда впервые осознал, что всемирное тяготение относится ко всем предметам одинаково, независимо от их тяжести. Если бы у вас была возможность повторить эксперимент с хоккейной шайбой и птичьим перышком в космосе (где отсутствует атмосферное давление), они с идентичной скоростью упали бы вниз.
7. Как возникает северное сияние на Земле? На протяжении всего своего существования люди наблюдали за одним из природных чудес нашей планеты - северным сиянием, но при этом не могли понять, что же это такое и откуда берется. Древние люди, к примеру, имели свое представление: группа коренных эскимосских народов считала, что это священный свет, который излучался душами почивших людей, а в древних европейских странах предполагали, что это - боевые действия, которые вечно обречены вести погибшие в войнах защитники своего государства.
Первые ученые подошли к разгадке загадочного явления несколько ближе - они выдвинули на всемирное обсуждение теорию, что свечение возникает в результате отражения световых лучей от ледяных глыб. Современные исследователи полагают, что разноцветный свет спровоцирован столкновением многомиллионных атомов и частиц пыли из нашей атмосферной оболочки. Тот факт, что явление широко распространено в основном на полюсах, находит объяснение в том, что в этих районах мощность магнитного поля Земли особенно сильная.
8. Засасывающие вглубь зыбучие пески. Сила вытаскивания увязшей ноги из песков, перенасыщенных воздухом и влагой восходящих источников, со скоростью 0,1 м/с равняется силе поднятия среднестатистического легкового автомобиля. Примечательный факт: зыбучие пески относятся к неньютоновской жидкости, которая не в состоянии поглотить тело человека в полном объеме.
Поэтому погрязнувшие в зыбучих песках люди погибают от истощения или обезвоживания организма, чрезмерного ультрафиолетового облучения или по другим причинам. Не дай Бог, вы попали в такую ситуацию, стоит помнить, что категорически запрещено делать резкие движения. Постарайтесь как можно выше опрокинуть туловище назад, широко раскинуть руки и ждать спасательную бригаду на помощь.
9. Почему единица измерения крепости спиртных напитков и температуры называется одинаково - градус? В XVII-XVIII веках действовал общепринятый научный принцип о теплороде - так называемой невесомой материи, которая находилась в физических телах и являлась причиной тепловых явлений.
Согласно этому принципу, в более нагретых физических телах содержится в разы больше концентрированного теплорода, чем в менее нагретых, поэтому крепость спиртных напитков определялась как температура смеси вещества и теплорода.
10. Почему капля дождя не убивает комара? Физикам удалось выяснить, как комарам удается летать в дождливую погоду и почему капли дождя не убивают кровопийц. Размер насекомых совпадает с размером капли дождя, только вот одна капелька весит в 50 раз больше комара. Удар капли можно приравнять к врезавшемуся в тело человека легковому автомобилю или даже автобусу.
Несмотря на это, дождь не тревожит насекомых. Возникает вопрос - почему? Скорость полета капли дождя - около 9 метров в секунду. Когда насекомое попадает внутрь оболочки капли, на нее действует огромнейшее давление. К примеру, если бы человек подвергся такому давлению, его организм бы не выдержал, однако комар способен благополучно выдерживать подобные нагрузки благодаря специфическому строению скелета. А чтобы продолжить полет в заданном направлении, комару достаточно просто отряхнуть свои волоски от капли дождя.
Ученые говорят, что объема капли вполне хватит для того, чтобы убить комара, если тот находится на земле. А связывают отсутствие последствий после попадания капли дождя на комара с тем, что связанное с каплей движение позволяет свести к минимуму передачу энергии к насекомому.
В этой науке существует еще неограниченное количество фактов. И если бы известные на сегодняшний день ученые не увлекались физикой, не знать нам всего того интересного, что происходит вокруг нас. Достижения известных физиков позволили нам понять важность обоснования законов-запретов, законов-утверждений и абсолютных законов для жизнедеятельности человечества.
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.
Физика часто ассоциируется со скучной и сложной темой. Но зачастую мы даже не осознаем, сколько физических явлений мы видим и используем в нашей повседневной жизни.
Физика может быть довольно интересной. Вместо того чтобы говорить о сложных уравнениях, мы расскажем вам о забавных и интересных полезных фактах из физики.
Все окружающие нас предметы состоят из атомов. Атомы настолько малы, что за время, пока мы дописываем это предложение, могло бы уже образоваться 100 000 атомов.
На самом деле первыми о существовании атомов заговорили греки еще 2400 лет назад. Но идея об атомах пришла и ушла и к ней не возвращались до 1808 года, когда Джон Дэлтон показал на опыте, что атомы действительно существуют.
Атомы входят в состав молекул предметов, которыми мы пользуемся каждый день, которые мы трогаем и видим. В одной песчинке настолько много атомов, что их количество можно сравнить с числом самих песчинок на пляже.
Твердые тела жесткие, поскольку их молекулы плотно удерживают друг друга: здесь молекулы выстроены в прямой ряд. Молекулы твердых тел не могут двигаться вокруг друг друга, поэтому они остаются неподвижными (хотя их атомы постоянно колеблются).
В жидкости, с другой стороны, молекулы также плотно держатся друг за друга, но не настолько сильно как в твердых телах, поэтому они могут двигаться вокруг и изменять форму. Однако жидкость невозможно сжать, поскольку ее молекулы и так располагаются очень плотно друг к другу.
Молекулы газа слабо связаны друг с другом, поэтому они могут распространяться и заполнять пространство. Кроме того молекулы газа могут сжиматься до более мелких размеров.
Существуют текучие и густые жидкости, например, вода и мед. Плотность жидкости определяет ее вязкость.
Любопытно, но стекло не является твердым телом. В действительности стекло – это жидкость, но оно настолько вязкое, что мы не можем заметить, как оно течет. Внизу старых окон можно заметить, что стекло намного толще: это объясняется тем, что со временем стекло утекло вниз.
Когда предметы нагреваются, они становятся больше: это явление имеет название «тепловое расширение». Газы, жидкости и твердые тела всегда расширяются при нагревании.
Вы можете провести забавный эксперимент: поставьте открытую пластиковую бутылку в холодильник. Когда бутылка охладиться, наденьте на ее горлышко шарик, а затем положите бутылку в тазик с горячей водой. Шарик наполнится воздухом сам по себе. После этого поместите бутылку с шаром обратно в холодильник: после того, как бутылка снова замерзнет, шарик сдуется. При нагревании воздух в бутылке расширяется и поступает в шарик, поскольку ему не достаточно пространства емкости. При охлаждении предметы принимают свой изначальный размер.
Также в случае, когда металлическая крышка застревает в банке, вы можете поставить ее под горячую воду, и она откроется. Металл расширяется сильнее, чем стекло, поэтому крышка ослабится. Разные материалы расширяются по-разному: все зависит от того, насколько близко расположены друг к другу молекулы материала.
Молекулярная физика часто ассоциируется со скучной и сложной темой. Но зачастую мы даже не осознаем, сколько физических явлений мы видим и используем в нашей повседневной жизни.
Физика может быть довольно интересной. Вместо того чтобы говорить о сложных уравнениях мы расскажем вам о забавных, интересных и полезных фактах из физики.
ФИЗИКАМ УДАЛОСЬ ОХЛАДИТЬ МОЛЕКУЛЫ ПОЧТИ ДО АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ
Ученые смогли охладить молекулы монофторида стронция практически до абсолютного нуля «одним махом». Физики описали использованную ими технологию в статье в журнале Nature. В отличие от молекул и атомов, находящихся при комнатной температуре, вещество, охлажденное до температур, близких к абсолютному нулю (минус 273,15 градуса Цельсия, или 0 градусов кельвина), начинает демонстрировать квантовые свойства (у нагретой материи они «забиваются» тепловыми эффектами).
Физики часто охлаждают атомы, используя лазер - атомы поглощают фотоны, а затем испускают их. При многократном повторении этого процесса атомы постепенно теряют свою кинетическую энергию, то есть охлаждаются. Для молекул такой метод до сих пор не применялся - они более тяжелые и хуже теряют энергию. Кроме того, в молекулах «лишняя» энергия запасается в связях между атомами, а также во вращательных движениях молекулы целиком.
В большинстве более ранних работ охлаждались атомы, а потом из них «собирались» молекулы. Авторы нового исследования решили охладить непосредственно молекулы. Ученые экспериментировали с монофторидом стронция, энергия колебаний которого меньше, чем у многих других молекул. Кроме того, физики подобрали цвет лазера так, чтобы его воздействие не вызывало вращение молекул. Наконец, исследователи особым образом предварительно охлаждали монофторид стронция.
В итоге авторам удалось охладить молекулы до 300 микрокельвинов (микрокельвин - это одна миллионная кельвина). Расчеты показывают, что использованная учеными технология позволяет понизить их температуру до еще более низких значений.
В начале 2010 года другой коллектив исследователей, работая с охлажденными до сверхнизких температур молекулами калия и рубидия, смог непосредственно пронаблюдать квантово-механические эффекты.
Еще немного фактов...
Все окружающие нас предметы состоят из атомов. Атомы настолько малы, что за время, пока мы дописываем это предложение могло бы образоваться 100 00 атомов.
На самом деле первым о существование атомов заговорили греки еще 2400 лет назад. Но идея об атомах пришла и ушла и к ней не возвращались до 1808 года, когда Джон Дэлтон показал на опыте, что атомы действительно существуют.
Атомы входят в состав молекул предметов, которыми мы пользуемся каждый день, которое мы трогаем и видим. В одной песчинке настолько много атомов, что их количество можно сравнить с числом самих песчинок на пляже.
Твердые тела и жидкости
В жидкости, с другой стороны, молекулы тоже плотно держаться друг за друга, но не настолько сильно как в твердых телах, поэтому они могут двигаться вокруг и изменять форму. Однако, жидкость невозможно сжать.
Молекулы газа слабо связаны друг с другом, поэтому они могут распространяться и заполнять пространство. Кроме того, молекулы газа могут сжиматься до более мелких размеров.
Любопытно, но стекло не является твердым телом. В действительности стекло-это жидкость, но оно настолько вязкое, что мы не можем заметить как оно течет.
Интересные факты о физике, естественной школьной науке, позволят вам узнать самые обычные, на первый взгляд, процессы с необычной стороны.
