Интересные факты о физике, естественной школьной науке, позволят вам узнать самые обычные, на первый взгляд, процессы с необычной стороны.
Многие люди в школьные годы считали физику скучным предметом. Но это вовсе не так, ведь в реальной жизни все происходит именно благодаря этой науке. На данную естественную науку можно взглянуть не только со стороны решения задач и создания формул. Физика также изучает Вселенную, в которой обитает человек, а поэтому жить, не зная правил этой Вселенной становится не интересно.
1.Как известно из учебников у воды нет формы, но вода все-таки имеет свою форму. Это шар.
2.В зависимости от погодных условий высота Эйфелевой башни может колебаться на 12 сантиметров. В жаркую погоду балки нагреваются до 40 градусов и под воздействием высоких температур расширяются, что и меняет высоту данного строения.
3.Чтобы почувствовать слабые токи, физику Василию Петрову пришлось удалить верхний слой эпителия на кончике пальца.
4.Чтобы понимать природу зрения, Исаак Ньютон вводил в свой глаз зонд.
5.Обыкновенный пастуший кнут считается первым приспособлением, которое преодолело звуковой барьер.
6.Можно увидеть рентгеновское излучение и видимое свечение, если развернуть скотч в вакуумном пространстве.
7.Известный всем Эйнштейн был двоечником.
8.Тело является не хорошим проводником тока.
9.Самым серьезным разделом физики считается ядерная.
10.Самый настоящий ядерный реактор действовал 2 миллиарда лет тому назад на территории Окло. Примерно 100000 лет продолжалась реакция реактора и только, когда истощилась урановая жила это завершилось.
11.В 5 раз ниже температура на поверхности Солнца, чем температура молнии.
12.Больше, чем комар весит капелька дождя.
13.Насекомые, которые летают, ориентированы в процессе полета только на свет Луны или Солнца.
14.Спектр образуется в момент, когда солнечные лучи проходят через капли в воздухе.
15.Текучесть, образованная за счет напряжения, характерна для ледников большого льда.
16.Медленнее свет распространяется в прозрачной среде, чем в вакуумной.
17.Двух снежинок с одинаковым узором не бывает.
18.Когда формируется лед, кристаллическая решетка начинает терять содержание соли, что и становится причиной возникновения ледяной и соленой воды в некоторых точках нисходящих потоков.
19.Для своих экспериментов физик Жан-Антуан Нолле в роли материала использовал людей.
20.Без использования штопора бутылку можно открыть, если прислонить газету к стене.
21.Чтобы спастись от падающего лифта, нужно занять позу «лежа», заняв при этом максимальную площадь пола. Так сила удара равномерно распределится по всему телу.
22.Воздух от Солнца нагревается не напрямую.
23.В связи с тем, что Солнце излучает свет во всех диапазонах, оно имеет белый цвет, хоть и кажется желтым.
24.Быстрее звук распространяется там, где плотнее среда.
25.Шум Ниагарского водопада приравнивается шуму фабричного цеха.
26.Вода способна проводить электричество только при помощи ионов, которые растворяются в ней.
27.Максимальная плотность воды достигается температурой 4 градуса.
28.Биогенное происхождение имеет практически весь кислород атмосферы, но до возникновения фотосинтезирующих бактерий атмосфера считалась бескислородной.
29.Первым двигателем была машина с названием эолопил, которую создал греческий ученый Герон Александрийский.
30.Спустя 100 лет после создания Николой Теслой первого радиоуправляемого корабля в продаже появились подобные игрушки.
31.Нобелевскую премию было запрещено получать в нацистской Германии.
32.Коротковолновые компоненты солнечного спектра распространяются в воздухе сильнее, нежели длинноволновые.
33.При температуре 20 градусов вода в трубопроводе, в которой есть метан, способна замерзнуть.
34.Единственным свободно встречающимся в природной среде веществом является вода.
35.Больше всего воды находится на Солнце. Вода там находится в виде пара.
36.Ток проводит не сама молекула воды, а ионы, содержащиеся в ней.
37.Диэлектриком является только дистиллированная вода.
38.Каждый шар для боулинга имеет одинаковый объем, но масса у них разная.
39.В водном пространстве можно наблюдать процесс «сонолюминесценции» — превращения звука в свет.
40.В качестве частицы электрон был обнаружен физиком из Англии Джозефом Джоном Томпсоном в 1897 году.
41.Скорость электрического тока приравнивается к скорости света.
42.Подключив обыкновенные наушники ко входу в микрофон, их можно применить в качестве микрофона.
43.Даже при очень сильном ветре в горах облака способны неподвижно висеть. Это происходит из-за того, что ветер двигает воздушные массы определённым потоком или волной, но при этом разнообразные преграды обтекаются.
44.Пигментов синего или зеленого цвета в оболочке человеческого глаза нет.
45.Чтобы получилось посмотреть сквозь стекло, имеющее матовую поверхность, стоит наклеить на него частичку прозрачного скотча.
46.При температуре 0 градусов вода в нормальном состоянии начинает превращаться в лед.
47.В пивном напитке «Гиннесс» можно заметить, как пузырьки спускаются по стенкам бокала вниз вместо того, чтобы подниматься вверх. Это происходит из-за того, что в центре бокала пузырьки поднимаются быстрее и выталкивают жидкость вниз у края с более сильным вязким трением.
48.Впервые явление электрической дуги было описано русским ученым Василием Петровым в 1802 году.
49.От природы и температуры зависит ньютоновская вязкость жидкости. Но если же вязкость зависит еще и от градиента скорости, то она называется неньютоновской.
50.В морозильной камере горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная.
51.За 8,3 минуты фотоны в открытом космосе способны добраться до Земли.
52.Около 3500 планет земного типа открыто на сегодняшний день.
53.У всех предметов идентичная скорость падения.
54.Если комар находится на земле, то капля дождя способна его убить.
55.Все предметы, которые окружают человека, состоят из атомов.
56.Стекло не считается твердым телом, потому что это жидкость.
57.Жидкие, газообразные и твердые тела всегда при нагревании расширяются.
58.Примерно 6000 раз в минуту ударяет молния.
59.Если в воздухе сгорает водород, то образуется вода.
60.Свет имеет вес, но не имеет массы.
61.В тот момент, когда человек чиркает спичкой о коробок, температура спичечной головки повышается до 200 градусов.
62.В процессе кипячения воды ее молекулы продвигаются со скоростью 650 метров в секунду.
63.На кончике иглы в швейной машинке развивается давление до 5000 атмосфер.
64.В мировом пространстве существует физик, который получил награду за самое нелепое открытие в науке. Это Андрей Гейм из Голландии, который в 2000-ом году был премирован за изучение левитации лягушек.
65.Бензин не имеет какую-то конкретную точку для замерзания.
66.В 10 раз быстрее воздуха звук проводит гранит.
67.Белый цвет отражает свет, а черный – его притягивает.
68.Добавив в воду сахар, яйцо в ней не утонет.
69.Чистый снег будет таять медленнее, нежели грязный.
70.Магнит не будет действовать на нержавеющую сталь, потому что в ней нет разных пропорций никеля, что вмешиваются в действие с атомами железа.
Большинство людей уверены, что физика — дело скучное и имеющее отдаленное отношение к жизни. Даже зная, что многим явлениям в ней есть именно научное объяснение, они считают понимание природы каждого из них доступным только специалистам.
На самом деле физика — не только уравнения, формулы и схемы. А изучающие ее люди отнюдь не покрытые книжной пылью существа. и ученых, занимающихся этой наукой, тому подтверждение.
Все, что есть на Земле и за ее пределами, подчиняется физическим законам. Люди не задумываются об этом, но пользуются в повседневной жизни. Например, всем известно, что не стоит купаться в реке в грозу, потому что нужно бояться удара молнии. Но ведь она опасна и на открытом сухом пространстве. Что же страшного именное в воде? А то, что она отлично проводит электричество, но только благодаря содержащимся примесям, ионам минеральных солей. Сами молекулы воды ток не воспринимают, но об этом несведущие люди не имеют представления. Хотя вряд ли знание подобных интересных фактов о физике сподвигло бы их наполнять бассейны дистиллированной жидкостью и купаться в грозу.
Любой человек хоть раз в жизни ездил в лифте. И многим приходила в голову мысль о том, что делать, если он начнет падать с высоты. Большинство решили бы, что в таких обстоятельствах шансов выжить нет. Или что в момент удара необходимо подпрыгнуть. На самом деле рассчитать это время нереально. Но если сделать так, чтобы сила удара пришлась на как можно большую площадь поверхности тела, возможно, все обойдется. То есть попросту нужно лечь на пол. Как видно, интересные факты о физике
способны спасти жизнь.
Иногда законы науки выглядят как чудо. Например, при открывании бутылки, запечатанной пробкой, о стену. Если прикрыть последнюю свернутой бумагой и ударить о нее дном сосуда строго под углом в 90 градусов, затычка выйдет настолько, что ее будет можно вынуть без штопора. Это возможно благодаря резкому изменению скорости потока жидкости в бутылке из-за столкновения со стеной. Удар приходится как раз на пробку.
Не пропусти! Интересные факты о грибах
А чтобы умельцы открывать бутылки и опустошать их в большом количестве знали в этом меру, Пифагор в свое время придумал особую кружку. Заполнить ее жидкостью можно только до определенного уровня. Все, что выше, вытекает наружу. Подобное возможно благодаря имеющейся внутри кружки изогнутой трубке, один край которой раскрыт со стороны дна, а другой имеет выход внутрь. Это ничто иное как закон о сообщающихся сосудах, открытый Паскалем.
Изучающие эту науку люди обладают не только высоким интеллектом и интересом к необычному, но и самоотверженностью, чувством юмора и тягой к прекрасному. Свидетельства тому — :
Не пропусти! Интересные факты о фильмах
Зачет(11 ) Пересдача(3 )
Трудно найти человека, который бы не интересовался окружающим его миром и теми явлениями, которые в нем происходят. С их помощью можно расширить круг своих знаний. Предлагаем обратить внимание на наиболее интересные факты о физике.
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.
