Z reguły niewielu uczniów lubi szkolne nauki o właściwościach i strukturze materii. A właściwie - żmudne rozwiązanie problemów, złożone formuły, niezrozumiałe kombinacje znaków specjalnych itp. Ogólnie rzecz biorąc, czysty mrok i melancholia. Jeśli tak myślisz to ten materiał- zdecydowanie dla ciebie.
W tym artykule przybliżymy Ci najciekawsze fakty z fizyki, które sprawią, że nawet obojętny człowiek inaczej spojrzy na nauki przyrodnicze. Bez wątpienia fizyka jest bardzo użyteczną i interesującą nauką i wiąże się z nią wiele ciekawych faktów na temat Wszechświata.
1. Dlaczego słońce jest czerwone rano i wieczorem? Wspaniały przykład faktu ze zjawisk fizycznych w przyrodzie. Faktycznie, światło jest żarowe ciało niebieskie- biały. Biała poświata, wraz ze zmianą widma, ma tendencję do przybierania wszystkich kolorów tęczy.
Promienie słoneczne przechodzą rano i wieczorem przez liczne warstwy atmosfery. Cząsteczki powietrza i drobne cząstki suchego pyłu mogą blokować przepływ światła słonecznego, najlepiej przepuszczając tylko czerwone promienie.
2. Dlaczego czas ma tendencję do zatrzymywania się z prędkością światła? Jeśli wierzysz ogólna teoria zaproponowanej teorii względności, wartość bezwzględna prędkości propagacji fal elektromagnetycznych w ośrodku próżniowym jest stała i równa trzystu milionów metrów na sekundę. Jest to właściwie zjawisko wyjątkowe, biorąc pod uwagę, że nic w naszym wszechświecie nie może przekroczyć prędkości światła, ale to wciąż opinia teoretyczna.
W jednej z teorii, której autorem jest Einstein, znajduje się interesujący fragment, który mówi, że im większa jest prędkość, tym wolniej zaczyna płynąć czas w porównaniu z otaczającymi obiektami. Na przykład, jeśli będziesz prowadzić samochód przez godzinę, postarzejesz się nieco mniej, niż gdybyś leżał w domu w łóżku i oglądał programy telewizyjne. Jest mało prawdopodobne, aby nanosekundy miały zauważalny wpływ na Twoje życie, ale udowodniony fakt pozostaje faktem.
3. Dlaczego ptak siedzący na przewodzie elektrycznym nie umiera w wyniku porażenia prądem? Ptak siedzący na linii energetycznej nie jest zszokowany, ponieważ jego ciało nie jest wystarczająco przewodzące. W miejscach, w których ptak styka się z drutem, tworzone jest tak zwane połączenie równoległe i odtąd drut wysokiego napięcia jest najlepszym przewodnikiem prądu; przez ciało samego ptaka przepływa tylko minimalny prąd, który nie jest w stanie wyrządzić znacznej szkody zdrowiu ptaka.
Ale gdy tylko opierzony i puszysty kręgowiec stojący na drucie zetknie się z uziemionym przedmiotem, na przykład metalową częścią linii wysokiego napięcia, natychmiast się wypali, ponieważ opór w tym przypadku staje się zbyt duży , a cały prąd elektryczny przebija ciało nieszczęsnego ptaka.
4. Ile ciemnej materii jest we Wszechświecie?Żyjemy w świecie materialnym i wszystko, co widzimy wokół nas, to materia. Mamy możliwość dotknięcia, sprzedania, zakupu, materiał możemy zutylizować według własnego uznania. Jednak we Wszechświecie jest nie tylko obiektywna rzeczywistość w postaci materii, ale także ciemnej materii (fizycy często o tym mówią” fuks„) to rodzaj materii, która nie ma tendencji do emisji fale elektromagnetyczne i wchodzić z nimi w interakcję.
Z oczywistych powodów nikt nie był w stanie zobaczyć ani dotknąć ciemnej materii. Naukowcy doszli do wniosku, że jest obecny we Wszechświecie, wielokrotnie obserwując pośrednie dowody na jego istnienie. Powszechnie przyjmuje się, że jej udział w składzie Wszechświata wynosi 22%, podczas gdy znana nam materia zajmuje zaledwie 5%.
5. Czy we Wszechświecie istnieją planety podobne do Ziemi? Bez wątpienia istnieją! Biorąc pod uwagę skalę Wszechświata, prawdopodobieństwo tego naukowcy oceniają jako dość wysokie.
Jednak dopiero niedawno naukowcy z NASA zaczęli aktywnie odkrywać takie planety, położone nie dalej niż 50 lat świetlnych od Słońca, zwane egzoplanetami. Egzoplanety to planety podobne do Ziemi, które krążą wokół osi innych gwiazd. Do chwili obecnej odkryto ponad 3500 planet podobnych do Ziemi, a naukowcy coraz częściej odkrywają alternatywne miejsca do życia dla ludzi.
6. Wszystkie obiekty spadają z tą samą prędkością. Niektórym może się wydawać, że ciężkie przedmioty spadają znacznie szybciej niż lekkie – jest to całkowicie logiczne założenie. Z pewnością krążek hokejowy spada ze znacznie większą prędkością niż ptasie piórko. W rzeczywistości tak jest, ale nie z winy powszechnej grawitacji - głównym powodem, dla którego możemy to zaobserwować, jest to, że otoczka gazowa otaczająca planetę stawia potężny opór.
Minęło 400 lat, odkąd po raz pierwszy uświadomiłem sobie, że uniwersalna grawitacja dotyczy jednakowo wszystkich obiektów, niezależnie od ich grawitacji. Gdybyś mógł powtórzyć eksperyment z krążkiem hokejowym i ptasim piórem w kosmosie (gdzie nie ma ciśnienia atmosferycznego), spadłyby z tą samą prędkością.
7. Jak zorza polarna pojawia się na Ziemi? Przez całe swoje istnienie ludzie obserwowali jeden z cudów natury naszej planety - zorzę polarną, ale jednocześnie nie mogli zrozumieć, co to jest i skąd pochodzi. Na przykład starożytni ludzie mieli swój własny pomysł: grupa rdzennych ludów Eskimosów wierzyła, że jest to święte światło emitowane przez dusze zmarłych ludzi, a u starożytnych Kraje europejskie Zakładali, że są to działania militarne, na które skazani są na zawsze polegli w wojnach obrońcy ich państwa.
Pierwsi naukowcy wpadli na rozwiązanie tajemnicze zjawisko nieco bliżej - przedstawili do ogólnoświatowej dyskusji teorię, że blask powstaje w wyniku odbicia promieni świetlnych od brył lodu. Współcześni badacze uważają, że wielokolorowe światło powstaje w wyniku zderzenia milionów atomów i cząstek pyłu z naszej powłoki atmosferycznej. Fakt, że zjawisko to jest powszechne głównie na biegunach, tłumaczy się tym, że w tych obszarach siła ziemskiego pola magnetycznego jest szczególnie silna.
8. Ruchome piaski wsysają głęboko. Siła wyciągnięcia utkniętej stopy z piasku przesyconego powietrzem i wilgocią ze źródeł wznoszących się przy prędkości 0,1 m/s jest równa sile podnoszenia przeciętnego samochodu osobowego. Niezwykły fakt: ruchome piaski to płyn nienewtonowski, który nie jest w stanie całkowicie wchłonąć ludzkiego ciała.
Dlatego ludzie pogrążeni w ruchomych piaskach umierają z wycieńczenia lub odwodnienia, nadmiernego promieniowania ultrafioletowego lub z innych powodów. Nie daj Boże, znajdziesz się w takiej sytuacji; warto pamiętać, że wykonywanie gwałtownych ruchów jest surowo zabronione. Spróbuj odchylić ciało maksymalnie do tyłu, rozłożyć szeroko ramiona i poczekać na pomoc ekipy ratunkowej.
9. Dlaczego jednostkę miary mocy napojów alkoholowych i temperatury nazywa się tym samym - stopniem? W XVII-XVIII w. obowiązywała powszechnie przyjęta naukowa zasada kaloryczności – tzw. materii nieważkiej, która znajdowała się w ciałach fizycznych i była przyczyną zjawisk termicznych.
Zgodnie z tą zasadą ciała fizyczne bardziej ogrzane zawierają wielokrotnie więcej skoncentrowanej substancji kalorycznej niż ciała mniej ogrzane, dlatego też moc napojów alkoholowych określano jako temperaturę mieszaniny substancji i kalorii.
10. Dlaczego kropla deszczu nie zabija komara? Fizykom udało się dowiedzieć, w jaki sposób komary potrafią latać w deszczową pogodę i dlaczego krople deszczu nie zabijają krwiopijców. Wielkość owadów jest taka sama jak wielkość kropli deszczu, ale jedna kropla waży 50 razy więcej komarów. Siłę upadku można porównać do uderzenia samochodu lub nawet autobusu w ciało człowieka.
Mimo to deszcz nie przeszkadza owadom. Powstaje pytanie – dlaczego? Prędkość lotu kropli deszczu wynosi około 9 metrów na sekundę. Kiedy owad dostanie się do skorupy kropli, wywierany jest na niego ogromny nacisk. Przykładowo, gdyby człowiek został poddany takiemu naciskowi, jego organizm nie byłby w stanie tego wytrzymać, natomiast komar jest w stanie bezpiecznie wytrzymać taki stres ze względu na specyficzną budowę szkieletu. A żeby móc dalej lecieć w danym kierunku, komarowi wystarczy strząsnąć włos z kropli deszczu.
Naukowcy twierdzą, że objętość kropli jest wystarczająca, aby zabić komara, jeśli znajdzie się on na ziemi. Natomiast brak konsekwencji po uderzeniu kropli deszczu w komara wynika z faktu, że ruch związany z kroplą pozwala zminimalizować przekazywanie energii owadowi.
W tej nauce istnieje wciąż nieograniczona liczba faktów. A gdyby dzisiejsi znani naukowcy nie interesowali się fizyką, nie wiedzielibyśmy o wszystkich ciekawych rzeczach, które dzieją się wokół nas. Osiągnięcia znanych fizyków pozwoliły nam zrozumieć znaczenie uzasadniania praw-zakazów, stwierdzeń praw i praw absolutnych dla życia ludzkości.
Ciekawe fakty o fizyce, nauce szkoły przyrodniczej, pozwoli Ci poznać najzwyklejsze, na pierwszy rzut oka, procesy od niezwykłej strony.
Kropla deszczu waży więcej niż komar. Ale włosy znajdujące się na powierzchni ciała owada praktycznie nie przenoszą impulsu z kropli na komara. Dlatego owad przeżywa nawet podczas ulewnego deszczu. Przyczynia się do tego jeszcze jeden czynnik. Zderzenie wody z komarem następuje na luźnej powierzchni. Dlatego jeśli cios spadnie na środek owada, opada on kroplą przez pewien czas, a następnie szybko się uwalnia. Jeśli deszcz pada niecentralnie, trajektoria komara nieznacznie się zmienia.
Ciekawe fakty na temat atomu
Rozszczepianie atomów to nie tylko proces chemiczny, w niektórych przypadkach może to być ludzkie hobby. I jest przykład ze Szwecji - mężczyzna (najwyraźniej nie mając nic do roboty) założył w swojej małej kuchni mini-laboratorium w postaci „reaktora jądrowego” i tam faktycznie przeprowadzał takie proste eksperymenty, inwestując tylko niecałe 1000 dolarów na tę fascynującą wyprawę.
Interesujące czynniki dotyczące temperatury.
Czy wiesz, że człowiek był w stanie wytworzyć w żywym organizmie niewiarygodnie wysoką temperaturę -4 miliardów stopni Celsjusza? A to, aby można było nawigować, jest 250 razy wyższe niż temperatura jądra Słońca!
Ciekawe fakty na temat światła.
Światło ma zerową masę, ale ma ogromną energię kinetyczną, wywierającą nacisk na każdy oświetlany przez siebie obiekt. Ten niesamowita umiejętność Projektanci próbują wykorzystać światło do przemieszczania satelitów w przestrzeni.
Ciekawostka o burzach .
Nie wszyscy wiedzą, dlaczego nie można pływać podczas burzy.Ponieważ woda jest doskonałym przewodnikiem prądu elektrycznego, dzięki rozpuszczonym w niej różnym solom mineralnym prawdopodobieństwo uderzenia pioruna jest dość wysokie. Jeśli woda zostanie destylowana, wręcz przeciwnie, zamieni się w dielektryk.
Ciekawostka dotycząca działania windy.
Każdy choć raz w życiu jechał windą. I wiele osób zastanawiało się, co zrobić, jeśli zacznie spadać z wysokości. Większość stwierdziłaby, że w takich okolicznościach nie ma szans na przeżycie. Albo że w momencie uderzenia trzeba skoczyć. Tak naprawdę nie da się tego czasu obliczyć. Ale jeśli zadbasz o to, aby siła uderzenia spadła na jak największą powierzchnię ciała, być może wszystko się ułoży. Oznacza to, że wystarczy położyć się na podłodze. Jak widać, ciekawe fakty z fizyki może uratować życie.
Dlaczego ptak siedzący na drucie nie umiera od porażenia prądem?
Ptak siedzący na linii wysokiego napięcia nie cierpi z powodu prądu, ponieważ jego ciało jest słabym przewodnikiem prądu. W miejscach, w których łapy ptaka dotykają drutu, powstaje połączenie równoległe, a ponieważ drut znacznie lepiej przewodzi prąd, przez samego ptaka przepływa bardzo mały prąd, który nie może wyrządzić szkody. Gdy jednak ptak na drucie dotknie innego uziemionego przedmiotu, np. metalowej części wspornika, natychmiast ginie, bo wtedy opór powietrza jest zbyt duży w porównaniu z oporem ciała i cały prąd płynie przez ptaka.
Które cząstki elementarne zostały nazwane na cześć dźwięków wydawanych przez kaczki?
Murray Gell-Mann, który wysunął hipotezę, że hadrony składają się z jeszcze mniejszych cząstek, postanowił nazwać te cząstki dźwiękiem wydawanym przez kaczki. Powieść Jamesa Joyce’a „Finnegans Wake” pomogła mu sformułować ten dźwięk w odpowiednie słowo, a mianowicie wers: „TrzykwarkiDoSkrzyknąćOcena! Stąd cząstki otrzymały nazwę kwarki, choć wcale nie jest jasne, jakie znaczenie dla Joyce'a miało to wcześniej nieistniejące słowo.
Ciekawostka o infradźwiękach.
Wiadomo, że infradźwięki to dźwięki o wibracjach mniejszych niż 16 herców. I tak raz na sztukę o średniowieczu przywieziono do teatru, w którym miała się rozgrywać akcja, fajkę o długości prawie 40 metrów. Ponieważ wiadomo, że im dłuższa rura, tym niższy dźwięk wytwarza. Obliczono, że częstotliwość dźwięku nowej fajki powinna wynosić 8 Hz i teoretycznie człowiek nie powinien jej słyszeć, ale została wyprzedana. Kiedy grano na trąbce, wydobywał się dźwięk o częstotliwości 5 Hz, co odpowiada rytmowi alfa ludzki mózg. Na sali zapanowała panika, ponieważ ten dźwięk wywołał strach u wszystkich obecnych.W efekcie społeczeństwo ktoś uciekł.
Trochę więcej fizyki.
1) Nic nie może się ponownie zapalić, jeśli już się spaliło.
2) Bańka jest okrągła, ponieważ znajdujące się w niej powietrze równomiernie naciska na wszystkie jej części, powierzchnia bańki jest w jednakowej odległości od jej środka.
3) Czarny przyciąga ciepło, biały je odbija.
4) Bicz wydaje dźwięk kliknięcia, ponieważ jego końcówka porusza się szybciej niż prędkość dźwięku.
5) Benzyna nie ma określonej temperatury zamarzania - może zamarznąć w dowolnej temperaturze od -118 C do -151 C. Kiedy benzyna zamarza, nie staje się całkowicie stała, ale przypomina raczej gumę lub wosk.
6) Jajko będzie pływać w wodzie z dodatkiem cukru.
7) Brudny śnieg topi się szybciej niż czysty śnieg.
8) Granit przewodzi dźwięk dziesięć razy szybciej niż powietrze.
9) Woda w postaci płynnej ma większą gęstość cząsteczkową niż w postaci stałej. Dlatego lód pływa.
10) Jeśli powiększymy szklankę wody do rozmiarów Ziemi, wówczas cząsteczki tworzące ją będą miały wielkość dużej pomarańczy.
11) Jeśli usuniesz wolną przestrzeń w atomach i pozostawisz tylko cząstki elementarne, które je tworzą, wówczas łyżeczka takiej „substancji” będzie ważyć 5 000 000 000 000 kilogramów. Zbudowane są z niego tak zwane gwiazdy neutronowe.
12) Prędkość światła zależy od materiału, w którym się rozchodzi. Naukowcom udało się spowolnić fotony do 17 metrów na sekundę, przepuszczając je przez wlewek rubidu schłodzony do temperatury bardzo bliskiej zera absolutnego (-273 stopni Celsjusza).
Ciekawe fakty dotyczące fizyki, nauki szkoły przyrodniczej, pozwolą Ci poznać najzwyklejsze, na pierwszy rzut oka, procesy od niezwykłej strony.
- 1. Temperatura błyskawicy jest pięciokrotnie wyższa od temperatury na powierzchni Słońca i wynosi 30 000 K.
- 2. Kropla deszczu waży więcej niż komar. Ale włosy znajdujące się na powierzchni ciała owada praktycznie nie przekazują impulsu z kropli na komara. Dlatego owad przeżywa nawet podczas ulewnego deszczu. Przyczynia się do tego jeszcze jeden czynnik. Zderzenie wody z komarem następuje na luźnej powierzchni. Dlatego jeśli cios trafi w środek owada, opada on przez pewien czas kroplą, a następnie szybko się uwalnia. Jeśli deszcz pada niecentrycznie, trajektoria komara nieznacznie się zmienia.
- 3. Siła wyciągania nogi z ruchomych piasków przy prędkości 0,1 m/s jest równa sile podnoszenia samochodu. Ciekawostka: ruchome piaski to płyn Newtona, który nie może całkowicie wchłonąć człowieka. Dlatego ludzie utknięci w piasku umierają z powodu odwodnienia, ekspozycji na słońce lub z innych powodów. Jeśli znajdziesz się w takiej sytuacji, lepiej nie wykonywać gwałtownych ruchów. Spróbuj przewrócić się na plecy, rozłóż szeroko ramiona i poczekaj na pomoc.
- 4. Czy po ostrym machnięciu batem usłyszałeś kliknięcie? Wynika to z faktu, że jego końcówka porusza się z prędkością ponaddźwiękową. Nawiasem mówiąc, bicz jest pierwszym wynalazkiem, który przełamał barierę naddźwiękową. To samo dzieje się z samolotem lecącym z prędkością większą niż dźwięk. Kliknięcie przypominające eksplozję jest spowodowane falą uderzeniową wytworzoną przez samolot.
- 5. Interesujące fakty z fizyki dotyczą także istot żywych. Na przykład podczas lotu wszystkie owady kierują się światłem Słońca lub Księżyca. Utrzymują kąt, w którym oświetlenie jest zawsze z jednej strony. Jeśli owad wleci w światło lampy, porusza się po spirali, ponieważ jego promienie rozchodzą się nie równolegle, ale promieniowo.
- 6. Promienie słoneczne przechodzące przez kropelki w powietrzu tworzą widmo. A jego różne odcienie załamują się pod różnymi kątami. W wyniku tego zjawiska powstaje tęcza – okrąg, którego część ludzie widzą z ziemi. Środek tęczy zawsze znajduje się na linii prostej poprowadzonej od oka obserwatora do Słońca. Tęczę wtórną można zobaczyć, gdy światło w kropli odbije się dokładnie dwukrotnie.
- 7. Lód dużych lodowców charakteryzuje się odkształceniem, to znaczy płynnością pod wpływem naprężeń. Z tego powodu lodowce Himalajów poruszają się z prędkością od dwóch do trzech metrów dziennie.
- 8. Czy wiesz, na czym polega efekt Mpemby? Zjawisko to odkrył w 1963 roku tanzański uczeń Erasto Mpemba. Chłopiec zauważył, że gorąca woda w zamrażarce ma tendencję do zamarzania szybciej niż zimna. Do dziś naukowcy nie potrafią jednoznacznie wyjaśnić tego zjawiska.
- 9. W przezroczystym ośrodku światło przemieszcza się wolniej niż w próżni.
- 10. Naukowcy uważają, że nie ma dwóch płatków śniegu o takim samym wzorze. Możliwości projektowania jest dla nich jeszcze więcej niż atomów we Wszechświecie.
1. Jak zaczęło się życie?
Pojawienie się pierwszego żywego stworzenia z materiału nieorganicznego około 4 miliardów lat temu wciąż jest owiane tajemnicą. W jaki sposób stosunkowo proste cząsteczki zawarte w pierwotnym oceanie tworzyły coraz bardziej złożone substancje? Dlaczego niektóre z nich nabyły zdolność pochłaniania i przekształcania energii, a także samoreprodukcji (dwie ostatnie właściwości są charakterystycznymi cechami istot żywych)? Na poziomie molekularnym wszystkie te zdarzenia niewątpliwie reprezentują reakcje chemiczne, dlatego też kwestię pochodzenia życia należy rozpatrywać w ramach chemii.
Chemicy nie mają za zadanie rozumieć niezliczonych scenariuszy tego, jak sprawy mogły rozegrać się miliardy lat temu. Niezależnie od tego, czy katalizatory nieorganiczne, takie jak grudki gliny, brały udział w tworzeniu samoreplikujących się polimerów (takich jak cząsteczki DNA lub białka); czy też w odległej przeszłości istniał „świat RNA”, w którym „ kuzyn»DNA (cząsteczka RNA) katalizowała powstawanie białek i pojawiła się wcześniej niż inne biopolimery.
Konieczne jest sprawdzenie słuszności tych hipotez poprzez przeprowadzenie reakcji chemicznych w probówce. Wykazano już, że niektóre stosunkowo proste substancje chemiczne mogą oddziaływać ze sobą tworząc „elementy budulcowe” biopolimerów, takie jak białka i kwasy nukleinowe, czyli tzw. odpowiednio aminokwasy i nukleotydy. W 2009 roku zespół biologów molekularnych pod kierownictwem Johna Sutherlanda z Laboratorium Biologii Molekularnej w Cambridge wykazał możliwość otrzymywania nukleotydów z cząsteczek, które prawdopodobnie występowały w pierwotnym oceanie. Inna grupa badaczy interesowała się zdolnością niektórych RNA do działania jako katalizatory, co wskazywałoby na możliwe istnienie świata RNA. W ten sposób krok po kroku możemy zbudować pomost od materii nieożywionej do samoreprodukujących się systemów żywych.
Teraz, gdy dowiedzieliśmy się wiele o naszych sąsiadach w Układzie Słonecznym - o obecności wody na Marsie, o jeziorach węglowodorowych na Tytanie, księżycu Saturna, o zimnych, słonych oceanach najwyraźniej ukrytych pod lodową skorupą Europy i Ganimedesa, księżyce Jowisza i wiele innych rzeczy - kwestia pochodzenia ziemskich form życia stała się częścią globalnego problemu: jakie warunki są niezbędne do powstania życia i w jakich granicach mogą zmieniać się jego zasady chemiczne? Zakres pytań uległ dalszemu rozszerzeniu w ciągu ostatnich 15 lat, podczas których odkryto ponad 500 planet krążących wokół innych gwiazd poza Układem Słonecznym. Te światy o niezwykłej różnorodności pozostają do odkrycia.
Takie odkrycia zmusiły chemików do zmiany poglądów na temat chemicznych podstaw życia. Dlatego przez długi czas uważano, że absolutnie niezbędnym warunkiem jego powstania jest obecność wody. Dziś naukowcy nie są co do tego pewni. Może zamiast wody w warunkach ultrawysokiego ciśnienia w górnych warstwach Jowisza odpowiedni byłby ciekły amoniak, formamid, ciekły metan lub wodór? I dlaczego pojawienie się DNA, RNA i białek miałoby być niezbędnym warunkiem powstania żywych systemów? Stworzono sztuczne struktury chemiczne, które są zdolne do samoreprodukcji bez użycia kwasów nukleinowych. Być może wystarczy prosty układ molekularny, który może posłużyć za matrycę do samego kopiowania?
„Analiza współczesnych form życia na Ziemi” – mówi Steven Benner z Foundation for Applied Molecular Evolution w Gainesville na Florydzie – „nie daje odpowiedzi na pytanie, czy ich podstawowe podobieństwa (wykorzystanie DNA i białek) wynikają z obecności wspólnego przodka lub świadczy o powszechności życia.” Jeśli jednak upieramy się przy tym, że musimy pozostać w ramach znane fakty, to nigdzie nie dojdziemy.
2 Jak powstają cząsteczki?
Budowa cząsteczek jest głównym przedmiotem studiów studentów kierunków chemicznych, natomiast graficzne przedstawienie cząsteczek w postaci układu okręgów i linii pomiędzy nimi, odpowiadających atomom i wiązaniem chemicznym, jest czystą konwencją, do której się ucieka dla wygody. Wśród naukowców nadal nie ma zgody co do tego, który obraz cząsteczek jest najbliższy rzeczywistości.
W latach dwudziestych XX wieku Niemieccy fizycy teoretyczni Walter Heitler i Fritz London pokazali, że wiązania chemiczne można przedstawić za pomocą równań nowo powstającej fizyki kwantowej, a wielki amerykański chemik Linus Poling postawił hipotezę, że wiązania powstają, gdy nakładają się w przestrzeni chmur elektronowych różnych atomów. Alternatywna teoria Roberta Millikena i Friedricha Hunda zaproponowała, że wiązania chemiczne (z wyjątkiem jonowych) są wynikiem nakładania się orbitali atomowych zewnętrznych elektronów oddziałujących atomów i pojawienia się orbitalu molekularnego otaczającego te atomy. Wchodzimy tutaj w sferę kompetencji chemii teoretycznej, która jest w istocie jedną z dziedzin fizyki.
Koncepcja tworzenia wiązań chemicznych poprzez nakładanie się orbitali atomowych stała się powszechna, jednak nie wszyscy wierzą, że jest ona uniwersalna. Faktem jest, że zbudowane na jej podstawie modelowe struktury cząsteczek opierają się na szeregu założeń upraszczających i dlatego stanowią jedynie przybliżenie. W rzeczywistości każda cząsteczka to pewna grupa jąder atomowych zanurzona w chmurze elektronów, a jądra, mówiąc w przenośni, konkurują ze sobą w „przyciąganiu jej do siebie”, dzięki czemu cała struktura „oddycha” i zmienia się. W obecnych modelach cząsteczki są formacjami statycznymi, zbudowanymi z uwzględnieniem tylko niektórych ważnych właściwości.
W ramach teorii kwantowej nie da się tego podać ogólna definicja wiązanie chemiczne, co odpowiadałoby wyobrażeniom na ten temat chemików, których praca ostatecznie sprowadza się do zniszczenia jednych wiązań chemicznych i powstania innych. Obecnie istnieje wiele sposobów przedstawiania cząsteczek jako połączonych ze sobą atomów. Według chemika kwantowego Dominica Marxa z Uniwersytetu w Bochum w Niemczech prawie wszystkie z nich są „w niektórych przypadkach dobre, a w innych zupełnie nieodpowiednie”.
Stosując modelowanie komputerowe, można dziś z dużą dokładnością przewidzieć strukturę i właściwości cząsteczek w oparciu o zasady mechaniki kwantowej – ale tylko pod warunkiem, że liczba elektronów biorących udział w tworzeniu wiązań chemicznych jest stosunkowo niewielka. „Chemia obliczeniowa pozwala uzyskać najbardziej realistyczny obraz tego, co się dzieje” – mówi Marks. Modelowanie komputerowe można uznać za wirtualny eksperyment odtwarzający przebieg reakcji chemicznej. Gdy jednak liczba elektronów zbliża się do kilkudziesięciu, metody numeryczne stają się bezsilne nawet w przypadku najpotężniejszych komputerów. W związku z tym pojawia się pytanie: jak na przykład można modelować złożone procesy biochemiczne zachodzące w komórce, czy zachowanie układów wieloskładnikowych?
3. Jak czynniki zewnętrzne wpływają na nasze geny?
Przez długi czas w społeczności biologicznej dominował pogląd, że o indywidualności każdego z nas decydują to, jakie posiadamy geny. Równie ważne jest jednak to, jakich używamy. Podobnie jak gdzie indziej w biologii, ta ostatnia jest nierozerwalnie związana z tą samą chemią.
Komórki zarodka na najwcześniejszych etapach dają początek tkankom wszystkich możliwych typów. W miarę rozwoju tzw. pluripotencjalne komórki macierzyste różnicują się i przekształcają w wyspecjalizowane (komórki krwi, komórki mięśniowe, komórki nerwowe itp.). Te ostatnie zachowują swoje indywidualne właściwości przez całe życie organizmu. Powstawanie organizmu ludzkiego polega zasadniczo na chemicznej transformacji chromosomów komórek macierzystych, w wyniku której zmienia się zestaw funkcjonujących i cichych genów.
Jednym z rewolucyjnych odkryć w dziedzinie klonowania i badania komórek macierzystych jest to, że transformacje te są odwracalne. W procesie różnicowania komórki nie dezaktywują niektórych genów, utrzymując w dobrym stanie tylko te, które są obecnie potrzebne. Wyłączają je i utrzymują w stanie gotowości bojowej. Geny te można aktywować np. pod wpływem pewnych chemikaliaśrodowisko zewnętrzne.
Szczególnie interesujący i tajemniczy z chemicznego punktu widzenia jest fakt, że regulacja aktywności genów odbywa się na poziomie supraatomowym i supramolekularnym, przy udziale całych grup cząsteczek oddziałujących ze sobą. Chromatyna, kompleks DNA i białek tworzący chromosomy, ma strukturę hierarchiczną. Po pierwsze, dwuniciowa cząsteczka DNA owija się wokół cylindrycznych cząstek składających się ze specjalnych białek - histonów. Następnie powstały „sznur paciorków” układa się w przestrzeni w struktury wyższego rzędu. Komórka ściśle kontroluje proces fałdowania – jej aktywność zależy od tego, w którym miejscu chromatyny trafi dany gen.
Restrukturyzacja struktury chromatyny zachodzi przy udziale specjalnych enzymów, które odgrywają kluczową rolę w różnicowaniu komórek. W embrionalnych komórkach macierzystych chromatyna ma luźną, nieuporządkowaną strukturę, która staje się gęstsza w miarę wyłączania genów podczas różnicowania.
Strukturyzacji chromatyny towarzyszą przemiany chemiczne zarówno DNA, jak i histonów. Przyłączone są do nich małe cząsteczki - markery wskazujące komórce, które geny należy wyłączyć, a które przeciwnie, włączyć. Takie znaki nazywane są czynnikami epigenetycznymi, ponieważ nie wpływają na informację zawartą w genach.
W jakim stopniu dojrzałe komórki można przywrócić do stanu pluripotencji? Czy będą miały właściwości komórek macierzystych niezbędne do wykorzystania w regeneracji różnych tkanek? Odpowiedź zależy od stopnia, w jakim można odwrócić znakowanie epigenetyczne.
Oczywiste jest, że oprócz języka genetycznego, w którym zapisano wiele kluczowych instrukcji, komórki posługują się zupełnie innym językiem z chemicznego punktu widzenia – epigenetycznym. „Osoba może mieć genetyczną predyspozycję do choroby, takiej jak rak, ale to, czy ona wystąpi, czy nie, zależy od czynników środowiskowych działających poprzez kanał epigenetyczny” – mówi Bryan Turner z Uniwersytetu w Birmingham w Anglii.
4. Jak mózg tworzy pamięć?
Mózg można porównać do komputera chemicznego. Komunikacja między neuronami tworzącymi „obwody elektryczne” odbywa się za pomocą specjalnych cząsteczek - neuroprzekaźników. Są uwalniane przez jeden neuron, przekraczają szczelinę synaptyczną, wiążą się z receptorami innego neuronu, aktywują go, co aktywuje trzeci itd. W rezultacie impuls nerwowy rozprzestrzenia się wzdłuż łańcucha neuronów. Charakter chemiczny aktywność umysłowa Przejawia się to podczas zapamiętywania, kiedy jakaś informacja – numer telefonu czy jakieś wydarzenie – zostaje „wdrukowana” za pomocą sygnałów chemicznych w postaci różnych stanów sieci nerwowej. Jak oparty procesy chemiczne czy powstaje pamięć, która jest jednocześnie trwała i dynamiczna? Co to znaczy pamiętać, przemyśleć, zapomnieć?
Mamy odpowiedzi tylko na niektóre pytania. Wiemy na przykład, że odruch bezwarunkowy pojawia się w odpowiedzi na pewną kaskadę procesów biochemicznych prowadzących do zmiany ilości neuroprzekaźników w synapsie. Ale nawet tak prosty proces ma elementy krótko- i długoterminowe. Bardziej złożone zjawisko – tzw. pamięć deklaratywna (twarzy, miejsc itp.) – ma inny mechanizm i inną lokalizację w mózgu. Głównym graczem jest tu receptor neuroprzekaźnika dopaminy, który jest obecny w niektórych neuronach. Zablokowanie go zakłóca zachowanie pamięci deklaratywnej.
W tworzeniu codziennej pamięci deklaratywnej często pośredniczy tzw. długotrwałe wzmocnienie, które angażuje receptory dopaminy i towarzyszy mu ekspansja obszaru neuronu tworzącego synapsę. Wraz z poszerzeniem tego obszaru następuje wzmocnienie połączenia neuronu z jego partnerami, objawiające się zwiększeniem różnicy potencjałów w szczelinie synaptycznej pod wpływem impulsu nerwowego. Biochemia tego procesu stała się mniej więcej jasna w ciągu ostatnich kilku lat. Odkryto, że wewnątrz neuronu powstają włókna aktynowe – białko tworzące wewnętrzny szkielet komórki, który decyduje o jej wielkości i kształcie. Proces można przerwać, jeśli nie uda się ustabilizować nowo powstałym nitkom.
Pamięć długoterminowa, raz uformowana, zostaje zachowana dzięki włączeniu genów kodujących specjalne białka. Istnieją powody, aby sądzić, że zaliczają się do nich priony. Ta ostatnia może mieć jedną z dwóch alternatywnych konformacji. W pierwszym przypadku priony są łatwo rozpuszczalne, w drugim są nierozpuszczalne i przenoszą do tego stanu wszystkie cząsteczki białka. tego typu z którymi akurat mieli kontakt. W efekcie tworzą się duże agregaty prionów, które biorą udział w rozwoju różnych schorzeń neurodegeneracyjnych. To właśnie ta negatywna właściwość prionów stała się impulsem do ich identyfikacji i badań. Odkryto, że agregaty pełnią także w organizmie pożyteczne funkcje – biorą udział w zachowaniu pamięci.
W historii działania pamięci wciąż pozostaje wiele białych plam, które biochemicy będą musieli wypełnić. Jak interpretować na przykład pojęcie „pamiętania czegoś”, jeśli to „coś” jest zapisane w naszej pamięci? „Ten problem, który dopiero zaczynamy rozwiązywać, jest bardzo trudny do zrozumienia” – mówi laureat Nagrody Nobla w dziedzinie neurologii Eric Kandel z Columbia University.
Mówiąc o chemicznej naturze zjawiska pamięci, nie sposób nie poruszyć takiego zagadnienia, jak wpływ na nią farmaceutyków. Znane są już pewne substancje poprawiające pamięć. Wśród nich znajdują się hormony płciowe oraz związki syntetyczne działające na receptory nikotyny, glutaminianu, serotyny i innych neuroprzekaźników. Jak zauważa neurobiolog Gary Lynch z Uniwersytetu Kalifornijskiego, fakt, że długi łańcuch zdarzeń prowadzi do powstania pamięci długotrwałej, wskazuje, że w organizmie istnieje wiele celów, na które mogą działać leki zapamiętujące.
5. Czy istnieje granica uzupełniania układu okresowego pierwiastków?
układ okresowy pierwiastki chemiczne, który wisi w widocznym miejscu w każdej sali chemicznej, jest stale uzupełniany. Za pomocą akceleratorów fizycy jądrowi uzyskują nowe, superciężkie pierwiastki duża liczba protonów i neuronów w jądrze niż 92, które istnieją w przyrodzie. Nie są zbyt trwałe, niektóre rozpadają się w ułamku sekundy po urodzeniu. Ale chociaż takie pierwiastki istnieją, ich status nie różni się od pozostałych: mają liczbę atomową i liczbę masową oraz mają pewne właściwości chemiczne. W trakcie pomysłowych eksperymentów zbadano niektóre właściwości atomów seaborgu i hasu.
Jednym z celów takich badań jest sprawdzenie, czy istnieje granica rozszerzania układu okresowego, innymi słowy, czy pierwiastki superciężkie wykazują okresowość w swoim zachowaniu, która determinuje ich położenie w układzie okresowym. Można już powiedzieć, że jedne spełniają te wymagania, inne nie. W szczególności ich masywne jądra przyciągają elektrony z taką siłą, że zaczynają poruszać się z prędkościami bliskimi prędkości światła. W konsekwencji masa elektronów gwałtownie wzrasta, co może prowadzić do dezorganizacji poziomy energii, od którego zależą właściwości chemiczne pierwiastków, a co za tym idzie ich położenie w układzie okresowym.
Jest nadzieja, że fizycy jądrowi uda się znaleźć wyspę stabilności – pewien region, nieco poza obecnymi możliwościami otrzymywania pierwiastków syntetycznych, w którym pierwiastki superciężkie będą dłużej żyć. Pozostaje jednak zasadnicze pytanie dotyczące ich maksymalne rozmiary. Jak pokazują dość proste obliczenia mechaniki kwantowej, elektrony mogą być utrzymywane w jądrze, w którym liczba protonów nie przekracza 137. Bardziej złożone obliczenia odrzucają to ograniczenie. „Układ okresowy nie kończy się na liczbie 137; w rzeczywistości jest nieograniczony” – mówi fizyk jądrowy Walter Greiner z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie nad Menem w Niemczech. Eksperymentalna weryfikacja tego twierdzenia jest jeszcze bardzo odległa.
6. Czy można zbudować komputer w oparciu o atomy węgla?
Chipy komputerowe oparte na grafenie – sieciach atomów węgla – są potencjalnie szybsze i potężniejsze niż krzem. Produkcję grafenu sprowadzili jego twórcy Nagroda Nobla z fizyki w 2010 r., ale praktyczne zastosowanie takiej „węglowej” nanotechnologii ostatecznie zależy od tego, czy chemicy będą w stanie tworzyć struktury z precyzją atomową. W 1985 roku zsyntetyzowano fulereny, puste w środku struktury sieciowe składające się wyłącznie z atomów węgla, a sześć lat później zsyntetyzowano nanorurki węglowe ze ściankami sieci. Oczekiwano, że niezwykle trwałe struktury przewodzące prąd elektryczny znajdą szerokie zastosowanie – od produkcji na ich bazie ultramocnych materiałów kompozytowych po produkcję maleńkich przewodników i urządzeń elektronicznych, miniaturowych kapsuł molekularnych i membran do oczyszczania wody. Jednak pełny potencjał nie został jeszcze wykorzystany. Dlatego nie jest możliwa integracja nanorurek w złożone obwody elektroniczne. W ostatnim czasie w centrum uwagi nanotechnologów stał się grafit.
Udało się podzielić go na ultracienkie warstwy (jest to grafen), z których można wykonać subminiaturowe, tanie i trwałe obwody elektroniczne. Twórcy komputerów korzystający z wąskich, cienkich pasków grafenu będą mogli wytwarzać chipy bardziej zaawansowane niż krzemowe. „Z grafenu można formować struktury, które można łatwo łączyć ze sobą i osadzać w obwodach elektronicznych” – mówi Walt de Heer z Georgia Institute of Technology. Jednak metoda trawienia stosowana w mikroelektronice nie nadaje się do tworzenia grafenowych obwodów elektronicznych – jest zbyt prymitywna, dlatego dziś technologia grafenowa jest kwestią spekulacji, a nie realnych działań. Być może kluczem do rozwiązania problemu projektowania na poziomie atomowym będzie wykorzystanie metod chemii organicznej - łączenie ze sobą cząsteczek poliaromatycznych z kilku heksagonalnych pierścieni węglowych, analogów małych fragmentów sieci grafenowej.
7. Czy można uchwycić więcej energii słonecznej?
Każdy wschód słońca przypomina nam, że człowiek zużywa tylko niewielką część energii, jaką zapewnia nasze źródło światła. Główną przeszkodą w jego powszechnym zastosowaniu jest wysoki koszt krzemowych ogniw słonecznych. Jednak samo życie na naszej planecie, które docelowo opiera się na fotosyntezie, którą przeprowadzają zielone rośliny pobierając energię słoneczną, wskazuje, że ogniwa słoneczne nie muszą być bardzo wydajne, wystarczy, że będzie ich dużo (np. liście na drzewach) i byłyby tanie.
„Jednym z najbardziej obiecujących obszarów opracowania sposobów wykorzystania energii słonecznej jest produkcja paliw” – mówi Devens Gust z Arizona State University. Najłatwiej to zrobić, rozszczepiając cząsteczki wody za pomocą światła słonecznego, tworząc gazowy wodór i tlen. Nathan S. Lewis i jego współpracownicy z Kalifornijskiego Instytutu Technologii pracują nad stworzeniem sztucznego arkusza krzemowych nanodrutów, który przeprowadziłby takie rozszczepienie.
Niedawno Daniel Nocera z Massachusetts Institute of Technology doniósł o powstaniu membrany krzemowej, w której przy udziale fotokatalizatora na bazie kobaltu faktycznie następuje rozszczepienie cząsteczek wody. Nocera szacuje, że jeden galon (~3,8 l) wody może wytworzyć wystarczającą ilość paliwa, aby zasilić mały dom przez 24 godziny.
Rozwój tej technologii utrudnia brak odpowiednich katalizatorów. „Katalizator kobaltowy, taki jak ten zastosowany przez Nocera, oraz nowe katalizatory na bazie innych metali są w zasadzie potrzebne, ale są zbyt drogie” – mówi Gast. „Niestety nie wiemy, jak działa naturalny katalizator fotosyntezy na bazie manganu”.
Gast i jego współpracownicy zamierzają stworzyć zespoły molekularne do sztucznej fotosyntezy, które naśladują naturalne. Udało im się już zsyntetyzować szereg substancji, które zostaną włączone do jednego z tych zespołów. Na tej drodze przewidywane są jednak poważne przeszkody. Cząsteczki organiczne, takie jak te wykorzystywane przez naturę, są niestabilne. Rośliny natychmiast zastępują je nowymi, ale sztuczne liście nie są jeszcze do tego zdolne: w przeciwieństwie do żywych systemów nie mają mechanizmów biosyntetycznych.
8. Jaki jest najlepszy sposób pozyskiwania biopaliw?
Czy zamiast opracowywać technologię produkcji paliwa z wykorzystaniem energii słonecznej, lepiej wykorzystać zdolność zielonych roślin do magazynowania energii i przekształcania biomasy w paliwo? Biopaliwa takie jak etanol pochodzą z kukurydzy, a biodiesel z nasion i produkty te mają już swoje miejsce na rynku. Istnieje jednak niebezpieczeństwo, że zostanie wykorzystane zboże stanowiące podstawę diety człowieka. Jest to szczególnie niepożądane w przypadku krajów rozwijających się – eksport biopaliw może być bardzo opłacalny i pozostawić lokalną ludność bez żywności. Dodatkowo, aby zaspokoić bieżące potrzeby paliwowe, konieczne będzie zaoranie rozległych obszarów obecnie zajętych przez lasy.
Dlatego przerabianie zboża na paliwo nie wydaje się najlepszym rozwiązaniem. Jednym z rozwiązań mogłoby być wykorzystanie innych, mniej wartościowych rodzajów biomasy. W Stanach Zjednoczonych wytwarzana jest wystarczająca ilość odpadów z rolnictwa i przemysłu drzewnego, aby zaspokoić jedną trzecią potrzeb transportowych w zakresie benzyny i oleju napędowego.
Przetwarzanie tak niskiej jakości biomasy wymaga rozbicia trwałych cząsteczek, takich jak lignina i celuloza. Chemicy już wiedzą, jak to zrobić, ale istniejące metody są zbyt drogie, energochłonne i nieodpowiednie do produkcji dużych ilości paliwa.
Johnowi Hartwigowi i Aleksiejowi Siergiejewowi z Uniwersytetu Illinois udało się niedawno przezwyciężyć jedną z najpoważniejszych trudności w rozkładzie ligniny – zerwanie wiązań między atomami węgla i tlenu, które łączą ze sobą pierścienie benzenu. Zastosowali katalizator na bazie niklu.
Produkcja paliwa z biomasy na skalę przemysłową polega na przetwarzaniu na miejscu biostałego materiału w celu transportu powstałej cieczy rurami. Pojawia się tu poważny problem – surowce są silnie zanieczyszczone różnymi zanieczyszczeniami obcymi, a klasyczna chemia katalityczna zajmuje się wyłącznie substancjami czystymi. „Nie jest jeszcze jasne, jak ostatecznie wyjdziemy z tej sytuacji” – mówi Hartwig. Jedno jest pewne: problem w dużej mierze dotyczy dziedziny chemii, a jego rozwiązanie sprowadza się do znalezienia odpowiedniego katalizatora. „Prawie wszystkie procesy przemysłowe wymagają użycia odpowiednich katalizatorów” – podkreśla Hartwig po raz kolejny.
9. Czy można opracować nowe sposoby pozyskiwania substancji leczniczych?
Chemia w swej istocie jest nauką twórczą i jednocześnie praktyczną. Wytwarza cząsteczki, z których można następnie stworzyć różnorodne produkty – od materiałów o nowych właściwościach po antybiotyki potrafiące niszczyć patogenne mikroorganizmy oporne na inne leki.
W latach 90. U szczytu popularności znajdowała się chemia kombinatoryczna, kiedy to poprzez losowe łączenie „cegiełek” i wybieranie produktów o pożądanych właściwościach otrzymywano tysiące nowych cząsteczek. Kierunek ten, początkowo ogłaszany przyszłością chemii medycznej, szybko stracił na znaczeniu, gdyż wynik okazał się bliski zeru.
Być może jednak chemia kombinatoryczna czeka odrodzenie. Będzie to miało miejsce pod warunkiem uzyskania odpowiednio szerokiego zestawu cząsteczek określonego typu i znalezienia metody wyodrębnienia z tej mieszaniny mikroskopijnych ilości niezbędnych substancji. Biotechnologia jest gotowa Ci pomóc. Na przykład każdą cząsteczkę można wyposażyć w kod kreskowy oparty na DNA, co ułatwia identyfikację i izolację. Alternatywnym podejściem byłoby sekwencyjne odstrzał nieodpowiednich kandydatów – coś w rodzaju darwinowskiej selekcji in vitro. W tym celu można przedstawić sekwencję aminokwasów białka – kandydata do roli substancji leczniczej – w postaci sekwencji nukleotydowej odcinka DNA, a następnie wykorzystując mechanizm replikacji, który ma wrodzoną skłonność do błędów, uzyskiwać coraz więcej nowych wariantów, które z każdą rundą replikacji i selekcji zbliżają się do ideału.
Inne nowe metody opierają się na wewnętrznej zdolności pewnych fragmentów molekularnych do łączenia się w określoną sekwencję. Zatem sekwencja aminokwasów białek jest określana przez odpowiednie geny. Korzystając z tej zasady, chemicy mogliby w przyszłości programować cząsteczki posiadające wrodzoną zdolność do samoorganizacji. Podejście to ma tę zaletę, że minimalizuje ilość produktów ubocznych, a to z kolei zmniejsza energochłonność procesów i zużycie materiałów.
Obecnie David Liu i jego współpracownicy z Uniwersytetu Harvarda próbują wdrożyć ten pomysł. Do każdego bloku budulcowego przyszłych cząsteczek przyczepili krótki odcinek DNA kodujący łącznik, a dodatkowo zsyntetyzowali pewną cząsteczkę, która porusza się wzdłuż DNA i sekwencyjnie przyłącza jednostki monomeru do bloku budulcowego, kierując się instrukcjami zakodowanymi w segmencie DNA - proces podobny do syntezy białek w żywej komórce. Metoda Liu może być przydatna do tworzenia leków celowanych. „Wielu biologów molekularnych zajmujących się farmakologią uważa, że makrocząsteczki będą odgrywać coraz ważniejszą rolę, a wówczas główną rolę na terapii” – mówi Liu.
10. Czy możliwy jest chemiczny monitoring naszego organizmu?
Ostatnio w chemii można zaobserwować coraz wyraźniejszą tendencję do konwergencji z technologia informacyjna, w szczególności do stosowania produktów chemicznych do komunikacji z żywymi komórkami. Sam pomysł nie jest nowy: biosensory z nieszczelnościami reakcje chemiczne Zaczęto je stosować do oznaczania stężenia glukozy we krwi w latach 60. XX wieku, choć dopiero niedawno stały się powszechne w monitorowaniu cukrzycy wraz z pojawieniem się niedrogich urządzeń przenośnych. Zakres zastosowania czujników chemicznych jest szeroki: jest to wykrywanie różnych szkodliwych substancji w produkty spożywcze i wody w bardzo niskich stężeniach, określających poziom zanieczyszczenia powietrza i wiele więcej.
Istnieje jednak inny obszar – biomedycyna – w którym potencjał czujników chemicznych można w pełni wykorzystać i przynieść nieocenione korzyści. Na przykład niektóre produkty genów powiązane z konkretną chorobą nowotworową zaczynają krążyć w krwiobiegu na długo przed pojawieniem się widocznych objawów patologii, kiedy konwencjonalne metody badawcze niczego nie wykrywają. Wczesna identyfikacja takich chemicznych prekursorów nowotworów umożliwi postawienie dokładniejszej diagnozy, a co najważniejsze, postawienie jej w odpowiednim czasie. Szybkie zbudowanie profilu genomowego umożliwi dobór indywidualnego schematu leczenia i zmniejszy prawdopodobieństwo wystąpienia działań niepożądanych.
Niektórzy chemicy przewidują erę ciągłego, przyjaznego dla pacjenta monitorowania szerokiej gamy biochemicznych markerów stanu organizmu. Takie informacje mogą być przydatne chirurgowi bezpośrednio podczas operacji; zautomatyzowany system podawanie leków itp. Realizacja tych pomysłów zależy od tego, czy uda się opracować metody chemiczne umożliwiające selektywną identyfikację markerów, nawet jeśli są one obecne w organizmie w śladowych ilościach.
Fizyka molekularna często kojarzy się z nudnym i trudnym tematem. Ale często nawet nie zdajemy sobie sprawy, jak wiele zjawisk fizycznych widzimy i wykorzystujemy w naszym codziennym życiu.
Fizyka może być całkiem interesująca. Zamiast rozmawiać złożone równania opowiemy Ci o zabawnych, interesujących i przydatne fakty z fizyki.
FIZYCYM UDAŁO SIĘ SCHŁODZIĆ CZĄSTECZKI DO PRAWIE CAŁKOWITEGO ZERA
Naukowcom udało się schłodzić cząsteczki monofluorku strontu do niemal zera absolutnego „za jednym zamachem”. Fizycy opisali zastosowaną technologię w artykule w czasopiśmie Nature. W przeciwieństwie do cząsteczek i atomów w temperaturze pokojowej, materia schłodzona do temperatur bliskich zera absolutnego (minus 273,15 stopnia Celsjusza, czyli 0 stopni Kelvina) zaczyna wykazywać właściwości kwantowe (w ogrzanej materii są „zatykane” efektami termicznymi).
Fizycy często chłodzą atomy za pomocą lasera - atomy absorbują fotony, a następnie je emitują. Kiedy proces ten powtarza się wielokrotnie, atomy stopniowo tracą energię kinetyczną, czyli ochładzają się. Metody tej nie zastosowano jeszcze w przypadku cząsteczek – są one cięższe i gorzej tracą energię. Ponadto w cząsteczkach „dodatkowa” energia jest magazynowana w wiązaniach między atomami, a także w ruchach obrotowych całej cząsteczki.
W większości przypadków więcej wczesne prace atomy ochłodzono, a następnie „złożono” z nich cząsteczki. Autorzy nowego badania postanowili bezpośrednio schłodzić cząsteczki. Naukowcy eksperymentowali z monofluorkiem strontu, który ma mniejszą energię wibracyjną niż wiele innych cząsteczek. Dodatkowo fizycy dobrali kolor lasera tak, aby jego uderzenie nie powodowało rotacji cząsteczek. Na koniec badacze w specjalny sposób wstępnie schłodzili monofluorek strontu.
W rezultacie autorom udało się schłodzić cząsteczki do 300 mikrokelwinów (mikrokelwin to jedna milionowa kelwina). Obliczenia pokazują, że technologia stosowana przez naukowców pozwala obniżyć temperaturę do jeszcze niższych wartości.
Na początku 2010 roku inny zespół badaczy, pracując z cząsteczkami potasu i rubidu schłodzonymi do bardzo niskich temperatur, był w stanie bezpośrednio zaobserwować efekty mechaniki kwantowej.
Jeszcze kilka faktów...
- Przeciętny Człowiek Przyzwyczaiłem się myśleć, że każdy płyn w zasadzie nie ma swojej własnej formy, jest to jednak błędne przekonanie. Warto zauważyć, że nawet szkolny program nauczania o tym mówi. Ale naturalny kształt każdej cieczy jest kulisty. Jedynym powodem, dla którego nie jest w tej formie, jest siła grawitacji.
- Prędkość Ruch cząsteczek w wodzie może osiągnąć 650 metrów na sekundę. Oczywiście, jeśli chodzi o wrzenie.
- Czy wiesz, że samolot startujący z Moskwy do Władywostoku może przylecieć w tym samym czasie co czas wyjazd? Faktem jest, że różnica biegunów zegara wynosi 9 godziny. To jest , jeśli samolot może pokonać tę trasę w trzy godziny, to przybędziesz o tej samej porze czas , do którego odeszli.
- Warto zauważyć, że fizyka ma wiele nieścisłości i niedociągnięć, ale dziś jest jedyną nauką, która może wyjaśnić, co się dzieje z punktu widzenia ogólnego podejścia. Większość tego, co zostało przedstawione w tym artykule, jest program szkolny współczesnych zachodnich dzieci w wieku szkolnym, więc ucz się więcej i naucz się myśleć, aby dotrzymać im kroku.
Wszystkie otaczające nas przedmioty składają się z atomów. Atomy są tak małe, że w czasie, jaki zajmie nam dokończenie tego zdania, mogłoby powstać 100 000 atomów.
Tak naprawdę Grecy jako pierwsi mówili o istnieniu atomów 2400 lat temu. Ale idea atomów pojawiła się i zniknęła i nie została ponownie podjęta aż do 1808 roku, kiedy John Dalton wykazał eksperymentalnie, że atomy istnieją.
Atomy są częścią cząsteczek przedmiotów, których używamy na co dzień, których dotykamy i które oglądamy. W jednym ziarenku piasku jest tak wiele atomów, że ich liczbę można porównać z liczbą samych ziaren piasku na plaży.
Substancje stałe i ciecze
Z drugiej strony, w cieczy cząsteczki również sklejają się ściśle, ale nie tak mocno, jak w ciałach stałych, dzięki czemu mogą się poruszać i zmieniać kształt. Jednakże cieczy nie można sprężyć.
Cząsteczki gazu są ze sobą luźno związane, dzięki czemu mogą się rozprzestrzeniać i wypełniać przestrzeń. Ponadto cząsteczki gazu można skompresować do mniejszych rozmiarów.
Co ciekawe, szkło nie ciało stałe. W rzeczywistości szkło jest cieczą, ale jest tak lepkie, że nie możemy zauważyć, jak płynie.
- Największe zasoby wody w Układzie Słonecznym, choć na pierwszy rzut oka może się to wydawać dziwne, znajdują się w Słońcu. Cząsteczki wody w formiePary skupione są w plamach słonecznych, których temperatura jest o półtora tysiąca stopni niższa niż w otaczających je obszarach, a także w obszarze minimum temperaturowego – wąskiej warstwy pod powierzchnią gwiazdy.
- Istnieje szczególny stan materii zwany „nieuporządkowaną superjednorodnością”, w którym substancja ma jednocześnie właściwości kryształu i cieczy. Po raz pierwszy została odkryta przez fizyków w ciekłym helu i prostej plazmie, ale ostatnio biolodzy zetknęli się z nią także podczas badań kurczaków kolejne oko. Jak a inni mają dzieńx ptaki, kury mają pięć rodzajów fotoreceptorów: czerwony, niebieski, zielony, fioletowy i odpowiadają za percepcję światła. Wszystkie są rozmieszczone na siatkówce w jednej warstwie, na pierwszy rzut oka losowo, ale po szczegółowym zbadaniu wzorów okazało się, że wokół każdego stożka istnieje tzw. strefa zakazana, w której pojawiają się inne czopki ten sam typ jest wykluczony. W rezultacie system nie może przyjąć jednej uporządkowanej formy, ale stara się być jak najbardziej jednorodny.
- Czasem pod grubością lód morski Mogą pojawić się duże sople podobne do stalaktytów. Kiedy tworzy się lód, w jego sieci krystalicznej nie ma już soli, a w niektórych miejscach tworzą się strumienie bardzo zimnej i bardzo słonej wody. W pewnych warunkach wokół takiego przepływu warstwa lodu zaczyna rosnąć w dół. Jeżeli w danym miejscu morze jest płytkie, sopel lodu sięga dna i dalej rośnie w jakimś poziomym kierunku.