Конструктор атомы и молекулы
Обновлено: 03.05.2024
Набор предназначен для использования в общеобразовательных учреждениях на уроках неорганической и органической химии при изучении разделов: «Атомно-молекулярное учение», «Строение вещества», «Теория химического строения органических веществ» для составления моделей молекул различных химических веществ и кристаллических решеток. Комплектность 1. Набор -1шт. (состоит из шаров и стержней) 2. Паспорт-1шт. 3. Упаковочная коробка-1шт. Набор состоит из цветных пластмассовых шаров (моделирующих атомы химических элементов) и соединительных стержней, моделирующих различные виды химических связей. Окраска шаров соответствует принятой стандартной цветовой индикации. В шарах имеются отверстия, в которые вставляются соединительные стержни. Отверстия расположены на моделях атомов таким образом, что при сборке моделей молекул соблюдаются углы между химическими связями. Некоторые химические элементы в разных соединениях проявляют переменную валентность или изменяется угол между образующимися химическими связями, поэ
2007-2022 © ООО "Центр Ректор"
111394, Москва, ул. Перовская, д.65.
Тел/факс: (495) 789-46-84
Режим работы: пн-пт: с 9.30-18.00
111394, Москва, ул. Перовская, д.65
Режим работы: пн-пт: с 9.00-18.00
2007-2022 © ООО "Ректор"
ОГРН: 1197746122111
ИНН: 7720453705
КПП: 772001001
Юридический адрес: 111394, г. Москва, ул. Перовская, д.65, этаж 1, офис 112
Фактический адрес: 111394, г. Москва, ул. Перовская, д.65, этаж 1, офис 112
Генеральный директор: Родзевич Андрей Викторович, действующий на основании Устава
Банковские реквизиты:
р/с: 40702810700140800102
к/с: 30101810445250000360
Банк: Филиал «Корпоративный» ПАО «Совкомбанк»
БИК: 044525360
КПП 770343003
ОКАТО 45293558000
ОКТМО 45398000000
Тел/факс: 8 (495) 789-46-84 (многоканальный)
В связи с текущей ситуацией некоторые цены на сайте могут быть неактуальны. После оформления заказа в электронном магазине с вами свяжется менеджер для согласования условий.
Обзор
Представьте то время, когда введенные в организм человека наномашины смогут вылечить смертельные заболевания или даже приблизить бессмертие. Ученые считают, что через десятилетия это будет обычным делом. А как думаете вы?
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания» американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека. Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию. То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем — совсем другой вопрос.
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Бионанотехнология» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Спонсоры публикации этой статьи — Надежда и Алексей Браже.
Около 20 000 лет тому назад человек
начал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист.
Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов. Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются. Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов [1]. Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.
Наномедицина — что это?
Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов. Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир. О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.
По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина — это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств» [2]. Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места» [3]. Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли. В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.
«Молекулярные машины»
Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию — использование «молекулярных машин». Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии». Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов — наномашин для ремонта клеток. По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики [4].
Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?
До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов. Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека. Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений [5].
В 2016 году за разработку молекулярного двигателя Бернарду Ферринге была присуждена Нобелевская премия по химии: «Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы — названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016» [6]. — Ред.
Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями [7], [8]. Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.
Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.
1. Навигация нанороботов
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов — применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения. Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.
2. Питание нанороботов
В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. Наноробот с установленными электродами может сформировать «батарею» на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию.
Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.
3. Передвижение нанороботов
В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор [9]. Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.
Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия). В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма [10]. Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть. Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина — 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека. При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.
Прототипы нанороботов
С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.
1. ДНК-нанороботы
В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology, в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов [11]. Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма. Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1). При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов. Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.
Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» — в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке — скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.
2. Наноробот — морской гребешок
Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2). Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги. При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины [15].
Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.
3. «Цинковые наноракеты»
Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм [16]. Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны. Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка. Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).
Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а — Механизм работы «цинкового мотора». б — Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в — Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г — Фазы движения нанороботов.
Видео 1. Движение созданного калифорнийскими учеными прототипа наноробота.
Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов. Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.
4. «Шустрые» наниты
Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде [17]. Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту. При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля. Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц. Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.
Рисунок 4. Скорость магнитных пловцов с различным количеством бусин.
Видео 2. Нанороботы-трансформеры, созданные в Университете Дрекселя, США.
По образу и подобию
Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое. Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе [18].
Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше. Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека [3].
Если взять одну сотую грамма воды — это будет ещё вода или уже нет? А если от этого ещё одну сотую взять? До каких пор можно уменьшать порцию воды, чтобы она всё ещё оставалась водой? Такая минимальная порция — она совсем маленькая, размером всего в одну десятимиллиардную метра — называется молекулой. И любая, даже самая маленькая капелька воды — это миллиарды миллиардов собранных вместе одинаковых «водяных» молекул. А, например, газ кислород — это множество собранных вместе (в одном сосуде) молекул кислорода.
Разных веществ в природе очень много — не одна сотня тысяч. Что же, и разных видов молекул — столько же? Нет. Большая часть веществ — смеси разных молекул (приведёте примеры?). Но и веществ, состоящих из одинаковых молекул, тоже очень много 1 . Как в них разобраться? К тому же в некоторых ситуациях (спичка горит, суп на плите варится, . ) молекулы могут разрушаться, разваливаться на части, «склеиваться» с другими молекулами или их кусками — получаются новые молекулы, а потому и новые вещества: из дерева — уголь, из сырой картошки — варёная. Такие события — разрушение и «склеивание» молекул — называются химическими реакциями.
К счастью, у разных молекул есть кое-что общее. Они все, как домики из конструктора «лего», построены из «кирпичиков» — атомов. И вот разных видов атомов уже не так много — чуть больше сотни. К тому же почти половина из них очень редко встречается (некоторых вообще нет в природе, учёные смогли их «вывести» только в специальных «инкубаторах»-ускорителях). Всё, что мы видим в обычной жизни, состоит в основном из 20–30 видов атомов. Остальные атомы встречаются в мизерных количествах (хотя иногда эти крошечные добавочки очень важны).
Задача 1
Если бы любые два атома можно было «склеить» в молекулу, то сколько разных двухатомных молекул можно было бы собрать из 20 видов атомов? (На самом деле совсем не все атомы соединяются друг с другом в молекулу, зато молекулы могут состоять из 10, 100 и даже. миллионов атомов!)
210. Обозначим атомы буквами А, B, C, D, . T. Молекул из одинаковых атомов (АА, ВВ, . ) 20 штук. Теперь составляем пары из разных атомов: 20 способов выбрать первый атом и 19 — второй. Но АВ и ВА — одинаковые молекулы, а пар получилось две. Поэтому 20 · 19/2 = 190 молекул из разных атомов. Итого 190 + 20 = 210.
К тому же — очень удобно! — атомы в химических реакциях не «портятся», не меняются. Сколько было атомов углерода, например, — столько и осталось, только некоторые «перестроились» в другие молекулы.
Все виды атомов записаны (ещё и в определённом порядке!) в таблицу, которая называется «Периодическая система химических элементов», или просто — таблица Менделеева. «Элементы» — это и есть разные виды атомов. Посмотрим, как из этих атомов собираются молекулы разных веществ.
Задача 2
Рассмотрите таблицу Менделеева. Жирными буквами в каждой клетке написано обозначение (сокращённое латинское имя) химического элемента, то есть вида атомов. Каждый отдельный атом тоже можно записывать тем же значком, например S — химический элемент под названием «сера» или один из атомов этого элемента.
Подчеркните или перепишите на отдельный листочек названия элементов, которые вам уже знакомы.
Потом закройте таблицу и скажите по памяти, есть ли в ней: вода? азот? углекислый газ? воздух? сахар? йод? бензин? железо? медь? бронза? золото? серебро?
Проверьте по таблице свои ответы. Почему одни названия есть, а других нет?
Есть: азот, йод, железо, медь, золото, серебро. В таблице Менделеева записаны не вещества, а все существующие сорта атомов.
Газ азот (N2), кристаллическое вещество (а если слегка нагреть, то газ) йод (I2), металлы железо (Fe), медь (Cu), золото (Au), серебро (Ag) состоят из атомов одного вида. Каждое из этих веществ называются тем же именем, что и составляющие его атомы (на самом деле наоборот — когда открыли эти химические элементы, то есть эти сорта атомов, их назвали в честь давно известных веществ, которые, оказывается, из них состоят). Поэтому эти названия «проникли» в таблицу Менделеева. Молекула воды (H2O) состоит из атомов разных сортов — водорода (H) и кислорода (О). Каждый из этих сортов есть в таблице, а уж воды, как и других возможных соединений тех же атомов — нет. То же верно для углекислого газа (он состоит из атомов С и О) и сахара (атомы С, О и Н). Бронза — сплав меди (Cu) с оловом (Sn) или ещё с чем-нибудь — содержит оба этих вида атомов (и кучу всяких мелких добавок). Все составляющие («кирпичики») есть в таблице, а самих веществ — нет. Воздух и бензин — вообще смеси разных видов молекул, многие из которых, в свою очередь, состоят из разных атомов.
Молекулы каждого вида одинаковы и неотличимы друг от друга. Они называются по названию вещества, состоящего из таких молекул. Например, молекула углекислого газа — значит, много таких молекул образуют углекислый газ. А ещё у каждой молекулы есть «краткое имя» — формула. Эта формула состоит из символов (имён) всех входящих в неё атомов. Возле каждого имени атома приписывается внизу число, которое означает, сколько таких атомов в этой молекуле. Например, молекула кислорода O2 состоит из двух атомов кислорода (O — от латинского слова oxygenium). А собранные вместе такие молекулы образуют вещество кислород (газ в воздухе, которым мы дышим).
Заметим, что из одних и тех же атомов, вообще говоря, можно сделать разные молекулы, как из одинаковых деталей конструктора — разные вещи. Например, из тех же атомов кислорода могут образоваться молекулы другого вещества — озона, O3 (это тоже газ, его много в горах над покрытыми снегом склонами в ясную погоду — кто там бывал, наверно, помнит этот особенный «горный» запах).
Задача 3
Прочитайте формулы молекул 2 . Из каких атомов состоит каждая из них? Сколько в каждой из них атомов водорода? кислорода?
H2O — вода,
NaCl — поваренная соль,
N2 — газ азот (его в воздухе больше всего),
H2O2 — перекись водорода (лекарство, которым чистят царапины — вроде йода, но бесцветное),
H2SO4 — серная кислота (очень едкая и ядовитая),
NaHCO3 — пищевая сода,
CO2 — углекислый газ (мы его выдыхаем вместо кислорода),
CH4 — метан, основной компонент природного газа (который горит в плите на наших кухнях),
C3H8 — пропан (газ в «дачных» газовых баллонах и походных баллончиках),
C2H5OH — спирт,
Fe2O3 — оксид железа (входит в состав разных камней, придаёт им красно-коричневый цвет; это одна из главных составляющих ржавчины),
SiO2 — оксид (точнее — диоксид) кремния (минерал кварц, главная составляющая песка),
CH3COOH — уксусная кислота.
H2O — два атома водорода, один атом кислорода; H2O2 — два атома водорода и два — кислорода и т.д.
Задача 4
Угадайте, что значит слово «оксид», или «окись»?
Оксид или окись чего-либо — это соединение атомов этого чего-либо с кислородом. Слово «кислород» как раз и произошло от слова «кислый» — он окисляет всё, что попадётся, особенно металлы. Поэтому металлы на воздухе покрываются коркой оксидов. Перекись (по-научному «пероксид») водорода — это «слишком окисленный» водород, «перекислый». А окись водорода — это что, угадаете?
Как скрепляются между собой атомы в молекуле? Ответить на этот вопрос хотя бы приблизительно мы постараемся в одном из следующих номеров «Квантика». Пока можно считать, что у каждого атома есть некоторое количество «рук» (у химиков они называются связями, а их количество — валентностью данного атома), и они могут сцепляться друг с дружкой — «браться за руки». У каждого вида атомов — свои предпочтения: с одними атомами он соединяется очень охотно, с другими «дружить» не хочет. В молекуле «свободных рук» нет — все друг за друга держатся.
Задача 5
Нарисуйте, а ещё лучше — слепите из пластилина и спичек модели молекул из задачи 3. Разные атомы обозначайте пластилиновыми шариками разных цветов. Число связей («рук») у каждого атома, то есть число спичек, которыми он соединяется с другими в нашей модели: H (водород), Na (натрий), Cl (хлор) — по одной; O (кислород) — 2; N (азот), Fe (железо) — 3; C (углерод), Si (кремний) — 4, S (сера) — 6.
Подсказки: атомы H и Na больше всего любят соединяться с кислородом. А кислород сам с собой — может, но не очень любит. В сложных случаях формула молекулы сама подсказывает, как она устроена.
Некоторые связи — двойные, соответствующие шарики соединены двумя спичками. А одна — даже тройная. Обратите внимание, что модель молекулы метана — объёмная. Её тоже можно сделать плоской, как и остальные. Но мы её сделали более похожей на настоящую: атомы водорода отталкиваются друг от друга (в следующий раз узнаем, почему) и стараются расположиться друг от друга как можно дальше.
Ещё одно замечание: хотя Fe2O3 и есть главный компонент ржавчины, а NaCl — это поваренная соль, но на самом деле, честно говоря, ни соль на вашем столе, ни ржавчина на ближайшей железяке не состоят из нарисованных здесь молекул. А из чего же? — на это мы ответим в одном из следующих номеров журнала.
Задача 5 на самом деле некорректна: некоторые формулы допускают соединение «рук» не такое, как в реальности. Например, H2SO4 или NaHCO3 можно «слепить» так, что атомы кислорода в них соединятся в цепочку. Чтобы выяснить, почему так не бывает в природе, нужно подробнее разбираться в устройстве связей. Для нас сейчас, чтобы не ошибиться, достаточно внимательно отнестись к подсказке.
А бывает, что из одного и того же набора атомов и в самом деле могут получиться разные молекулы. В таких случаях формула молекулы не только говорит, из каких атомов молекула состоит, но и подсказывает, как она устроена — чтобы не перепутать. Например, формула спирта показывает, что один из атомов водорода в этой молекуле находится «в особом положении» — он прикреплён к атому кислорода. А формула молекулы уксусной кислоты — это прямо инструкция, как её делать!
На самом деле некоторые атомы по настроению (в зависимости от того, кто рядом) могут менять число «рук»: например в серной кислоте (H2SO4) у атома серы их шесть, а в сернистой (H2SO3) — четыре. Вот и поди догадайся, с кем из соседей он захочет «браться за руки» и сколько связей захочет иметь. Но в простых случаях помогают такие подсказки: в первом вертикальном столбце таблицы Менделеева у всех атомов по одной «руке», во втором — по две, в третьем — по три. Дальше всё довольно запутанно, но, если смотреть только на жёлтые и красные клетки, то после четвёртого столбца валентность уменьшается: в пятой колонке — где сверху азот — она обычно тройка, в шестой — двойка, а у атомов седьмого столбца опять одна «рука». Зато очень цепкая. А в последнем столбце живут атомы, у которых «рук» нет вообще! Ни с кем они объединяться не желают, они и сами по себе уже молекулы. Вещества, состоящие из этих атомов, называются инертными (или благородными) газами.
Чем больше знаешь — тем больше вопросов. Почему всё это так? И что это на самом деле за «руки» у атомов? И почему клетки в таблице покрашены в разные цвета? И почему вообще таблица сделана именно так — одни строки длиннее, другие короче? Попробуем разобраться в следующий раз.
Художник Мария Усеинова
1 Конечно, абсолютно чистых веществ, не содержащих хотя бы мельчайших примесей других молекул, не бывает. Когда мы говорим о чистых веществах, это приближение, идеализация.
2 Символы атомов H, C, N, O, S читаются, как читаются буквы в латинском языке: H — «аш», С — «це» и т.д. Элементы Na и Cl читаются «полным именем» атома (оно совпадает с русским). Fe и Si читаются как «феррум» и «силициум» (латинские названия этих элементов).
Австралийские ученые создали первую в мире схему квантового компьютера, которая содержит все основные компоненты классического компьютерного чипа, но в квантовом масштабе.
Это знаменательное открытие потребовало подготовки длиной в девять лет.
«Это самое захватывающее открытие в моей карьере», — призналась в интервью порталу ScienceAlert старший автор и квантовый физик Мишель Симмонс, основатель Silicon Quantum Computing и директор Центра передового опыта квантовых вычислений и коммуникационных технологий UNSW.
Мало того, что Симмонс и ее команда создали то, что по сути является функциональным квантовым процессором, они также успешно протестировали его, смоделировав маленькую молекулу, в которой каждый атом имеет несколько квантовых состояний — то, чего традиционному компьютеру было бы трудно достичь.
Теперь мы на шаг ближе к тому, чтобы, наконец, использовать мощность квантовой обработки, чтобы лучше понять окружающий нас мир, даже в самом маленьком масштабе.
Чтобы совершить скачок в области квантовых вычислений, ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысоком вакууме для размещения квантовых точек с субнанометровой точностью.
Расположение каждой квантовой точки должно быть правильным, чтобы схема могла имитировать то, как электроны прыгают по цепочке атомов углерода с одинарной и двойной связью в молекуле полиацетилена.
Самым сложным было выяснить: сколько именно атомов фосфора должно быть в каждой квантовой точке; точное расстояние между каждой точкой; а затем сконструировать машину, которая могла бы размещать крошечные точки в точном порядке внутри кремниевого чипа.
Исследователи говорят, что если квантовые точки слишком велики, взаимодействие между двумя точками становится «слишком большим, чтобы управлять ими независимо друг от друга». Если точки слишком малы, это вносит случайность, потому что каждый лишний атом фосфора может существенно изменить количество энергии, необходимое для добавления еще одного электрона к точке.
Последний квантовый чип содержал 10 квантовых точек, каждая из которых состояла из небольшого количества атомов фосфора. Двойные углеродные связи моделировались путем установления меньшего расстояния между квантовыми точками, чем одинарные углеродные связи.
Полиацетилен был выбран потому, что это хорошо известная модель, и поэтому ее можно использовать для доказательства того, что компьютер правильно моделирует движение электронов через молекулу.
Квантовые компьютеры в подобных операциях бесценны, поскольку классические компьютеры не могут моделировать большие молекулы — это слишком сложная операция. Например, для моделирования молекулы пенициллина с 41 атомом классическому компьютеру потребуется 1086 транзисторов, что «больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной».
Квантовому же компьютеру потребуется только процессор с 286 кубитами (квантовыми битами).
Еще одним потенциальным применением квантовых вычислений является изучение искусственного фотосинтеза и того, как свет преобразуется в химическую энергию посредством органической цепи реакций. А другая большая проблема, которую могут решить квантовые компьютеры, — это создание удобрений. Тройные азотные связи в настоящее время разрушаются в условиях высокой температуры и давления в присутствии железного катализатора для создания фиксированного азота. Поиск другого катализатора, который может сделать удобрение более эффективным, может сэкономить много денег и энергии.
Zometool – это конструктор, из которого можно собрать все что угодно. Ведь, если не вдаваться в подробности ядерной физики, вся материя во Вселенной состоит из атомов. И именно атомы и связи между ними символизируют детали Zometool.
Название Zome происходит от слова Dome (англ. — купол). Создатель конструктора Стив Байер был вдохновлен знаменитой «Биосферой» архитектора Фуллера — огромным куполом, представляющим собой причудливое хитросплетение прямых металлических труб. Байер захотел создать систему деталей, из которых можно было бы с легкостью конструировать самые сложные геометрические формы.
Не занимайтесь самолечением! В наших статьях мы собираем последние научные данные и мнения авторитетных экспертов в области здоровья. Но помните: поставить диагноз и назначить лечение может только врач.
Читайте также: