химия

6 фактов о химии возбужденных состояний и неадиабатических процессах

Понятие физики высоких энергий сейчас достаточно хорошо известно, в том числе и простому обывателю, потому что за последние годы в этой области создано множество гигантских проектов (в первую очередь, Большой адронный коллайдер). Физика высоких энергий на начальном уровне понятна многим: всем известно, что происходит поиск новых элементарных частиц, синтезируются новые элементы путем столкновений, для этого строятся гигантские установки, туннели длиной в десятки километров, и даже на бытовом уровне понятно, что это связано с очень высокими энергиями. О том, что такое «химия высоких энергий», известно куда меньшему числу людей, даже в профессиональной химической среде. Не потому, что это что-то экзотическое, а потому, что этот термин пока не нашел столь широкого применения. Хотя, если понять его глубинную суть, все становится достаточно очевидно.

1. Термические реакции

Если в Большом адронном коллайдере речь идет об энергиях, которые создаются гигантскими генераторами, о безумных разрядах, способных убить человека, то в химии высоких энергий все по-другому. Солнечный свет, попадающий через окно в комнате, — это уже высокая энергия для химической системы. Важно определить, какой критерий здесь работает.

Как запускаются почти все химические реакции, известные нам еще со школы? Подавляющее большинство реакций обязано тепловой энергии. Тепловая энергия сообщается системе, возбуждаются некие колебательные моды, молекула или части молекулы начинают двигаться иначе. Если смотреть на это с точки зрения квантовой химии, то система попадает на более высокий колебательный уровень и там ведет себя так, что реакция становится неизбежна. Есть такие термины, как «адиабатические» и «неадиабатические процессы» (вместо второго термина можно говорить «диабатические», чтобы не было двойного отрицания на смеси русского и греческого), и если термические реакции являются адиабатическими, то химия высоких энергий занимается именно неадиабатическими процессами.

2. Электронно-возбужденное состояние

Термические реакции — это то, что происходит в рамках одной поверхности потенциальной энергии. Если представить себе горный массив, то термическая реакция — это переход из одной долины в другую долину через горный перевал. При этом, скорее всего, во второй долине все выгоднее по энергии, грубо говоря (продолжая аналогию, можно сказать, что она лежит ниже). С химией высоких энергий все не так. Здесь мы находимся не на одной поверхности, а переходим на некую другую. Эта другая поверхность называется электронно-возбужденным состоянием. То есть если продолжить аналогию с горным перевалом, мы поднимаемся на вышку, на фуникулер, и этот фуникулер едет над горным перевалом. Таким образом, вместо того, чтобы идти через перевал пешком, мы проносимся над ним. В чем это выражается, если говорить о химических процессах? Высокие энергии могут сообщаться, например, светом, что соответствует одному из разделов химии высоких энергий — фотохимии. Или ионизирующим излучением, что соответствует радиационной химии. В подавляющем большинстве случаев они выше, чем то, что можно сообщить системе при помощи теплового воздействия. При этом с точки зрения физики это достаточно низкие энергии, но, если говорить о возбуждении химической системы, то есть о том, как ведут себя атомы в молекуле, здесь есть очень существенная разница, и за счет того, что мы переходим на другую поверхность потенциальной энергии, открывается масса других возможностей. Представьте себе, что есть какая-то непреодолимая вершина, но если проехать над ней, то удастся попасть туда, куда пешком мы бы не дошли. Здесь эта аналогия очень показательна. То, что в системе задействуются другие электронно-возбужденные состояния, открывает путь к новым механизмам реакций. И это правомерно как для фотохимии, так и для радиационной химии, а также и для третьего раздела химии высоких энергий — плазмохимии.
3. Химия высоких энергий в быту

Если проведение радиационно-химических реакций требует специального оборудования, источников ионизирующего излучения (к ним относятся электронные пучки, гамма-излучение, рентген), то какие-то простейшие из фотохимических экспериментов можно проводить даже дома. То есть если вы летом на пару дней или на неделю поставите на окно какую-то яркую открытку, то вы увидите, что она выцветает. Это означает, что происходит фотохимическая реакция: свет поглощается красителем на бумаге, и происходят процессы, которые не осуществлялись бы в том случае, если б открытка просто полежала в теплом месте, потому что свет переносит энергию, которой достаточно для того, чтобы переводить систему в электронно-возбужденное состояние.
4. Фотохимические реакции

Фотохимические реакции в примитивном виде были известны еще со средневековых времен, однако природа этих явлений стала окончательно понятна только в XX веке. Хотя и в XIX веке какие-то количественные закономерности фотохимических реакций уже были описаны, но тогда ученые могли проводить только какие-то простые процессы, те, которые сейчас могут проводить в практикумах по физической химии, например реакцию разложения пероксида водорода. Фотохимия — это гигантский раздел химии, который имеет прямое отношение и к макромолекулярной химии, так как, например, множество полимеров можно получить под действием света, и к биохимии, потому что все люди существуют благодаря фотохимии, так как фотосинтез — это фотохимический процесс.
5. Три раздела химии высоких энергий

Понятие «химия высоких энергий» ни в коем случае не стоит путать с понятием «физика высоких энергий». К химии высоких энергий относятся три больших раздела: фотохимия, радиационная химия и плазмохимия. Несмотря на то, что словосочетание «радиационная химия» звучит опасно, с радиоактивностью и радионуклидами радиационная химия напрямую дела не имеет. Химики просто светят на что-то рентгеновским лучом, и из-за этого происходят какие-то процессы, и это вовсе не значит, что в объекте появляется радиоактивность. Самый интуитивно понятный раздел химии высоких энергий — это фотохимия, где изучаются реакции под действием света. К этому разделу относится изучение фотосинтеза и, например, того, что может происходить под действием света в пиве (не зря же его хранят в темных бутылках), или того, что происходит, когда вы ломаете в ночном клубе специальную люминесцентную палочку, а она начинает светиться, или того явления, благодаря которому существует пленочная фотография.

6. Использование химии высоких энергий в промышленности

Процессы, относящиеся к химии высоких энергий, уже сейчас широко используются в промышленности. Это и получение полимеров как при помощи фотоинициирования, так и при помощи радиационно-химического инициирования реакций полимеризации, и радиационно-химическая очистка воды — один из самых экологичных способов очистки, и обеззараживание продуктов, и огромное число процессов, которые связаны с фоточувствительностью. Все это может легко развиваться и дальше, и эффективность этих процессов, скорее всего, будет только возрастать.

Иван Сорокин
кандидат химических наук, младший научный сотрудник химического факультета МГУ

Без еды человек может прожить до 40 дней, без воды — до 7, без кислорода он выдержит максимум 3 минуты. Именно кислород — ключевой элемент, дающий нам энергию. Однако он может приносить не только пользу, но и вред. Что следует знать о главном химическом элементе в нашей жизни?

Организм человека — это машина с отлаженным механизмом. В нем постоянно происходят самые разные процессы, обеспечивающие бесперебойную работу, причем мы сами повлиять на них не можем. Насыщение клеток кислородом — важнейший из этих процессов. Ежедневно мы делаем примерно 20 000 вдохов и вдыхаем около 10 000 литров кислорода. Достаточно ли нам этого количества? Может быть, нам нужно больше? Мы решили выяснить это у специалистов, а заодно понять, как улучшить качество воздуха, который мы вдыхаем и стоит ли покупать специальные приборы.

Путь кислорода
В кислороде нуждаются все без исключения ткани нашего тела — а значит, и все клетки. В них происходит окисление разложившихся на простейшие соединения питательных веществ, которые мы получаем из пищи. Начинается весь этот процесс в легких: воздух, который мы вдыхаем, наполняет альвеолы — крошечные пузырьки, окруженные капиллярами. Затем кислород попадает в кровь: «Там его подхватывают красные кровяные тельца — эритроциты, — рассказывает Сергей Лищук, руководитель гистологической лаборатории Европейского Медицинского Центра. — Происходит это благодаря гемоглобину, который содержится в эритроцитах: он «связывается» с кислородом и с током крови переносится в органы». Углекислый газ, накопившийся в клетках, вытесняет кислород из гемоглобина — и отправляется в легкие, чтобы мы его выдохнули. А кислород поступает в клетки. Так насыщаются кислородом ткани организма.

Мы — против
Процессу окисления свободными радикалами противостоят ферменты антиоксидантного действия — наиболее активны они в печени, надпочечниках и почках.
Помимо них, бороться с разрушительным процессом помогают витамины. Обогатив ими свой рацион, вы уменьшите риск развития атеросклероза и заболеваний сердечно-сосудистой системы. Кроме того, эти элементы подавляют развитие катаракты — помутнения хрусталика глаза.
Витамин E содержится в растительном и сливочном маслах, зелени, молоке, яйцах, печени, мясе, зародышах злаковых.
Витамин C можно найти в свежем шиповнике, черной смородине, красном болгарс-ком перце, облепихе, яблоках, петрушке, брюссельской капусте и цитрусовых.
Бета-каротин (предшественник витамина A) содержится в тыкве, моркови, щавеле, шпинате, зеленых салатах, помидорах, брокколи, грейпфрутах, сливах, персиках, дынях, абрикосах, хурме.

Ключевую роль в метаболизме кислорода играют клеточные митохондрии: в них кислород сгорает, окисляя сахар, что и дает нам энергию. В результате из организма выходят вода и углекислый газ. Это процесс, обратный фотосинтезу растений: они используют углекислый газ и воду для получения энергии.

Комплекс неполноценности
Не все молекулы кислорода одинаково полезны. Есть и весьма вредные: это активные формулы кислорода (АФК). Существует несколько видов АФК, среди которых — пресловутые свободные радикалы, которые образуются в клетках сходным образом — в процессе присоединения четырех электронов к одной молекуле кислорода. В результате этой реакции выделяется вода — и не только. Гидроксильный радикал, супероксидный анион и пероксид водорода — вот «имена» АФК, которые являются, по сути, токсинами, разрушающими ткани. Они способны отнимать электрон у клеточных молекул и таким образом запускать реакции окисления. Иногда это даже полезно — например, для борьбы с бактериями, — но в остальных случаях это приводит к гибели мембранных структур клеток. В организме существует система противостояния этому процессу. Но с возрастом она начинает действовать все менее эффективно, и в результате свободнорадикального окисления разрушается структура белков, нарушается ДНК, — словом, запускается процесс старения.

Мы часто волнуемся о том, как дать организму больше кислорода. Оказывается, зря: дело в том, что человек так устроен, что ткани получают ровно столько этого важного элемента, сколько им нужно! «В среднем, в воздухе содержится около 21% кислорода, и наш организм привык к такой пропорции, — рассказывает Сергей Лищук. — Чистый 100%-й кислород является сильным окислителем, его избыток вызывает повреждение тканей. Иногда он используется в медицинских целях, но только в экстремальных ситуациях. Но даже в этих случаях врачи стараются как можно скорее уйти от его применения».

Очистить воздух
В заботе о здоровье мы склонны покупать разнообразные аппараты и препараты, призванные улучшить качество воздуха, которым мы дышим, и наполнить свежестью дом или офис. Что же такое озонаторы и ионизаторы воздуха, что они дают? «Основное назначение озонаторов воздуха — защитить нас от пыли, бактерий, вирусов, грибков, в избытке присутствующих в наших жилищах, — рассказывает Ирина Токарева, врач высшей категории, аллерголог-иммунолог. — Озон — мощнейший окислитель, уничтожающий различные микроорганизмы. Под его воздействием разлагаются и вредные органические и неорганические примеси. Озонаторы в несколько раз эффективнее любой другой дезинфекции. Что же касается ионизаторов, то это приборы, предназначенные для насыщения домашнего воздуха отрицательными аэроионами. Ионизаторы придают взвешенным в воздухе частицам отрицательный заряд. Благодаря этому пыль, пыльца растений и шерсть домашних животных притягиваются к полу, предметам и собирательным пластинам самого прибора, поэтому ионизатор преподносится в качестве незаменимого изобретения для аллергиков, астматиков и просто любителей чистоты».

Кислородные коктейли — еще один способ позаботиться о своем здоровье. Однако пользы организму они не приносят: «Это, скорее, красиво, — говорит Сергей Лищук. — Но дополнительное насыщение кислородом здоровому человеку не нужно. О реальном недостатке воздуха свидетельствует одышка. Ее появление означает, что в процессе насыщения тканей кислородом произошел сбой, и человеку следует обратиться к врачу. Не стоит путать одышку с учащением дыхания после физических нагрузок. Это естественное явление: дыхание быстро нормализуется».

Осторожно: приборы!
С озонатором нужно обращаться аккуратно: «Многие забывают, что озон еще и опасный отравляющий газ, — предостерегает Ирина Токарева. — Его неправильное использование дома может привести к отравлению, раздражению кожи и дыхательных путей. Разумеется, все приборы проходят тестирование, но для аллергиков, людей с заболеваниями дыхательных путей и детей даже небольшое количество может оказаться опасным». С ионизаторами тоже не все гладко. Ионизировать можно лишь очищенный воздух, иначе ионы могут вступить в реакцию с находящимися в воздухе компонентами и образовать новые соединения. «Ионизаторы лишь притягивают пыль к поверхностям, — рассказывает Ирина Токарева. — А вредные примеси и бактерии остаются в доме».

За чистоту
Для того, чтобы дышать было легко, нужно заботиться не о количестве кислорода в воздухе, а о чистоте самого воздуха. Самый эффективный и безопасный способ его очистки в доме — воздухоочистители, климатические комплексы и мойки воздуха. «Они очищают воздух от взвешенных частиц пыли, пыльцы растений, спор грибков, табачного дыма и других раздражителей, — рассказывает Ирина Токарева. — В отличие от ионизаторов, все электростатические процессы происходят внутри кассеты очистителя, поэтому пыль и пыль осаждаются в кассете, а не в помещении. Впрочем, некоторые модели очистителей обладают и встроенным ионизатором. Поток отрицательных ионов способствует укрупнению частиц пыли, что облегчает улавливание их фильтрами».





Десять лет назад японский учёный Тошуки Накагаки провёл интересный эксперимент. В своей лаборатории университета Хоккайдо он соорудил небольшой лабиринт на подобие тех, куда запускают грызунов на проверку памяти и зачатков интеллекта. На входе в лабиринт профессор поместил маленький кусочек обычного плесневого гриба, а на выходе — кубик рафинированного сахара.

В естественных условиях грибы произрастают вокруг круглой и симметричной сети паутинок, однако грибок Physarum polycephalum повёл себя очень странно. Почувствовав запах сахара издалека, он решил полакомиться добычей и пустил свои ростки по лабиринту. На каждом перекрёстке паутинки грибка раздваивались, заполоняя собой пространство лабиринта. Те из отростков, что попадали в тупик, возвращались обратно и отыскивали путь в другом направлении. Спустя 4 часа грибные паутинки заполнили все проходы лабиринта, а ещё через несколько часов одна из них отыскала дорогу к сахару.

На втором этапе эксперимента ученый отщипнул крохотный кусочек паутинки от гриба, который участвовал в опыте, и поместил его в начало аналогичного лабиринта с кубиком сахара на выходе. Сразу после начала эксперимента начались чудеса. Паутинка мгновенно пустила два отростка, которые начали стремительно расти: первый проложил идеальный путь без единого лишнего поворота к сахару, а второй просто вскарабкался на стену лабиринта и пересек его по прямой линии по потолку, не теряя времени на блуждания к цели.

Эксперимент повторялся много раз, использовались разные лабиринты, но результат был всегда феноменально одинаков. Грибы не просто запоминали максимально короткий путь достижения цели на уровне инстинктов — они делали осознанный выбор, нетривиальным образом решали поставленную задачу. И мне кажется, что это свидетельствует об особых интеллектуальных способностях представителей грибного царства.

В своё время этот эксперимент навёл много шороха в научном мире. Его результаты публиковались в авторитетных изданиях, включая журнал «Nature». Но профессор Тошуки не собирается останавливаться на достигнутом. Около года назад он доказал, что грибы способны планировать дороги и транспортные маршруты гораздо эффективнее профессиональных инженеров. Ученый поместил на карту Японии кусочки пищи, помечая таким образом крупные города страны. На столицу Японии были посажены грибы, которые меньше чем за сутки воссоздали точную копию железнодорожной сети вокруг Токио.

Профессор не перестаёт нахваливать интеллект грибов, поясняя, что соединить несколько десятков точек между собой не очень сложно, а вот соединить их эффективно и наиболее экономно — очень непросто. Тем не менее грибы справились с задачей на отлично, при чем не только на карте Японии. Позднее аналогичные эксперименты проводились на картах Испании и Англии. На этот раз ученые получили на выходе точные модели сетей шоссейных дорог, которые в некоторых случаях содержали расширения и изменения, сделанные в последнее время из-за неоптимального изначального планирования.

Сегодня профессор Тошуки продолжает работать с грибами и познавать их удивительный интеллект. В своей лаборатории университета Хоккайдо он пытается перенести удивительные способности грибов на компьютерную модель. Ученый верит, что результаты его следующего эксперимента помогут в будущем строить эффективные и быстрые информационные сети.




Исследователи заявляют, что создали так называемые «зомби»-клетки, которые продолжают работать после того, как умрут. В отличие от классических кино-мертвецов, эти клетки выполняют свои функции даже лучше, чем при жизни.
Если поместить клетки в раствор кремниевой кислоты, они приобретут способность выдерживать гораздо большие температуру и давление, чем живые. Технически это означает, что можно сохранить любой ценный биологический материал, «превратив» его в ископаемое.

Учёные считают, что зомби-клетки могут быть использованы в коммерческом производстве топливных элементов, сенсорных технологий, а в будущем, возможно, и в нанотехнологиях. К сожалению, пока что очень сложно создать подобную структуру в нанометровом масштабе, по крайней мере 3D-структуру подобного рода сделать не удалось.
Кремний с древних времен известен своим жёстким свойствами — он содержится, например, в песке и кварце. Когда живые клетки помещаются в кремниевую кислоту, то обретают дополнительную твёрдость. Если же клетки нагреть до 400°С, то органические части испаряются, а остаётся только «слепок» — объёмная копия ранее живой клетки. Для химии и биологии такие зомби-клетки означают возможность создания форм, не только похожих на свои живые эквиваленты, но и способных выполнять их работу.