Site Loader

Содержание

Плюсы и минусы обратного осмоса

Обратноосмотические установки очищают проточную воду от многочисленных примесей при помощи полупроницаемой мембраны. В процессе их работы вода под давлением 10–12 атм. пропускается через мелкоячеистую поверхность. Она задерживает частицы величиной от 0,001 до 0,0001 микрона, включая соли, красители, радионуклиды, тяжелые металлы, вирусы, бактерии, цианиды, нитраты и сульфаты. Мембрана задерживает до 99,9% минеральных и органических включений. Каковы преимущества и недостатки обратного осмоса – подробно рассмотрим в этой статье.

Принцип работы

В основе работы обратноосмотических систем лежит принцип 1-сторонней диффузии – по аналогии с клетками живых организмов. В них молекулы воды попадают через мелкопористую мембрану, причем при прямом осмосе движение происходит из менее насыщенного примесями раствора в более насыщенный.

Давление со стороны насыщенного раствора, при значении которого процесс осмоса останавливается и начинает двигаться в обратную сторону, называется обратным осмосом. При создании со стороны концентрированного раствора давления выше осмотического происходит процесс обратного осмоса. В таком случае жидкость протекает сквозь мелкоячеистую мембрану в обратном направлении, а содержащиеся в ней примеси остаются в концентрированной среде.

Состав установок обратного осмоса

Обратноосмотические системы состоят из нескольких ступеней очистки воды и дополнительных элементов:

  • ступени предварительной очистки в виде нескольких фильтров тонкой очистки – они задерживают большую часть механических примесей и оберегают мембрану от быстрого засорения;
  • главный фильтрующий элемент – полупроницаемая мембрана, очищающая воду на молекулярном уровне;
  • у некоторых моделей – система автопромывки мембраны;
  • постфильтр – он устраняет возможные привкусы и запахи;
  • насос повышения давления – он прокачивает воду через мембрану;
  • у ряда моделей – накопительная емкость;
  • датчики;
  • блок управления;
  • питьевой кран;
  • соединительные трубки и клапаны.

После прохождения через обратноосмотическую установку в питьевой кран подается кристально чистая вода, а оставшийся концентрированный раствор примесей сливается в дренаж. При наличии минерализатора в очищенную воду добавляются в оптимальном количестве полезные минералы и микроэлементы.

Преимущества очистки воды обратным осмосом

Системы обратного осмоса – рекордсмены по эффективности. Они задерживают до 99,9% примесей, пропуская только молекулы воды и воздуха. Есть у них и другие весомые преимущества:

  1. Универсальность – обратноосмотические установки отлично подходят для использования в квартирах, частных домах, учебных и медицинских учреждениях, заведениях HoReCa, офисах, общественных местах.
  2. Разнообразие моделей разной мощности и функционала. В зависимости от производительности, системы обратного осмоса подразделяются на бытовые и коммерческие. Есть модели с разным количеством ступеней водоочистки, с бустерным насосом, с накопительным баком и проточного типа, с функцией автоматической промывки мембраны, минерализатором и без них.
  3. Превосходная очистка воды без нагревания, высоких энергетических затрат и использования химических реагентов.
  4. Максимальная очистка от органических примесей, включая опасные вирусы и бактерии.
  5. Эффективная фильтрация от солей и химических веществ. В их числе – стронций, свинец, хлор, железо, нитраты, нитриты, ртуть, асбест, цианиды и мышьяк.
  6. Широкий ценовой диапазон и доступная стоимость бытовых моделей.
  7. Незначительные расходы на обслуживание.
  8. Сохранение природного вкуса воды.
  9. При использовании промышленных установок – возможность опреснения морской воды.

Недостатки фильтра обратного осмоса

К минусам очистки воды обратным осмосом некоторые пользователи относят отсутствие в получаемой воде необходимых организму минералов. Для устранения этого недостатка производители специально оснащают некоторые обратноосмотические установки минерализатором. Но даже при его отсутствии вреда от употребления воды, максимально очищенной от солей и минералов, не будет. Ведь львиную долю необходимых минералов и микроэлементов человек получает из пищи, а польза от употребления абсолютно чистой воды остается неоспоримой.

Также при анализе плюсов и минусов систем обратного осмоса стоит выделить неспособность обратноосмотической мембраны удерживать летучий хлор и другие газообразные примеси. Но этот недостаток устраняется благодаря многоступенчатой системе очистки, в которую включаются угольные фильтры и озонаторы. Они хорошо справляются со своими задачами и унижают концентрацию хлора до безопасного значения.

Выводы

Метод обратного осмоса – наиболее эффективное решение для очистки воды от всевозможных загрязнений. Его главные достоинства – устранение до 99,9% примесей на молекулярном уровне, широкие возможности применения и большой выбор моделей под любые потребности. Недостатки обратноосмотических систем субъективны и незначительны. На данный момент обратный осмос считается наиболее эффективной технологией, позволяющей решить проблему дефицита качественной питьевой воды в городских условиях.

Наша предыдущая статья посвящена выбору между алюминиевыми и биметаллическими радиаторами отопления.


Молекулы под микроскопом. Ученые впервые увидели атом «вживую»

Принялся Трурль ловить атомы, соскабливать с них электроны, месить протоны, так что лишь пальцы мелькали, приготовил протонное тесто, выложил вокруг него электроны и — за следующий атом; не прошло и пяти минут, как держал он в руках брусочек чистого золота: подал его морде, она же, на зуб брусочек попробовав и головой кивнув, сказала:

— И в самом деле золото, только я не могу так за атомами гоняться. Слишком я большой.
— Ничего, мы дадим тебе особый аппаратик! — уговаривал его Трурль.

Станислав Лем, «Кибериада»

Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир. Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул — и даже для исследования генома человека.

Буквы из ксеноновых пикселей

Рассмотреть атомы не всегда было так просто. История атомно-силового микроскопа началась в 1979 году, когда Герд Карл Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, приступили к созданию прибора, который позволил бы изучать поверхности с атомным разрешением. Чтобы придумать такое устройство, исследователи решили использовать эффект туннельного перехода — способность электронов преодолевать, казалось бы, непроходимые барьеры. Идея состояла в том, чтобы, измеряя силу туннельного тока, возникающего между сканирующим зондом и изучаемой поверхностью, определять положение атомов в образце.

У Биннига и Рорера получилось, и они вошли в историю как изобретатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), а в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике. Сканирующий туннельный микроскоп совершил настоящую революцию в физике и химии.

В 1990 году Дон Айглер и Эрхард Швайцер, работавшие в исследовательском центре IBM в Калифорнии, показали, что СТМ можно применять не только для наблюдения за атомами, но для манипулирования ими. С помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа они создали, возможно, самый популярный образ, символизирующий переход химиков к работе с отдельными атомами — нарисовали на никелевой поверхности три буквы 35 атомами ксенона (рис. 1).

Бинниг не стал почивать на лаврах — в год получения Нобелевской премии совместно с Кристофером Гербером и Кельвином Куэйтом, также работавшими в Цюрихском исследовательском центре IBM он начал работу над еще одним устройством для изучения микромира, лишенного недостатков, которые присущи СТМ. Дело в том, что с помощью сканирующего туннельного микроскопа нельзя было изучать диэлектрические поверхности, а только проводники и полупроводники, да и для анализа последних между ними и зондом микроскопа нужно было создать значительное разрежение. Поняв, что создать новое устройство проще, чем модернизировать существующее, Бинниг, Гербер и Куэйт изобрели атомно-силовой микроскоп, или АСМ. Принцип его работы кардинально иной: для получения информации о поверхности измеряют не силу тока, возникающую между зондом микроскопа и изучаемым образцом, а значение возникающих между ними сил притяжения, то есть слабых нехимических взаимодействий — сил Ван-дер-Ваальса.

Первая рабочая модель АСМ была устроена сравнительно просто. Исследователи перемещали над поверхностью образца алмазный зонд, связанный с гибким микромеханическим датчиком — кантилевером из золотой фольги (между зондом и атомом возникает притяжение, кантилевер гнется в зависимости от силы притяжения и деформирует пьезоэлектрик). Степень изгиба кантилевера определялась с помощью пьезоэлектрических датчиков — сходным образом канавки и гребни виниловой пластинки превращаются в аудиозапись. Конструкция атомно-силового микроскопа позволяла ему детектировать силы притяжения до 10 –18 ньютон. Через год после создания рабочего прототипа исследователям удалось получить изображение рельефа поверхности графита с разрешением в 2,5 ангстрема.

За три десятка лет, прошедших с тех пор, АСМ использовали для изучения практически любых химических объектов — от поверхности керамического материала до живых клеток и отдельных молекул, причем находящихся как в статическом, так и динамическом состоянии. Атомно-силовая микроскопия стала рабочей лошадкой химиков и материаловедов, а количество работ, в которых применяется этот метод, постоянно растет (рис. 2).

За эти годы исследователи подобрали условия и для контактного, и для бесконтактного изучения объектов с помощью атомно-силовой микроскопии. Контактный метод описан выше, он основан на вандерваальсовом взаимодействии между кантилевером и поверхностью. При работе в бесконтактном режиме пьезовибратор возбуждает колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонансной). Сила, действующая со стороны поверхности, приводит к тому, что и амплитуда, и фаза колебаний зонда изменяются. Несмотря на некоторые недостатки бесконтактного метода (в первую очередь чувствительность к внешним шумам), именно он исключает воздействие зонда на исследуемый объект, а значит, интереснее для химиков.

Живо по зондам, в погоню за связями

Бесконтактной атомно-силовая микроскопия стала в 1998 году благодаря работам ученика Биннига — Франца Йозефа Гиссибла. Именно он предложил использовать в качестве кантилевера кварцевый эталонный генератор стабильной частоты. Спустя 11 лет исследователи из лаборатории IBM в Цюрихе предприняли еще одну модификацию бесконтактного АСМ: роль зонда-сенсора выполнял не острый кристалл алмаза, а одна молекула — монооксид углерода. Это позволяло перейти к субатомному разрешению, что и продемонстрировал Лео Гросс из цюрихского отдела IBM. В 2009 году с помощью АСМ он сделал видимыми уже не атомы, а химические связи, получив достаточно четкую и однозначно читаемую «картинку» для молекулы пентацена (рис. 3; Science , 2009, 325, 5944, 1110–1114, doi: 10.1126/science.1176210 ).

Убедившись, что с помощью АСМ можно увидеть химическую связь, Лео Гросс решил пойти дальше и применить атомно-силовой микроскоп для измерения длин и порядков связей — ключевых параметров для понимания химической структуры, а следовательно, и свойств веществ.

Напомним, что различие в порядках связей указывает на разные значения электронной плотности и различные межатомные расстояния между двумя атомами (говоря проще, двойная связь короче одинарной). В этане порядок связи углерод-углерод равен единице, в этилене — двум, а в классической ароматической молекуле — бензоле — порядок связи углерод-углерод больше единицы, но меньше двух, и считается равным 1,5.

Определить порядок связи гораздо сложнее при переходе от простых ароматических систем к плоским или объемным поликонденсированным циклическим системам. Так, порядок связей в фуллеренах, состоящих из конденсированных пяти- и шестичленных углеродных циклов, может принимать любое значение от единицы до двух. Та же самая неопределенность теоретически присуща и полициклическим ароматическим соединениям.

В 2012 году Лео Гросс совместно с Фабианом Моном показал, что атомно-силовой микроскоп с металлическим бесконтактным зондом, модифицированным монооксидом углерода, может измерять различия в распределении зарядов у атомов и межатомные расстояния — то есть параметры, ассоциированные с порядком связи (Science , 2012, 337, 6100, 1326–1329, doi: 10.1126/science.1225621 ).

Для этого они изучили два типа химических связей в фуллерене — связь углерод-углерод, общую для двух шестичленных углеродсодержащих циклов фуллерена С 60 , и связь углерод-углерод, общую для пяти- и шестичленного циклов. Атомно-силовой микроскоп показал, что при конденсации шестичленных циклов образуется связь более короткая и с большим порядком, чем при конденсации циклических фрагментов C 6 и C 5 . Изучение же особенностей химического связывания в гексабензокоронене, где вокруг центрального цикла C 6 симметрично расположено еще шесть циклов C 6 , подтвердило результаты квантово-химического моделирования, согласно которым порядок связей С-С центрального кольца (на рис. 4 буква i ) должен быть больше, чем у связей, объединяющих это кольцо с периферийными циклами (на рис. 4 буква j ). Сходные результаты получили и для более сложного полициклического ароматического углеводорода, содержащего девять шестичленных циклов.

Порядки связей и межатомные расстояния, конечно же, интересовали химиков-органиков, но важнее это было тем, кто занимался теорией химической связи, предсказанием реакционной способности и изучением механизмов химических реакций. Тем не менее и химиков-синтетиков, и специалистов по изучению структуры природных соединений ждал сюрприз: оказалось, что атомно-силовой микроскоп можно применять для установления структуры молекул точно так же, как ЯМР или ИК-спектроскопию. Более того, он дает однозначный ответ на вопросы, с которыми эти методы не в состоянии справиться.

От фотографии к кинематографу

В 2010 году все тот же Лео Гросс и Райнер Эбел смогли однозначно установить строение природного соединения — цефаландола А, выделенного из бактерии Dermacoccus abyssi (Nature Chemistry , 2010, 2, 821–825, doi: 10.1038/nchem.765). Состав цефаландола А установили ранее с помощью масс-спектрометрии, однако анализ спектров ЯМР этого соединения не давал однозначного ответа на вопрос о его структуре: возможны были четыре варианта. С помощью атомно-силового микроскопа исследователи сразу же исключили две из четырех структур, а из двух оставшихся правильный выбор сделали, сравнив результаты, полученные благодаря АСМ и квантово-химическому моделированию. Задача оказалась непростой: в отличие от пентацена, фуллерена и короненов, в состав цефаландола А входят не только атомы углерода и водорода, кроме того, у этой молекулы нет плоскости симметрии (рис. 5) — но и такую задачу удалось решить.

Еще одно подтверждение того, что атомно-силовой микроскоп можно использовать как аналитический инструмент, получили в группе Оскара Кустанца, в то время работавшего в инженерной школе Университета Осаки. Он показал, как с помощью АСМ различить атомы, отличающиеся друг от друга гораздо меньше, чем углерод и водород (Nature , 2007, 446, 64–67, doi: 10.1038/nature05530). Кустанц исследовал поверхность сплава, состоящего из кремния, олова и свинца с известным содержанием каждого элемента. В результате многочисленных экспериментов он выяснил, что сила, возникающая между острием зонда АСМ и разными атомами, различается (рис. 6). Так, например, самое сильное взаимодействие наблюдалось при зондировании кремния, а самое слабое — при зондировании свинца.

Предполагается, что в дальнейшем результаты атомно-силовой микроскопии для распознавания отдельных атомов будут обрабатываться так же, как результаты ЯМР, — по сравнению относительных величин. Поскольку точный состав иглы датчика трудно контролировать, абсолютное значение силы между датчиком и различными атомами поверхности зависит от условий эксперимента и марки устройства, а вот отношение этих сил при любом составе и форме датчика остается постоянным для каждого химического элемента.

В 2013 году появились первые примеры использования АСМ для получения изображений отдельных молекул до и после химических реакций: создается «фотосет» из продуктов и полупродуктов реакции, который потом можно смонтировать своего рода документальный фильм (Science , 2013, 340, 6139, 1434–1437; doi: 10.1126/science.1238187 ).

Феликс Фишер и Майкл Кромми из Университета Калифорнии в Беркли нанесли на поверхность серебра 1,2-бис[(2-этинилфенил)этинил]бензол , получили изображение молекул и нагрели поверхность, чтобы инициировать циклизацию. Половина исходных молекул превратилась в полициклические ароматические структуры, состоящие из конденсированных пяти шестичленных и двух пятичленных циклов. Еще четверть молекул образовала структуры, состоящие из четырех шестичленных циклов, связанных через один четырехчленный цикл, и двух пятичленных циклов (рис. 7) . Остальными продуктами были олигомерные структуры и, в незначительном количестве, полициклические изомеры.

Такие результаты дважды удивили исследователей. Во-первых, в ходе реакции образовалось всего лишь два главных продукта. Во-вторых, удивление вызвала их структура. Фишер отмечает, что химическая интуиция и опыт позволяли нарисовать десятки возможных продуктов реакции, однако ни один из них не соответствовал тем соединениям, которые образовывались на поверхности. Возможно, протеканию нетипичных химических процессов способствовало взаимодействие исходных веществ с подложкой.

Естественно, что после первых серьезных успехов в изучении химических связей некоторые исследователи решили применить АСМ для наблюдения более слабых и менее изученных межмолекулярных взаимодействий, в частности водородной связи. Однако в этой области работы еще только начинаются, а результаты их противоречивы. Так, в одних публикациях сообщается, что атомно-силовая микроскопия позволила наблюдать водородную связь (Science , 2013, 342, 6158, 611–614, doi: 10.1126/science.1242603), в других утверждают, что это всего лишь артефакты, обусловленные конструкционными особенностями прибора, а экспериментальные результаты нужно интерпретировать аккуратнее (Physical Review Letters , 2014, 113, 186102, doi: 10.1103/PhysRevLett.113.186102 ). Возможно, окончательный ответ на вопрос, можно ли наблюдать водородные и другие межмолекулярные взаимодействия с помощью атомно-силовой микроскопии, будет получен уже в этом десятилетии. Для этого необходимо еще хотя бы в несколько раз повысить разрешение АСМ и научиться получать изображения без помех (Physical Review B , 2014, 90, 085421, doi: 10.1103/PhysRevB.90.085421 ).

Синтез одной молекулы

В умелых руках и СТМ и АСМ превращаются из приборов, способных изучать вещество, в приборы, способные направленно изменять строение вещества. С помощью этих устройств уже удалось получить «самые маленькие химические лаборатории», в которых вместо колбы используется подложка, а вместо молей или миллимолей реагирующих веществ — отдельные молекулы.

Например, в 2016 году международная группа ученых во главе с Такаси Кумагаи использовала бесконтактную атомно-силовую микроскопию для перевода молекулы порфицена из одной ее формы в другую (Nature Chemistry , 2016, 8, 935–940, doi: 10.1038/nchem.2552). Порфицен можно рассматривать как модификацию порфирина, во внутреннем цикле которого содержится четыре атома азота и два атома водорода. Колебания зонда АСМ передавали молекуле порфицена достаточно энергии для переноса этих водородов от одних атомов азота к другим, и в результате получалось «зеркальное отражение» этой молекулы (рис. 8).

Группа под руководством неутомимого Лео Гросса также показала, что возможно инициировать реакцию отдельно взятой молекулы, — они превратили дибромантрацен в десятичленный циклический диин (рис. 9; Nature Chemistry , 2015, 7, 623–628, doi: 10.1038/nchem.2300 ). В отличие от Кумагаи с соавторами, они использовали сканирующий туннельный микроскоп для активации молекулы, а за результатом реакции следили с помощью атомно-силового микроскопа.

Комбинированное применение сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа позволило даже получить молекулу, которую невозможно синтезировать с помощью классических приемов и методов (Nature Nanotechnology , 2017, 12, 308–311, doi: 10.1038/nnano.2016.305 ). Это триангулен — нестабильный ароматический бирадикал, существование которого было предсказано шесть десятилетий назад, но все попытки синтеза были неудачными (рис. 10). Химики из группы Нико Павличека получили искомое соединение, оторвав от его прекурсора два атома водорода с помощью СТМ и подтвердив синтетический результат с помощью АСМ.

Предполагается, что число работ, посвященных применению атомно-силовой микроскопии в органической химии, еще будет расти. В настоящее время все больше ученых пытаются повторить на поверхности реакции, хорошо знакомые «растворной химии». Но, возможно, химики-синтетики начнут воспроизводить в растворе те реакции, которые были первоначально осуществлены на поверхности с помощью АСМ.

От неживого — к живому

Кантилеверы и зонды атомно-силовых микроскопов можно применять не только для аналитических исследований или синтеза экзотических молекул, но и для решения прикладных задач. Уже известны случаи использования АСМ в медицине, например для ранней диагностики рака, и здесь пионером выступает тот самый Кристофер Гербер, который приложил руку к разработке принципа атомно-силовой микроскопии и созданию АСМ.

Так, Герберу удалось научить АСМ определять точечную мутацию рибонуклеиновой кислоты при меланоме (на материале, полученном в результате биопсии). Для этого золотой кантилевер атомно-силового микроскопа модифицировали олигонуклеотидами, которые могут вступать в межмолекулярное взаимодействие с РНК, а силу этого взаимодействия все также можно измерить за счет пьезоэффекта. Чувствительность сенсора АСМ настолько велика, что его уже пытаются применить для изучения эффективности популярного метода редактирования геномов CRISPR-Cas9. Здесь воедино объединяются технологии, созданные разными поколениями исследователей.

Перефразируя классика одной из политических теорий, можно сказать, что мы уже сейчас видим безграничные возможности и неисчерпаемость атомно-силовой микроскопии и вряд ли в силах представить, что ждет нас впереди в связи с дальнейшим развитием этих технологий. Но уже сегодня сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп дают нам возможность увидеть атомы и прикоснуться к ним. Можно сказать, что это не только продолжение наших глаз, позволяющее заглянуть в микрокосм атомов и молекул, но и новые глаза, новые пальцы, способные прикоснуться к этому микрокосму и управлять им.

Атом водорода, запечатлев электронные облака. И хотя современные физики с помощью ускорителей могут определять даже форму протона, атом водорода, по-видимому, так и останется самым мелким объектом, изображение которого имеет смысл называть фотографией. «Лента.ру» представляет обзор современных методов фотографирования микромира.

Строго говоря, обычной фотографии в наши дни почти не осталось. Изображения, которые мы по привычке называем фотографиями и можем найти, к примеру, в любом фоторепортаже «Ленты.ру», вообще-то, являются компьютерными моделями. Светочувствительная матрица в специальном приборе (по традиции его продолжают называть «фотоаппаратом») определяет пространственное распределение интенсивности света в нескольких разных спектральных диапазонах, управляющая электроника сохраняет эти данные в цифровом виде, а потом другая электронная схема на основе этих данных отдает команду транзисторам в жидкокристаллическом дисплее. Пленка, бумага, специальные растворы для их обработки — все это стало экзотикой. А если мы вспомним буквальное значение слова, то фотография — это «светопись». Так что говорить о том, что ученым удалось сфотографировать атом, можно лишь с изрядной долей условности.

Больше половины всех астрономических снимков уже давно делают инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Электронные микроскопы облучают не светом, а пучком электронов, а атомно-силовые и вовсе сканируют рельеф образца иглой. Есть рентгеновские микроскопы и магнитно-резонансные томографы. Все эти приборы выдают нам точные изображения различных объектов, и несмотря на то что о «светописи» говорить здесь, разумеется, не приходится, мы все же позволим себе именовать такие изображения фотографиями.

Эксперименты физиков по определению формы протона или распределения кварков внутри частиц останутся за кадром; наш рассказ будет ограничен масштабами атомов.

Оптика не стареет

Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.

Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция — это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.

Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро — голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.

Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.

Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.

В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к способам фокусировки света.

Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.

По сути, первый микроскоп представлял собой струбцину с закрепленной на ней сферической линзой. Аналогом такого микроскопа может быть простая игральная карта с проделанным в ней отверстием и каплей воды. По некоторым данным подобные устройства применяли золотодобытчики на Колыме уже в прошлом столетии.

За дифракционным пределом

У оптических микроскопов есть принципиальный недостаток. Дело в том, что по форме световых волн невозможно восстановить форму тех предметов, которые оказались намного меньше длины волны: с тем же успехом можно пытаться исследовать тонкую текстуру материала рукой в толстой перчатке для сварочных работ.

Ограничения, создаваемые дифракцией, отчасти удалось преодолеть, причем без нарушения законов физики. Поднырнуть под дифракционный барьер оптическим микроскопам помогают два обстоятельства: то, что при флуоресценции кванты излучаются отдельными молекулами красителя (которые могут довольно далеко отстоять друг от друга), и то, что за счет наложения световых волн можно получить яркое пятно с диаметром, меньшим, чем длина волны.

При наложении друг на друга световые волны способны взаимно друг друга погасить, поэтому параметры освещения образца так, чтобы в яркую область попадал по возможности меньший участок. В сочетании с математическими алгоритмами, которые позволяют, например, убрать двоение изображения, такое направленное освещение дает резкое повышение качества съемки. Становится возможным, к примеру, исследовать в оптический микроскоп внутриклеточные структуры и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.

Электронный микроскоп до электронных приборов

Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать — молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект. А вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!

Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.

Электронный микроскоп позволил рассмотреть устройство клеток в недосягаемом ранее качестве. Но по этому снимку нельзя понять возраст клеток и наличие в них тех или иных белков, а эта информация очень нужна ученым.

Сейчас электронные микроскопы позволяют фотографировать вирусы крупным планом. Существуют разные модификации приборов, позволяющие не только просвечивать тонкие срезы, но и рассматривать их в «отраженном свете» (в отраженных электронах, конечно). Мы не будем подробно рассказывать про все варианты микроскопов, но заметим, что недавно исследователи — они научились восстанавливать изображение по дифракционной картине.

Потрогать, а не рассмотреть

Еще одна революция произошла за счет дальнейшего отхода от принципа «осветить и посмотреть». Атомный силовой микроскоп, равно как и сканирующий туннельный микроскоп, уже ничем на поверхность образцов не светит. Вместо этого по поверхности перемещается особо тонкая игла, которая буквально подпрыгивает даже на неровностях размером с отдельный атом.

Не вдаваясь в детали всех подобных методов, заметим главное: иглу туннельного микроскопа можно не только перемещать вдоль поверхности, но и использовать для перестановки атомов с места на место. Именно таким образом ученые создают надписи, рисунки и даже мультфильмы, в которых нарисованный мальчик играет с атомом. Настоящим атомом ксенона, перетаскиваемым иглой сканирующего туннельного микроскопа.

Туннельным микроскоп называют потому, что он использует эффект протекающего через иглу туннельного тока: электроны проходят через зазор между иглой и поверхностью за счет предсказанного квантовой механикой туннельного эффекта. Для работы такого прибора нужен вакуум.

Намного менее требователен к окружающим условиям атомный силовой микроскоп (АСМ) — он может (с рядом ограничений) работать без откачки воздуха. В определенном смысле АСМ является нанотехнологичным наследником патефона. Игла, закрепленная на тонком и гибком кронштейне-кантилевере (cantilever и есть «кронштейн»), движется вдоль поверхности без подачи на нее напряжения и следует рельефу образца так же, как игла патефона следует вдоль бороздок грампластинки. Изгиб кантилевера заставляет отклоняться закрепленное на нем зеркало, зеркало отклоняет лазерный луч, и это позволяет очень точно определять форму исследуемого образца. Главное только иметь достаточно точную систему перемещения иглы, а также запас игл, которые должны быть идеально острыми. Радиус закругления у кончиков таких игл может не превышать одного нанометра.

АСМ позволяет видеть отдельные атомы и молекулы, однако, как и туннельный микроскоп, не позволяет заглянуть под поверхность образца. Иными словами, ученым приходится выбирать между возможностью видеть атомы и возможностью изучать весь объект целиком. Впрочем, и для оптических микроскопов внутренности изучаемых образцов не всегда доступны, ведь минералы или металлы обычно свет пропускают плохо. Кроме того, с фотографированием атомов все равно возникают сложности — эти объекты предстают простыми шариками, форма электронных облаков на таких снимках не видна.

Синхротронное излучение, возникающее при торможении разогнанных ускорителями заряженных частиц, позволяет изучать окаменевшие останки доисторических животных. Вращая образец под рентгеновскими лучами, мы можем получать трехмерные томограммы — именно так был найден, например, мозг внутри черепа рыб, вымерших 300 миллионов лет назад. Можно обойтись и без вращения, если регистрацию прошедшего излучения фиксацией рассеянных за счет дифракции рентгеновских лучей.

И это еще не все возможности, которые открывает рентгеновское излучение. При облучении им многие материалы флуоресцируют, причем по характеру флуоресценции можно определить химический состав вещества: таким способом ученые окраску древних артефактов, стертые в Средние века труды Архимеда или окраску перьев давно вымерших птиц.

Позируют атомы

На фоне всех тех возможностей, которые предоставляют рентгеновские или оптико-флуоресцентные методы, новый способ фотографирования отдельных атомов уже кажется не таким уж большим прорывом в науке. Суть метода, который позволил получить представленные на этой неделе изображения, такова: с ионизированных атомов срывают электроны и направляют их на специальный детектор. Каждый акт ионизации срывает электрон с определенного положения и дает одну точку на «фотографии». Накопив несколько тысяч таких точек, ученые сформировали картинку, отображающую наиболее вероятные места обнаружения электрона вокруг ядра атома, а это по определению и есть электронное облако.

В заключение скажем, что возможность видеть отдельные атомы с их электронными облаками — это скорее вишенка на торте современной микроскопии. Ученым было важно исследовать структуру материалов, изучать клетки и кристаллы, а обусловленное этим развитие технологий дало возможность дойти до атома водорода. Все, что меньше, — уже сфера интересов специалистов по физике элементарных частиц. А биологам, материаловедам и геологам еще есть куда совершенствовать микроскопы даже с довольно скромным на фоне атомов увеличением. Специалистам по нейрофизиологии, к примеру, давно хочется иметь прибор, способный видеть отдельные клетки внутри живого мозга, а создатели марсоходов продали бы душу за электронный микроскоп, который влезал бы на борт космического аппарата и мог бы работать на Марсе.

Молекула воды Н2О состоит из одного атома кислорода, связанного ковалентной связью с двумя атомами водорода.

В молекуле воды главным действующим лицом является атом кислорода.

Поскольку атомы водорода друг от друга заметно отталкиваются, угол между химическими связями (линиями, соединяющими ядра атомов) водород — кислород не прямой (90°), а немного больше — 104,5°.

Химические связи в молекуле воды – полярные, так как кислород подтягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а водород — положительно заряженные электроны. В результате вблизи атома кислорода скапливается избыточный отрицательный заряд, а у атомов водорода — положительный.

Поэтому вся молекула воды является диполем, то есть молекулой с двумя разноименными полюсами. Дипольная структура молекулы воды во многом определяет ее необычные свойства.

Молекула воды – это диамагнетик.

Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура — тетраэдр. Таково строение самой молекулы воды.

При изменении состояния молекулы воды длина сторон и угол между ними изменяются в тетраэдре.

Например, если молекула воды находится в парообразном состоянии, то угол, образованный ее сторонами, равняется 104°27″. В водном состоянии угол составляет 105°03″. И в состоянии льда угол равен 109,5°.

Геометрия и размеры молекулы воды для различных состояний
а — для парообразного состояния
б — для низшего колебательного уровня
в — для уровня, близкого к образованию кристалла льда, когда геометрия молекулы воды соответствует геометрии двух египетских треугольников с соотношением сторон 3: 4: 5
г — для состояния льда.

Если разделить пополам эти углы, то получим углы:
104°27″: 2 = 52°13″,
105°03″: 2 = 52°31″,
106°16″: 2 = 53°08″,
109,5°: 2 = 54°32″.

Значит, среди геометрических рисунков молекулы воды и льда находится знаменитый египетский треугольник, в основу построения которого заложены соотношения золотой пропорции — длины сторон относятся как 3:4:5 с углом 53°08″.

Молекула воды приобретает строение золотой пропорции на пути, когда вода переходит в лед, и наоборот, когда лед тает. Очевидно, за это состояние и ценится талая вода, когда ее структура в построении имеет пропорции золотого сечения.

Теперь становится понятным, что знаменитый египетский треугольник с соотношением сторон 3:4:5 «взят» из одного из состояний молекулы воды. Сама же геометрия молекулы воды образована двумя египетскими прямоугольными треугольниками, имеющими общий катет равный 3.

Молекула воды, имеющая в основе соотношение золотой пропорции, является физическим проявлением Божественной Природы, которая участвует в создании жизнь. Именно поэтому в земной природе заложена та гармония, которая присуща всему космосу.

И поэтому древние египтяне обожествляли числа 3, 4, 5, а сам треугольник считали священным и старались заложить его свойства, его гармонию в любую конструкцию, дома, пирамиды и даже в разметку полей. Кстати, украинские хаты строились тоже с применением соотношения золотой пропорции.

В пространстве молекула воды занимает некоторый объем, и покрыта электронной оболочкой в виде вуали. Если представить вид гипотетической модели молекулы в плоскости, то она похожа на крылья бабочки, на Х-образную хромосому, в которой записана программа жизни живого существа. И это является показательным фактом того, что сама вода — это обязательный элемент всего живого.

Если представить вид гипотетической модели молекулы воды в объеме, то она передает форму треугольной пирамиды, у которой имеется 4 грани, а у каждой грани по 3 ребра. В геометрии треугольная пирамида называется тетраэдром. Такое строение свойственно кристаллам.

Таким образом, молекула воды образует прочную уголковую структуру, которую она сохраняет даже, когда находится в парообразном состоянии, на грани перехода в лед, и когда превращается в лед.

Если «скелет» молекулы воды так устойчив, то и его энергетическая «пирамида» — тетраэдр тоже стоит непоколебимо.

Такие структурные свойства молекулы воды в различных условиях объясняются прочными связями между двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Эта связь примерно в 25 раз сильнее, чем связь между соседними молекулами воды. Поэтому легче отделить одну молекулу воды от другой, например, при нагревании, чем разрушить саму молекулу воды.

За счет ориентационных, индукционных, дисперсионных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса) и водородных связей между атомами водорода и кислорода соседних молекул молекулы воды способны образовывать как случайные ассоциаты, т.е. не имеющие упорядоченной структуры, так и кластеры – ассоциаты, имеющие определенную структуру.

Согласно статистическим данным, в обычной воде находится случайных ассоциатов — 60% (деструктурированная вода) и кластеров — 40% (структурированная вода).

В результате исследований, проведенных российским ученым С. В. Зениным, были обнаружены стабильные долгоживущие кластеры воды.

Зенин установил, что молекулы воды первоначально образуют додекаэдр. Четыре додекаэдра соединяясь, образует основной структурный элемент воды — кластер, состоящий из 57 молекул воды.

В кластере додекаэдры имеют общие грани, а их центры образуют правильный тетраэдр. Это объёмное соединение молекул воды, в том числе гексамеров, которое имеет положительные и отрицательные полюса.

Водородные мостики позволяют молекулам воды объединяться самыми различными способами. Благодаря этому в воде наблюдается бесконечное разнообразие кластеров.

Кластеры могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, что приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников. Они состоят из 912 молекул воды, которые практически не способны к взаимодействию. Время существования такой структуры весьма велико.

Эту структуру, похожую на маленький острый кристаллик льда из 6 ромбических граней, С.В. Зенин назвал «основным структурным элементом воды”. Многочисленные эксперименты подтвердили; в воде — мириады таких кристалликов.

Эти кристаллики льда почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому не образуют более сложных устойчивых конструкций и легко скользят гранями относительно друг друга, создавая текучесть. В этом смысле вода напоминает переохлажденный раствор, который никак не может кристаллизоваться.

Впервые в мире учёным удалось получить визуальное изображение молекулы в разрешении единичных атомов в процессе перестройки её молекулярных связей. Полученное изображение оказалось удивительным образом похоже на картинки из учебников химии.

До сегодняшнего дня учёные могли только делать предположительные выводы о молекулярных структурах. Но с помощью новой технологии отдельные атомные связи – каждая длиной в несколько десятимиллионных долей миллиметра – соединяющие 26 атомов углерода и 14 атомов водорода в этой молекуле, становятся отчётливо видимы. Результаты этого исследования были опубликованы 30 мая в журнале «Science».

Команда экспериментаторов изначально была нацелена на точную сборку наноструктур из графена – однослойного атомарного материала, в котором атомы углерода выстроены в повторяющемся гексагональном паттерне. Создание углеродных сот требует перестройки атомов из линейной цепи в шестиугольную сеть; такая реакция может создавать несколько разных молекул. Химик из Университета Беркли Феликс Фишер и его коллеги хотели визуализировать молекулы, чтобы быть уверенными, что они всё делают правильно.

Углеродосодержащая молекула на фото показана до и после её перестройки, с включением двух наиболее часто встречающихся продуктов реакции. Масштаб изображения – 3 ангстрема, или 3 десятимиллиардных доли метра

Чтобы задокументировать рецепт графена, Фишеру был необходим очень мощный оптический прибор, и он использовал атомарный микроскоп, расположенный в лаборатории Университета Беркли. Бесконтактные атомарные микроскопы используют чрезвычайно чувствительную иглу для считывания электрических сил, производимых молекулами; по мере того, как наконечник иглы движется вдоль поверхности молекулы, он отклоняется под действием различных зарядов, создавая изображение того, как расположены атомы и связи между ними.

С его помощью команда исследователей сумела не только визуализировать углеродные атомы, но и созданные электронами связи между ними. Они поместили кольцевидную молекулу на серебряную поверхность и нагрели её, чтобы молекула изменила свою форму. Последующее охлаждение сумело зафиксировать продукты реакции, среди которых оказалось три неожиданных компонента и одна молекула, которую ожидали учёные.



Бич конца 20 века, повлекший смерть Freddy Mercury, ежегодно уносящий тысячи людей за черту не возврата в мир живых.
Врага человечества надо знать в , смотрим и запоминаем молекула Вируса СПИДА, он же в научных кругах проходит под псевдонимом ВИЧ.



Вот примерно таким способом клетки делятся на себя подобных.
На картинки момент деления клетки дрожжей.


Любое биологическое существо, неважно человек или растение состоит из генов.
Целой цепочки генов, в принципе от которых многое зависит, из-за недостатка определенных генов человек легко превращается в растение. Обратного процесса пока в природе не наблюдалось.
На картинке Ген растениz Арабидопсис, вот он какой в 3D.



Да наверно любой школьник опознает эту картинку!
Семечко помидора, окруженная крошечными волосками, на ощупь напоминающие слизь. Защищающий семечко от преждевременного высыхания.



Вот она, вожделенная мечта большинства человечества!
За обладанием этого велись долгие и кровопролитные войны, убивали и грабили прохожих в подворотне. На этом замешана вся история человечества.

Почему так удобно быть пеной и что у нее общего с жирафом — T&P

Пена в чашке, в море и в ванной — это сложная структура из пузырьков газа, окруженных стенками из какой-нибудь жидкости. Структура пены — универсальный способ экономично упаковывать пространство, поэтому невероятно много вещей вокруг сильно напоминают пену.

Как образуется пена


Сколько бы мы ни взбалтывали воду в стакане, она так и будет спокойно кружиться, но стоит туда добавить мыла и перемешать, как сверху тут же образуется пена. Молекулы воды так устроены, что притягиваются друг к другу, но не к молекулам воздуха, потому что водород и кислород в них связаны ковалентной полярной связью. Это создает поверхностное натяжение и мешает образованию пены, очень быстро разрушая редкие возникающие пузырьки.

Именно из-за трехслойного устройства стенки мыльного пузыря он так переливчато окрашен. Свет отражается от внешнего и от внутреннего краев стенки пузыря и вовсю использует свойство инетрференции.

Молекулы мыла устроены значительно хитрее — это длинные цепочки из атомов углерода и водорода. Один конец такой цепочки гидрофильный (любит быть в воде), а другой — гидрофобный (совсем не любит). Поэтому молекулы мыла выстраиваются на поверхности воды: гидрофильными концами в воду, а гидрофобными — в воздух. Те молекулы мыла, что находятся в толще воды, очень хотят попасть на границу с воздухом (их гидрофобный конец совсем не хочет быть в воде) и отчаянно туда пробиваются. Втискиваясь между молекул воды, мыло снижает количество связей между молекулами воды и понижает поверхностное натяжение. Если мы коснемся мыльным пальцем стакана, в который вода налита с горкой, горка тут же выльется; если простым пальцем — останется стоять.

Стоит нам взболтать эту конструкцию с мылом — и образуется пена. Взбалтывать нужно, чтобы нарушить плоскую поверхность воды и пропустить газ (в данном случае воздух) в жидкость — это обязательное условие образования пены.

Мыльные пузыри устроены довольно просто — это воздух, окруженный стенкой из мыльной воды. Стенка эта трехслойная – это слой воды, окруженный с двух сторон молекулами мыла. Эти два слоя мыла с одной стороны понижают поверхностное натяжение воды, а с другой препятствуют ее испарению — поэтому пузырьки могут прожить достаточно для того, чтобы сформировалась пена.

Белковая пена


Пенка на капучино возникает похожим путем: струя пара взбивает молоко. Только вместо молекул мыла главную роль в поддержании жизни пузырьков там играют белки молока. Но у этих белков есть страшный враг — глицерин, который разрушает белки. Глицерин возникает в молоке из-за распада молекул жиров. Распад начинает происходить еще задолго до того, как молоко начнет скисать — достаточно воздействия света и тепла. Потому если хотите, чтобы молоко хорошо пенилось, оно должно быть свежим (глицерин не успел образоваться) и маложирным (глицерину изначально не из чего образовываться).

Пена в морской воде тоже образуется из-за белков и прочих органических веществ. Эти вещества — продукт жизнедеятельности микроорганизмов. Когда эти микроорганизмы сильно размножаются, пляжи становятся похожи на пенные вечеринки.

A little experiment a day


Однажды в редакцию T&P привезли мороженое в коробках с сухим льдом, который нельзя есть, держать в руках, но можно использовать для науки. Сухой лед — это твердая форма углекислого газа. Когда мы помещаем его в теплую жидкость, он нагревается и превращается в газ. Газ активно выделяется во все стороны и буквально газирует нашу воду (ведь все лимонады газированы именно CO2). А мыло позволяет пузырькам дольше прожить — так что пена хорошо держится.

Структура пены


Структурно всякая пена — это набор многогранников (в некоторых случаях сфер) разного размера и с разным количеством граней. Эта структура очень часто встречается в нашем мире: на пену похожи клетки в древесной коре, многие нано-структуры, пятна на шкуре жирафа. Недавние расчеты распределения галактик во вселенной показали, что и галактики расположены подобным образом. Вселенная издалека сильно напоминает пену: трехмерные многогранники, где в их вершинах и на гранях будут скопления галактик, а между ними (в глубине многогранников) — более разряженные области.

Пена — это очень экономичная структура с точки зрения заполнения пространства. Возможно, поэтому она так часто встречается. В 1887 Лорд Кельвин — тот самый, что придумал абсолютный ноль, — задался вопросом: как бы разбить пространство на кусочки одинакового объема с минимальной общей площадью поверхности. В 1993 году была разработана модель Уэйра-Фелана, описывающая подобную пене структуру из двух видов многоугольников одинакового объема (теоретическая модель регулярной пены), которая оказалась прекрасным решением «проблемы Кельвина».

15.1: Структура воды — Химия LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Структура воды
  2. Резюме

В своей известной поэме «Иней древнего мореплавателя» Сэмюэл Кольридж написал: «Вода, вода везде, ни капли, чтобы пить.Кольридж говорил о том, что он находится в океане, но у него нет воды, потому что он убил альбатроса (очевидно, принеся несчастье всем на корабле). Около \(75\%\) поверхности Земли покрыто водой. Основным компонентом человеческого тела (более \(60\%\)) является вода.Эта простая молекула играет важную роль во всех видах процессов.

Структура воды

Вода — это простая молекула, состоящая из одного атома кислорода, связанного с двумя разными атомами водорода. Из-за более высокой электроотрицательности атома кислорода связи являются полярными ковалентными ( полярные связи ).3\) гибридная атомная орбиталь.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Молекула воды визуализируется тремя различными способами: шаростержневая модель, модель заполнения пространства и структурная формула с частичными зарядами.

Изогнутая форма молекулы воды имеет решающее значение, поскольку полярные связи \(\ce{O-H}\) не компенсируют друг друга, а молекула в целом полярна. На рисунке ниже показана чистая полярность молекулы воды. Кислород — отрицательный конец молекулы, а область между атомами водорода — положительный конец молекулы.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Вода является полярной молекулой, поскольку вокруг более электроотрицательного атома кислорода находится большая электронная плотность.

Полярные молекулы притягиваются друг к другу диполь-дипольными силами, так как положительный конец одной молекулы притягивается к отрицательному концу соседней молекулы. В случае воды высокополярные связи \(\ce{O-H}\) приводят к очень малой электронной плотности вокруг атомов водорода. Каждый атом водорода сильно притягивается к неподеленной паре электронов соседнего атома кислорода.Они называются водородными связями и сильнее, чем обычные диполь-дипольные силы.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Водородная связь – это притяжение между неподеленной парой электронов на атоме кислорода одной молекулы и электронодефицитным атомом водорода соседней молекулы.

Поскольку каждый атом кислорода имеет две неподеленные пары, он может образовывать водородные связи с атомами водорода двух отдельных других молекул. На рисунке ниже показан результат — приблизительно тетраэдрическая геометрия вокруг каждого атома кислорода, состоящая из двух ковалентных связей и двух водородных связей.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): В результате наличия двух ковалентных связей и двух водородных связей геометрия вокруг каждого атома кислорода приблизительно тетраэдрическая.

Резюме

  • Вода представляет собой молекулярное соединение, состоящее из полярных молекул изогнутой формы.
  • Атом кислорода приобретает частичный отрицательный заряд, а атом водорода приобретает частичный положительный заряд.

Ученые запечатлели «квантовый буксир» между соседними молекулами воды

Впервые ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Стэнфордского университета и Стокгольмского университета в Швеции непосредственно наблюдали, как атомы водорода в молекулах воды тянут и толкают соседние молекулы воды, когда они возбуждаются лазерным излучением.

Вода ведет себя странно. Ученые до сих пор пытаются объяснить такое поведение.

Это новое исследование раскрывает эффекты, которые могут раскрыть ключевые аспекты микроскопического происхождения странных свойств воды. Это также может привести к лучшему пониманию того, как вода помогает белкам функционировать в живых организмах.

Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета, сказал: напрямую.Вопрос в том, может ли этот квантовый эффект быть недостающим звеном в теоретических моделях, описывающих аномальные свойства воды».

Вода состоит из кислорода, водорода и сети водородных связей между положительно заряженными атомами водорода в одной молекуле и отрицательно заряженными атомами кислорода в соседних молекулах, которые удерживают их вместе. Эта сеть подсказывает многие необъяснимые свойства воды.

До сих пор ей не удавалось наблюдать, как молекула воды напрямую взаимодействует со своими соседями.

Соавтор Келли Гаффни, ученый из Стэнфордского института пульса в SLAC, сказала: «Малая масса атомов водорода подчеркивает их квантово-волновое поведение. Это исследование впервые прямо продемонстрировало, что реакция сети водородных связей на импульс энергии в решающей степени зависит от квантово-механической природы того, как расположены атомы водорода, которые, как уже давно предполагалось, ответственны за уникальные свойства атомов водорода. вода и сеть ее водородных связей.

Для исследования ученые использовали SLAC MeV-USD, высокоскоростную «электронную камеру» для обнаружения молекулярных движений путем рассеяния мощного пучка электронов на образцах. Ученые создали струи жидкой воды толщиной 100 нанометров — примерно в 1000 раз тоньше, чем толщина человеческого волоса — и заставили молекулы воды вибрировать с помощью инфракрасного лазерного излучения. Затем они взорвали молекулы короткими импульсами высокоэнергетических электронов от MeV-USD.

В результате были созданы снимки изменяющейся атомной структуры молекул в высоком разрешении, которые они объединили в покадровую анимацию того, как сеть молекул воды реагирует на свет.

Благодаря этим снимкам ученые смогли увидеть вибрацию возбужденной молекулы воды. Они также обнаружили, что атом водорода притягивает атомы кислорода от соседних молекул воды ближе, прежде чем оттолкнуть их своей вновь обретенной силой, расширяя пространство между молекулами.

Цзе Ян, бывший ученый SLAC, а ныне профессор Университета Цинхуа в Китае, сказал: «Долгое время исследователи пытались понять сеть водородных связей, используя методы спектроскопии.Прелесть этого эксперимента в том, что мы впервые смогли наблюдать, как эти молекулы движутся напрямую».

Используя этот метод, ученые рассчитывают лучше понять квантовую природу водородных связей и их роль в странных свойствах воды. Ученые также планируют изучить критическую роль, которую эти свойства играют во многих химических и биологических процессах.

Сицзе Ван, выдающийся научный сотрудник SLAC и соавтор исследования, сказал: «Это открыло новое окно для изучения воды.Теперь, когда мы, наконец, можем увидеть движение водородных связей, мы хотели бы связать эти движения с более широкой картиной, которая могла бы пролить свет на то, как вода привела к возникновению и выживанию жизни на Земле, а также на разработку методов возобновляемой энергии. ”

Номер журнала:
  1. Прямое наблюдение сверхбыстрого упрочнения водородных связей в жидкой воде, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03793-9

Диэлектрическое упорядочение молекул воды, расположенных в диполярной решетке

  • Pauling, L.Структура и энтропия льда и других кристаллов с некоторой хаотичностью расположения атомов. Дж. Ам. хим. соц. 57 , 2680–2684 (1935).

    КАС Google ученый

  • Брамвелл, С. Т. Сегнетоэлектрический лед. Природа 397 , 212–213 (1999).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Петренко В. Ф. и Уитворт Р.W. Физика льда (Oxford University Press, 2002).

  • Köster, K.W. et al. Динамика, усиленная легированием HCl, вызывает выброс 60% энтропии Полинга при переходе льда XII–XIV. Нац. коммун. 6 , 7349 (2015).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Лааге Д., Эльсэссер Т. и Хайнс Дж. Т. Динамика воды в гидратных оболочках биомолекул. Хим. Ред. 117 , 10694–10725 (2017).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Bellissent-Funel, M.-C. и другие. Вода определяет структуру и динамику белков. Хим. Ред. 116 , 7673–7697 (2016).

    КАС пабмед Google ученый

  • Ball, P. Вода как активный компонент в клеточной биологии. Хим. Ред. 108 , 74–108 (2008).

    КАС пабмед Google ученый

  • Фогарти, А. К. и Лааге, Д. Динамика воды в белковых гидратационных оболочках: молекулярные истоки динамического возмущения. J. Phys. хим. B 118 , 7715–7729 (2014).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Вс, Х., Лианос, Л., Шен, Ю. Р. и Соморджай, Г. А. Сегнетоэлектрический лед, индуцированный поверхностью на Pt (111). Физ. Преподобный Летт. 80 , 1533–1536 (1998).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Iedema, M.J. et al. Сегнетоэлектричество в водяном льду. J. Phys. хим. B 102 , 9203–9214 (1998).

    КАС Google ученый

  • Спаньоли, К., Лоос, К., Ульман, А. и Кауман, М.К. Визуализация структурированной воды и связанного полисахарида на поверхности слюды при температуре окружающей среды. Дж. Ам. хим. соц. 125 , 7124–7128 (2003).

    КАС пабмед Google ученый

  • Чжан С., Гиги Ф. и Галли Г. Сильно анизотропная диэлектрическая релаксация воды в наномасштабе. J. Phys. хим. лат. 4 , 2477–2481 (2013).

    КАС Google ученый

  • Кант, Дж.М. П., Вемпарала С. и Анишетти Р. Корреляции на больших расстояниях в молекулярных ориентациях жидкой воды и гидрофобная сила, зависящая от формы. Физ. Ред. E 81 , 21201 (2010 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Нек-Амаль М., Петерс Ф. М., Григорьева И. В., Гейм А. К. Эффекты соизмеримости в вязкости нанозамкнутой воды. ACS Nano 10 , 3685–3692 (2016).

    КАС пабмед Google ученый

  • Собрино Фернандес, М., Питерс, Ф. М. и Ник-Амаль, М. Вызванные электрическим полем структурные изменения в воде, заключенной между двумя слоями графена. Физ. Ред. B 94 , 45436 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Цзяо С., Дуан С. и Сюй З. Структуры и термодинамика воды, инкапсулированной графеном. Науч. 7 , 2646 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Цицерон Г., Гроссман, Дж. К., Швеглер, Э., Гиги, Ф. и Галли, Г. Вода, заключенная в нанотрубках и между листами графена: исследование первого принципа. Дж. Ам. хим. соц. 130 , 1871–1878 (2008).

    КАС пабмед Google ученый

  • Гарберольо, Г. Коллективные свойства воды, заключенной в углеродных нанотрубках: исследование компьютерного моделирования. евро. физ. J. E 31 , 73–80 (2010).

    КАС пабмед Google ученый

  • Райтер, Г.Ф. и др. Доказательства аномального квантового состояния протонов в нанозамкнутой воде. Физ. B 85 , 45403 (2012).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Колесников А.И. и др. Аномально мягкая динамика воды в нанотрубке: откровение о наноразмерном удержании. Физ. Преподобный Летт. 93 , 35503 (2004).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Накамура Ю.& Оно, Т. Сегнетоэлектрическая подвижная вода. Физ. хим. хим. физ. 13 , 1064–1069 (2011).

    КАС пабмед Google ученый

  • Луо, К., Фа, В., Чжоу, Дж., Донг, Дж. и Цзэн, X. С. Сегнетоэлектрическое упорядочение в ледяных нанотрубках, заключенных в углеродные нанотрубки. Нано Летт. 8 , 2607–2612 (2008).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Кёфингер, Дж., Хаммер Г. и Деллаго К. Макроскопически упорядоченная вода в нанопорах. Проц. Натл акад. науч. 105 , 13218 LP–13213222 (2008 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Куротоби К. и Мурата Ю. Одна молекула воды, инкапсулированная в фуллерен C60. Науч. (80-.). 333 , 613 LP–613616 (2011).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Бедуз, К.и другие. Квантовое вращение орто- и пара-воды, заключенной в фуллереновую клетку. Проц. Натл акад. науч. США 109 , 12894–12898 (2012).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Аояги, С. и др. Кубическая дипольная решетка молекул воды, запертых внутри углеродных клеток. Хим. коммун. 50 , 524–526 (2014).

    КАС Google ученый

  • ЛеБард, Д.Н., Матюшов Д. В. Сегнетоэлектрические гидратные оболочки вокруг белков: электростатика границы белок–вода. J. Phys. хим. B 114 , 9246–9258 (2010).

    КАС пабмед Google ученый

  • Каридад, Дж. М. и др. Сегнетоэлектрический молекулярный переключатель с графеновым краем. Нано Летт. 18 , 4675–4683 (2018).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Шим, Дж.и другие. Водозатворное легирование графена зарядом, индуцированное слюдяными подложками. Нано Летт. 12 , 648–654 (2012).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Ли, Д., Ан, Г. и Рю, С. Двумерная диффузия воды на границе графена и диоксида кремния. Дж. Ам. хим. соц. 136 , 6634–6642 (2014).

    КАС пабмед Google ученый

  • Северин Н., Ланге П., Соколов И. М. и Рабе Дж. П. Обратимое осушение молекулярно тонкой жидкой водной пленки в мягкой щелевой поре из графена и слюды. Нано Летт. 12 , 774–779 (2012).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Olson, E.J. et al. Емкостное зондирование интеркалированных молекул H 2 O с использованием графена. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 7 , 25804–25812 (2015 г.).

    КАС пабмед Google ученый

  • Ван Ю.& Xu, Z. Интеркаляция воды для бесшовных, электроизолирующих и термопрозрачных интерфейсов. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 8 , 1970–1976 (2016).

    КАС пабмед Google ученый

  • Чжао Х.-Х. и другие. Переход от одномерной воды к сегнетоэлектрическому льду в супрамолекулярной архитектуре. Проц. Натл акад. науч. 108 , 3481–3486 (2011).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Манива, Ю.и другие. Упорядоченная вода внутри углеродных нанотрубок: образование ледяных нанотрубок от пятиугольных до восьмиугольных. Хим. физ. лат. 401 , 534–538 (2005).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Парккинен, П., Рииконен, С. и Халонен, Л. Айс XI: не то что сегнетоэлектрик. J. Phys. хим. C. 118 , 26264–26275 (2014).

    КАС Google ученый

  • Чжао В.Х., Бай Дж., Юань Л.Ф., Ян Дж. и Цзэн Х.С. Сегнетоэлектрические гексагональные и ромбические монослойные фазы льда. Хим. науч. 5 , 1757–1764 (2014).

    КАС Google ученый

  • Алгара-Силлер, Г. и др. Квадратный лед в графеновых нанокапиллярах. Природа 519 , 443–445 (2015).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Чжоу В.и другие. Наблюдение за квадратным льдом в графене поставлено под сомнение. Природа 528 , E1–E2 (2015).

    КАС пабмед Google ученый

  • Алгара-Силлер Г., Лехтинен О. и Кайзер У. Алгара-Силлер и др. Ответить. Природа 528 , E3–E3 (2015).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Ван, Ф. К., Ву, Х.А. и Гейм, А.К. Ван и соавт. Ответить. Природа 528 , E3–E3 (2015).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Винклер, Б. Динамика H 2 O в минералах. Физ. хим. Шахтер. 23 , 310–318 (1996).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Колесов Б. А. и Гейгер К. А. Поведение молекул H 2 O в каналах натролита и сколецита: рамановское и ИК-спектроскопическое исследование водосодержащих микропористых силикатов. утра. Шахтер. 91 , 1039–1048 (2006).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Rowley, S.E. et al. Сегнетоэлектрическая квантовая критичность. Нац. физ. 10 , 367 (2014).

    КАС Google ученый

  • Rowley, S.E. et al. Одноосная сегнетоэлектрическая квантовая критичность в мультиферроидных гексаферритах BaFe 12 O 19 и SrFe 12 O 19 . Науч. Респ. 6 , 25724 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Горшунов Б.П. и др. Квантовое поведение молекул воды в нанополостях в драгоценных камнях. J. Phys. хим. лат. 4 , 2015–2020 (2013).

    КАС пабмед Google ученый

  • Горшунов Б.П. и др.Зарождающееся сегнетоэлектричество молекул воды ограничено наноканалами берилла. Нац. коммун. 7 , 12842 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Белянчиков М.А. и др. Колебательные состояния наноразмерных молекул воды в берилле исследованы расчетами из первых принципов и оптическими экспериментами. Физ. хим. хим. физ. 19 , 30740–30748 (2017).

    КАС пабмед Google ученый

  • Дрессель М., Жукова Е. С., Томас В. Г., Горшунов Б. П. Квантовая электрическая дипольная решетка: молекулы воды заключены в нанополости в берилле. Дж. Инфракрасный, Миллим., Терагерцовые волны 39 , 799–815 (2018).

    КАС Google ученый

  • Жукова Е.С. и др. Молекулы h3O в кристаллической матрице — Новое состояние воды? Веб-конференция EPJ. 195 , 1–2 (2018).

    Google ученый

  • Жукова Е.С. и др. Колебательные состояния молекулы воды в нанополости кристаллической решетки берилла. J. Chem. физ. 140 , 0–11 (2014).

    КАС Google ученый

  • Колесников А.И. и др. Квантовое туннелирование воды в берилле: новое состояние молекулы воды. Физ.Преподобный Летт. 116 , 167802 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед Google ученый

  • Гиббс Г.В. Полиморфизм кордиерита I: кристаллическая структура низкого кордиерита. утра. Минеральная. 51 , 1068–1087 (1966).

    КАС Google ученый

  • Колесов Б.А. и Гейгер К.А. Кордиерит II: роль CO 2 и H 2 O. утра. Минеральная. 85 , 1265–1274 (2000).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Lines, ME & Glass, AM Принципы и применение сегнетоэлектриков и родственных материалов (Clarendon Press, 1977).

  • Коули Р. А., Гвасалия С. Н., Лушников С. Г., Россли Б. и Ротару Г. М. Релаксация релаксорами: обзор релаксорных сегнетоэлектриков. Доп. физ. 60 , 229–327 (2011).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Элтон, округ Колумбия, и Фернандес-Серра, М.-В. Полярные нанообласти в воде: исследование диэлектрических свойств TIP4P/2005, TIP4P/2005f и TTM3F. J. Chem. физ. 140 , 124504 (2014).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

  • Мартин Д. Р., Матюшов Д.V. Диполярные нанодомены в гидратных оболочках белков. J. Phys. хим. лат. 6 , 407–412 (2015).

    КАС пабмед Google ученый

  • Кросс, Л. Э. Релаксор сегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики 76 , 241–267 (1987).

    КАС Google ученый

  • Самара Г. А. Релаксационные свойства композиционно неупорядоченных перовскитов АВО 3 . J. Phys. Конденс. Материя 15 , R367–R411 (2003).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Блинк, Р. и Жекш, Б. Мягкие моды в сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках (North-Holland Pub. Co., 1974).

  • Хатта, И. Статическая электрическая восприимчивость и время диэлектрической релаксации вблизи точек перехода в NaNO 2 . J. Phys. соц. Япония. 28 , 1266–1277 (1970).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Старешинич Д., Билякович К., Лункенхаймер П. и Лойдл А. Замедление релаксационной динамики при сегнетоэлектрическом фазовом переходе в одномерном пространстве (TMTTF) 2 AsF 6 . Твердотельный коммуник. 137 , 241–245 (2006).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Шибл, М.и другие. Критическое поведение типа порядок-беспорядок при магнитоэлектрическом фазовом переходе в мультиферроике DyMnO 3 . Физ. Ред. B 91 , 224205 (2015).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Бовтун В. и др. Широкополосная диэлектрическая спектроскопия фононов и полярных нанокластеров в керамике PbMg(1/3)Nb(2/3)O 3 -35%PbTiO 3 : влияние размера зерна. Физ. Ред. B 79 , 104111 (2009 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Бемер Р., Маглионе М., Лункенхаймер П. и Лойдл А. Радиочастотные диэлектрические измерения при температурах от 10 до 450 К. J. Appl. физ. 65 , 901–904 (1989).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Лепезин Г.Г., Меленевский В.Н. К проблеме диффузии воды в кордиеритах. ЛИТОС 10 , 49–57 (1977).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Кресс, Г. и Хафнер, Дж. Молекулярная динамика Ab initio для жидких металлов. Физ. Rev. B 47 , 558–561 (1993).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективные итерационные схемы для неэмпирических расчетов полной энергии с использованием базисного набора плоских волн. Физ.Ред. B 54 , 11169–11186 (1996).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

  • Blöchl, PE Метод дополненной волны проектора. Физ. Ред. B 50 , 17953–17979 (1994).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Пердью, Дж. П., Берк, К. и Эрнзерхоф, М. Упрощенное приближение обобщенного градиента. Физ. Преподобный Летт. 77 , 3865–3868 (1996).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

  • Ли, К., Мюррей, Э. Д., Конг Л., Лундквист Б.И. и Лангрет Д.К. Функционал плотности Ван-дер-Ваальса повышенной точности. Физ. Ред. B 82 , 81101 (2010 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

  • Ученые обнаружили новые свойства h3O

    Группа ученых открыла новые молекулярные свойства воды — открытие явления, которое ранее оставалось незамеченным.

    Известно, что жидкая вода является отличным переносчиком продуктов собственной автоионизации; то есть заряженные частицы, полученные при расщеплении молекулы воды (H 2 O) на протоны (H + ) и ионы гидроксида (OH ). Это замечательное свойство воды делает ее важнейшим компонентом новых электрохимических технологий производства и хранения энергии, таких как топливные элементы; действительно, сама жизнь была бы невозможна, если бы вода не обладала этой характеристикой.

    Известно, что вода состоит из сложной сети слабых направленных взаимодействий, известных как водородные связи. Почти столетие считалось, что механизмы, с помощью которых вода переносит ионы H + и OH , являются зеркальным отражением друг друга — идентичными во всех отношениях, за исключением направлений водородных связей, участвующих в этом процессе.

    Современные современные теоретические модели и компьютерное моделирование, однако, предсказывают фундаментальную асимметрию в этих механизмах.Если это так, то эту асимметрию можно использовать в различных приложениях, адаптируя систему так, чтобы один ион отдавал предпочтение другому.

    Экспериментальное подтверждение теоретического предсказания остается труднодостижимым из-за сложности непосредственного наблюдения за двумя видами ионов. Различные эксперименты дали лишь проблески предсказанной асимметрии.

    Группа ученых Нью-Йоркского университета под руководством профессора Алексея Джершоу, в которую входили Эмилия Силлетта, научный сотрудник Нью-Йоркского университета, и Марк Такерман, профессор химии и математики Нью-Йоркского университета, разработала новый эксперимент для выявления этой асимметрии.Экспериментальный подход заключался в охлаждении воды до ее так называемой температуры максимальной плотности, при которой асимметрия, как ожидается, будет наиболее сильно проявляться, что позволило ее тщательно обнаружить.

    Общеизвестно, что лед плавает по воде, а озера замерзают сверху. Это связано с тем, что молекулы воды упаковываются в структуру с меньшей плотностью, чем плотность жидкой воды, что является проявлением необычных свойств воды: плотность жидкой воды увеличивается сразу после точки замерзания и достигает максимума при четырех градусах Цельсия (39 градусов по Фаренгейту). ), так называемая температура максимальной плотности; эта разница в плотности диктует, что жидкость всегда находится подо льдом.

    Охлаждая воду до этой температуры, группа использовала методы ядерного магнитного резонанса (тот же подход используется в медицине при магнитно-резонансной томографии), чтобы показать, что разница во времени жизни двух ионов достигает максимального значения (чем больше время жизни , тем медленнее транспорт). Подчеркнув разницу в продолжительности жизни, асимметрия стала очевидной.

    Как отмечалось ранее, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, но атомы водорода относительно подвижны и могут перескакивать с одной молекулы на другую, и именно этот прыжок делает две ионные частицы столь подвижными в воде.

    В поисках объяснений характеристик, зависящих от температуры, исследователи сосредоточились на скорости, с которой могут происходить такие прыжки.

    Предыдущие исследования показали, что два основных геометрических расположения водородных связей (по одной связанной с каждым ионом) облегчают прыжки. Исследователи обнаружили, что одна из схем приводит к значительно более медленным скачкам для OH , чем для H + при четырех градусах Цельсия. Поскольку это также температура максимальной плотности, исследователи сочли, что эти два явления должны быть связаны.Кроме того, их результаты показали, что прыжковое поведение молекул резко изменилось при этой температуре.

    «Изучение молекулярных свойств воды представляет большой интерес из-за ее центральной роли в обеспечении физиологических процессов и ее повсеместного характера», — говорит Джершоу, соответствующий автор этого исследования. «Новое открытие весьма неожиданно и может способствовать более глубокому пониманию свойств воды, а также ее роли как жидкости во многих явлениях природы».

    Такерман, который был одним из первых исследователей, предсказавших асимметрию в механизмах переноса и различие в расположении водородных связей, говорит: «Приятно, что эти четкие экспериментальные данные подтверждают наши более ранние предсказания.В настоящее время мы ищем новые способы использования асимметрии между транспортом H + и OH для разработки новых материалов для экологически чистых энергетических приложений, и знание того, что мы начинаем с правильной модели, имеет решающее значение для нашего дальнейшего прогресса».

    Выводы группы также повлияют на широкий спектр других исследований, начиная от изучения функции ферментов в организме и заканчивая пониманием того, как живые организмы могут процветать в суровых условиях, включая отрицательные температуры и сильнокислую среду.

    Исследование было поддержано грантами Национального научного фонда (CHE 1710046, CHE-1534374) и частично программой MRSEC Национального научного фонда (DMR-1420073).

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.076001

    Приборы NASA обнаружили молекулы воды на поверхности Луны

    Приборы NASA обнаружили молекулы воды на поверхности Луны

    24.09.09

     

    ПАСАДЕНА, Калифорния. Ученые НАСА обнаружили молекулы воды в полярных областях Луны.Приборы на борту трех отдельных космических кораблей выявили молекулы воды в количествах, превышающих предсказанные, но все же относительно небольших. Гидроксил, молекула, состоящая из одного атома кислорода и одного атома водорода, также была обнаружена в лунном грунте. Результаты были опубликованы в четверг в журнале Science.

    Лунный минералогический картограф НАСА, или M3, сообщил о наблюдениях. M3 был доставлен в космос 22 октября 2008 года на борту космического корабля Chandrayaan-1 Индийской организации космических исследований.Данные, полученные с помощью визуального и инфракрасного картографического спектрометра, или VIMS, на космическом корабле НАСА «Кассини» и спектрометра инфракрасного изображения высокого разрешения на космическом корабле НАСА Epoxi, способствовали подтверждению открытия. Спектрометры космических кораблей позволили составить карту лунной воды более эффективно, чем когда-либо прежде.

    Подтверждение повышенного содержания молекул воды и гидроксила в этих концентрациях в полярных регионах Луны поднимает новые вопросы о его происхождении и влиянии на минералогию Луны.Ответы на эти вопросы будут изучаться и обсуждаться долгие годы.

    «Водяной лед на Луне долгое время был чем-то вроде святого Грааля для лунных ученых», — сказал Джим Грин, директор отдела планетарных исследований в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. «Это удивительное открытие стало возможным благодаря изобретательности, настойчивости и международному сотрудничеству между НАСА и Индийской организацией космических исследований».

    Со своего места на лунной орбите ультрасовременный спектрометр M3 измерил свет, отражающийся от поверхности Луны в инфракрасном диапазоне, разделив спектральные цвета лунной поверхности на достаточно мелкие части, чтобы выявить новый уровень детализации поверхности сочинение.Когда научная группа M3 проанализировала данные прибора, они обнаружили, что длины волн поглощаемого света соответствуют характеристикам поглощения молекул воды и гидроксила.

    «Для силикатных тел такие свойства обычно приписываются воде и материалам, содержащим гидроксил», — сказал Карл Питерс, главный исследователь M3 из Университета Брауна, Провиденс, Род-Айленд. «Когда мы говорим «вода на Луне», мы не говорим об озерах, океанах или даже лужах.Под водой на Луне подразумеваются молекулы воды и гидроксила, которые взаимодействуют с молекулами породы и пыли именно в верхних миллиметрах лунной поверхности.

    Команда M3 обнаружила молекулы воды и гидроксил в различных областях освещенной солнцем области поверхности Луны, но водная сигнатура оказалась сильнее в более высоких широтах Луны. Молекулы воды и гидроксил ранее подозревались в данных облета Луны аппаратом Кассини в 1999 году, но результаты не были опубликованы до сих пор.

    «Данные прибора VIMS Кассини и M3 полностью совпадают», — сказал Роджер Кларк, научный сотрудник Геологической службы США в Денвере и член команд VIMS и M3.«Мы видим как воду, так и гидроксил. Хотя их содержание точно неизвестно, в лунном грунте может содержаться до 1000 частей молекул воды на миллион. Для сравнения, если вы соберете одну тонну верхнего слоя поверхности Луны, вы можете получить до 32 унций воды».

    За дополнительным подтверждением ученые обратились к миссии Epoxi, когда она пролетала мимо Луны в июне 2009 г. на пути к встрече с кометой Хартли 2 в ноябре 2010 г. Космический аппарат не только подтвердил выводы VIMS и M3, но и расширил их.

    «Благодаря нашему расширенному спектральному диапазону и видам на северный полюс мы смогли изучить распределение как воды, так и гидроксила в зависимости от температуры, широты, состава и времени суток», — сказала Джессика Саншайн из Университета Мэриленд. Саншайн — заместитель главного исследователя Epoxi и ученый в команде M3. «Наш анализ недвусмысленно подтверждает присутствие этих молекул на поверхности Луны и показывает, что вся поверхность, по-видимому, увлажнена в течение, по крайней мере, некоторой части лунного дня.»

    Лаборатория реактивного движения НАСА, Пасадена, Калифорния, управляет прибором M3, миссией Кассини и космическим кораблем Epoxi для Управления научной миссии НАСА в Вашингтоне. Индийская организация космических исследований построила, запустила и эксплуатировала космический корабль «Чандраян-1».

    Для получения дополнительной информации и изображений приборов посетите:

    http://www.nasa.gov/topics/moonmars

    Для получения дополнительной информации о миссии Чандраян-1 посетите:
    http://isro.gov.in/Chandrayan/htmls/home.htm

    Для получения дополнительной информации о миссии EPOXI посетите:
    http://www.nasa.gov/epoxi

    Для получения дополнительной информации о миссии Cassini посетите:
    http://www.nasa.gov/cassini

    DC Agle 818-393-9011
    Лаборатория реактивного движения, Пасадена, Калифорния
    [email protected]

    Дуэйн Браун 202-358-1726
    NASA Headquarters, Washington 9091 .gov

    2009-147

    Молекула воды Изображения PNG | Векторные и PSD файлы

  • структура воды молекула

    1200 * 1200

  • 3

    3

    3D молекула частицы воды из воды кислород и водород плавающие

    2000 * 2000

    2000 * 2000

    9

    Творческая водная вода H3O H3O Источник воды

    2096 * 2096

  • молекула воды

    2000 * 2000

  • 9002 * 3000

    9002 * 3000

    1200 * 1200

    1200 * 1200

    3

    Стеклянная молекула Фармацевтическая модель набор вектор

    5000 * 5000

  • Химическая молекула украшения Иллюстрация

    2500 * 2500

  • 5

    5

    4167 * 4167

    20022

    2000 * 2000

    2000 * 2000

  • Структура гистамина молекула

    5000*5000

  • Химическая и молекулярная структура

    2931 * 3208

  • 2000 * 2000

  • синий молекулярной узор иллюстрации

    2936 * 2248

  • Брызги воды цветок шаржа иллюстрации

    2000 * 2000

  • молекула в капли воды биоматериал Векторный Icon

    5000 * 5000

  • вода всплеск жидкого мультфильма иллюстрации

    2000 * 2000

    2000 * 2000

  • Молекула модель науки или медицинский фон с молекулами и атомами

    5000 * 5000

  • 3D стеклянные шариковые аспарагиновые кислоты молекула

    2000 * 2000

  • розовые молекулярные декоративные иллюстрации

    2000 * 2000

    2000 * 2000

  • 3D стеклянный метан молекула метана с зеленым шаром

    2000 * 2000

  • мягкие розовые облака

    1200*1200

  • Кристалл чистый увлажняющий круглая молекула водой глицерин эфирное масло молекула

    2000 * 2000

  • облака

  • облака

    1200 * 1200

    1200 * 1200

  • молекула воды

    498 * 320

  • синяя сфера молекула воды Для науки poster

    4167 * 4167

  • * 4167

  • 1200 * 1200

    1200 * 1200

  • Молекула воды набор плоских

    5000 * 5000

  • Crystal Clear Увлажняющие круглая молекула молекулы воды Глицерин Молекула масла

    2000 * 2000

    2000 * 2000

  • Молекула молекула глицерина

    2000 * 2000

    2000 * 2000

  • вектор молекулярная формула молекула воды синий

    2000 * 2000

  • коллекция структурных элементов кристально чистая молекула воды e SSILET MOLL

    1200 * 1503

    1200 * 1503

  • Кристалл прозрачный макияж молекулы воды

    2000 * 2000

  • кристалл чистый увлажняющий круглая вода молекула глицерина эфирное масло молекула

    2000 * 2000

  • сбор структурных элементов кристалла Прозрачная молекула воды Эфирное масло 3

    2000 * 2000

  • * 2000

  • Crystal Clean Crystal Molecule Molecule Round Water Глицерин Молекула эфирного масла

    2000 * 2000

    2000 * 2000

  • Элементы молекулы воды из воды пополняют и увлажняют круглые молекулы воды

    2000 * 2000

  • кристалл молекул воды и молекул глицерина

    2000 * 2000

  • кристалл чистый увлажняющий круглая вода молекула глицерина эфирное масло молекула

    1200 * 1604

  • морщинистая пленка полиэтиленовая пленка

    1500 * 1500

  • кристально чистая вода молекула эфирное масло структурные элементы эфирное масло молекулы

    2000*2000

  • кристально чистая вода молекула эфирное масло структурные элементы коллекция желтое эфирное масло

    2000*2000

  • 0 плотные облака 1200

  • Темный фон прозрачные свежие молекулы воды

    2000 * 2000

  • молекула воды увлажняющие

    2000 * 2000

  • ручной обращается мультфильм коммерчески синяя молекула воды

    2000 * 2000

  • вода Молекула глицерина эфирное масло C4D

    1024 * 1369

  • кристалл молекулы воды

    1200 * 1200

  • кристалл четкие эфирные нефтяные элементы структурные элементы коллекции макияжа молекул воды

    2000 * 2000

  • кристалл молекула Эфирное масло Структурные элементы собирают молекулы воды

    2000 * 2000

  • 2000 * 2000

    2000 * 2000

    2000 * 2000

    2000 * 2000

  • Кристалл чистая молекула воды Эфирное масло Структурные элементы собирают молекулы воды

    2000 * 2000

  • молекула воды Материал прозрачности материала воды молекула постепенной прозрачности

    2000 * 2000

  • кристалл прозрачный увлажняющий круглая молекула водой глицерин эфирное масло молекулярное

    2000 * 2000

  • элемент дизайна абстрактные воды молекулы вектора шаблона логотипа

    5000 * 5000

  • Облака розовые облака неба

    1200 * 1200

  • 2500 * 2500

    2500 * 2500

  • цветные воды молекулярная структура

    2000 * 2000

  • облака розовые мягкие облака

    12 00 * 1200

  • кристалл чистый молекулярный элемент воды 5

    1200 * 1200

  • 1200 * 1200

    1200 * 1200

  • кристалл чистый молекулярный элемент воды 1

    1200 * 1200

  • Облако розовые мечты Sky

    1200 * 1200

  • Свежий и чистый светло-зеленый вывод экстракт зеленый чай уход за кожей

    1200 * 1200

  • Сущность

    1734 * 3077

    1734 * 3077

  • 1200 * 1200

    1200 * 1200

  • Тримерный градиент прозрачный капель воды

    2000 * 2000

  • Медиа Галерея

    Обратите внимание, что для использования этих фильмов требуется наше разрешение и ссылка на первоисточник.

    Аллостерия убиквитина

    К.А. Смит и др.: PNAS USA 113,3269-3274 (2016)

    Для просмотра фильмов, связанных со статьей новостей MPIbpc за апрель 2017 г. об аллостерии убиквитина, нажмите здесь.

    Заголовок на обложке: Аллостерически регулируемое субангстремное сокращение убиквитина обеспечивает связывание с деубиквитиназами USP (желтый).

    Аквапорин

    Б.Л. де Гроот и Х. Грубмюллер: Наука 294, 2353-2357 (2001)
    Аквапорин-1 в действии. Фрагмент моделирования 200 пс аквапорина-1.Сгенерировано с использованием Molscript/Bobscript и raster3d. Щелкните здесь для версии с более высоким разрешением.

    Путь молекулы воды через AQP1. Ленточное представление один мономер аквапорина-1 и набор воды молекулы. Одна молекула воды, окрашенная в желтый цвет, полностью находит свой путь. через пору. Те боковые цепи, которые находятся в прямое соприкосновение с проходящими молекулами воды показано явно. Ролик сделан с помощью Molscript/Bobscript и raster3d. Щелкните здесь для версии с более высоким разрешением.

    Обратите внимание, что для использования этих изображений требуется наше разрешение и ссылка на первоисточник обязателен.

    Аквапорин

    Б.Л. де Гроот и Х. Грубмюллер: Наука 294, 2353-2357 (2001)
    Система периодического моделирования для Аквапорина-1 Белок активен в виде тетрамера (мономеры изображены оранжевый/голубой/пурпурный/синий), встроенный в двойной липидный слой мембрана (желтая/зеленая), окруженная молекулами воды (красная/белая). Размер системы составляет ок. 100 000 атомов; все симуляции были проведены с полной электростатикой и имели длительность 10 нс. Изображение сделано с помощью Molscript/Bobscript и raster3d.

    Аквапорин-1 в действии. Снимок аквапорина-1 во время МД моделирование, когда молекулы воды диффундируют через поры. Изображение сделано с помощью Molscript/Bobscript и raster3d. Щелкните здесь, чтобы просмотреть фильм в формате MPEG фрагмент траектории 200 пс.

    Путь молекулы воды через AQP1. Поверхностное представление один мономер аквапорина-1 и наложенные друг на друга снимки воды молекула на пути через пору. Участки белка, которые наиболее сильно взаимодействующие с проходящими молекулами воды показаны желтым цветом.Изображение сделано с Дино.

    Путь молекулы воды через AQP1. Ленточное представление один мономер аквапорина-1 и наложенные друг на друга снимки воды молекула на пути через пору. Те боковые цепи, которые находятся в прямое соприкосновение с проходящими молекулами воды показано явно. Изображение сделано с помощью Molscript/Bobscript и raster3d. Щелкните здесь, чтобы просмотреть фильм о проникновении в формате MPEG. событие на участке траектории длительностью 2 нс (наблюдайте за желтой молекулой воды).

    Распределение диполей воды в AQP1.Ленточное представление один мономер аквапорина-1 и, наложенный, средний дипольный момент молекул воды, проходящих через пору. Водяной диполь вращается примерно 180 градусов при прохождении поры. Белок окрашен в соответствии с местный электростатический потенциал.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.