Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами
https://ria.ru/20170513/1494214972.html
Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами
Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами — РИА Новости, 13.05.2017
Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами
Физики впервые смогли детально рассмотреть водородную связь между двумя молекулами и точно измерить силу, что поможет ученым в раскрытии тайн устройства белков… РИА Новости, 13.05.2017
2017-05-13T09:30
2017-05-13T09:30
2017-05-13T09:30
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/149420/92/1494209233_0:2:600:340_1920x0_80_0_0_0dda3b90c5f9540141cf57373ad03a6c.gif
швейцария
японское море
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
2017
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/149420/92/1494209233_73:0:528:341_1920x0_80_0_0_a5c5585925c94da5fec50806103b9d6f.gif
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.
7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
открытия — риа наука, швейцария, японское море
Открытия — РИА Наука, Наука, Швейцария, Японское море
МОСКВА, 13 мая – РИА Новости. Физики впервые смогли детально рассмотреть водородную связь между двумя молекулами и точно измерить силу, что поможет ученым в раскрытии тайн устройства белков и молекул ДНК, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.
«Водород, состоящий из всего одного протона и электрона, является самым небольшим и распространенным атомом во Вселенной. Водород столь же важен и для химии и физики, но до настоящего времени мы не могли видеть одиночные атомы водорода в молекулах. Получение первых данных по силе водородных связей открывает путь для раскрытия трехмерной формы молекул ДНК и полимеров», — рассказывают Сигеки Кавай (Shigeki Kawai) из Национального института изучения материалов в Цукубе (Япония) и его коллеги.
Почти все молекулы, существующие во Вселенной, состоят из атомов, связанных тремя путями – посредством прочных ковалентных или ионных связей, основанных на «обобществлении» или «экспроприации» электронов между двумя атомами, и слабых водородных связей.
Угарный газ помог ученым увидеть связи между атомами углерода
NaN , NaN:NaN
Они образуются за счет перераспределения заряда между атомами водорода и кислорода, из-за которого возникает «зарядовая асимметрия» молекулы и один ее конец оказывается заряжен положительно, а другой отрицательно. К этим заряженным концам могут присоединяться другие атомы и молекулы, а также атомы в самой молекуле, содержащей водород.
Водородные связи, возникающие между молекулами воды, объясняют высокую температуру кипения и высокую вязкость воды, а также необычные свойства белков, молекул ДНК и других «кирпичиков жизни». Ученые достаточно давно знают примерную силу этих связей, однако их точное значение так и не было измерено из-за того, что электронные микроскопы крайне плохо «видят» атомы водорода в молекулах.
© Kawai et al. / Science Advances 2017Фотографии водородных связей в молекулах
© Kawai et al. / Science Advances 2017
Кавай и его коллеги решили эту проблему, модифицировав жало атомно-силового микроскопа таким образом, что водород начинает формировать связи не только с изучаемыми молекулами, но и с самим микроскопом.
Сердцем атомно-силового микроскопа является сверхтонкая игла из металла и присоединенная к ней упругая пластинка, которая вибрирует при движении щупа по образцу материала. Эти колебания преобразуются в картинку при помощи лазера, угол отражения луча которого меняется в зависимости от силы вибраций.
В 2012 году Кавай и швейцарские физики впервые смогли увидеть связи между атомами углерода в молекулах ароматических углеводородов, покрыв «иглу» микроскопа угарным газом, чьи молекулы, как выяснили ученые, были особенно чувствительны к искажениям, которые возникают в результате отталкивания наконечника электронами, образующими связи между атомами.
Физики протестировали микроскоп, способный видеть объекты меньше атома
NaN , NaN:NaN
Экспериментируя с подобными иглами, авторы статьи обнаружили, что они могут фиксировать появление водородной связи между ними и особо устроенными ароматическими углеводородами, часть атомов водорода в которых смотрит строго «вверх». В таком случае жало микроскопа будет взаимодействовать со строго одним атомом водорода, что позволяет четко видеть формирование связи и точно измерять ее силу.
Для проведения подобных экспериментов ученые собрали молекулы, состоящие из нескольких углеводородных колец и хвостов и похожие по форме на логотип «Мерседес-Бенц», пропеллер и звезду с тремя лучами. «Ощупывая» эти хвосты при помощи жала микроскопа, физики смогли впервые сфотографировать водородные связи, понять, как они отличаются от ковалентных связей, измерить их силу – около 40 пиконьютонов, триллионных долей ньютона, и понять, на каком расстоянии они работают – примерно 300 пикометров.
Рентгеновский лазер помог физикам взглянуть на электроны внутри алмаза
NaN , NaN:NaN
В целом, все эти значения полностью соответствует теоретическим предсказаниям и говорят о том, что в их формировании не замешаны силы электростатического притяжения или неизвестная нам форма ионных связей. Как надеется Кавай, открытие его команды проложит дорогу для получения первых «атомных» фотографий ДНК и важнейших белков, и последующего раскрытия их тайн.
Водородная связь | CHEMEGE.RU
Рассмотрим взаимодействия, возникающие между отдельными молекулами в веществе — межмолекулярные взаимодействия. Межмолекулярные взаимодействия — это такой вид взаимодействия между нейтральными атомами, при котором не образуются новые ковалентные связи. Силы взаимодействия между молекулами обнаружены Ван-дер Ваальсом в 1869 году, и названы в честь него Ван-дар-Ваальсовыми силами. Силы Ван-дер-Ваальса делятся на ориентационные, индукционные и дисперсионные.
Энергия межмолекулярных взаимодействий намного меньше энергии химической связи.
Ориентационные силы притяжения возникают между полярными молекулами (диполь-диполь взаимодействие). Эти силы возникают между полярными молекулами. Индукционные взаимодействия — это взаимодействие между полярной молекулой и неполярной. Неполярная молекула поляризуется из-за действия полярной, что и порождает дополнительное электростатическое притяжение.
Особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородные связи.
Водородные связи — это межмолекулярные (или внутримолекулярные) химические связи, возникающие между молекулами, в которых есть сильно полярные ковалентные связи — H-F, H-O или H-N. Если в молекуле есть такие связи, то между молекулами будут возникать дополнительные силы притяжения.
Механизм образования водородной связи частично электростатический, а частично — донорно–акцепторный.
Водородную связь можно обозначать точками: Н ··· O. Чем больше электроотрицательность атома, соединенного с водородом, и чем меньше его размеры, тем крепче водородная связь. Она характерна прежде всего для соединений фтора с водородом, а также кислорода с водородом
Водородные связи возникают между следующими веществами:
- фтороводород HF (газ, раствор фтороводорода в воде — плавиковая кислота),
- вода H2O (пар, лед, жидкая вода):
- раствор аммиака и органических аминов — между молекулами аммиака и воды;
- органические соединения, в которых есть связи O-H или N-H: спирты, карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, фенолы, анилин и его производные, белки, растворы углеводов — моносахаридов и дисахаридов.
Водородная связь оказывает влияние на физические и химические свойства веществ. Так, дополнительное притяжение между молекулами затрудняет кипение веществ. У веществ с водородными связями наблюдается аномальное повышение тепературы кипения.
Например, как правило, при повышении молекулярной массы наблюдается повышение температуры кипения веществ. Однако в ряду веществ H2O-H2S-H2Se-H2Te мы не наблюдаем линейное изменение температур кипения.
А именно, у воды температура кипения аномально высокая — не меньше -61оС, как показывает нам прямая линия, а намного больше, +100 оС. Эта аномалия объясняется наличием водородных связей между молекулами воды. Следовательно, при обычных условиях (0-20оС) вода является жидкостью.
Понравилось это:
Нравится Загрузка…
Беспроводная связь преодолевает водовоздушный барьер | MIT News
Исследователи Массачусетского технологического института сделали шаг к решению давней проблемы беспроводной связи: прямой передачи данных между подводными и бортовыми устройствами.
Сегодня подводные датчики не могут обмениваться данными с наземными, поскольку оба используют разные беспроводные сигналы, которые работают только в соответствующих средах. Радиосигналы, которые распространяются по воздуху, очень быстро затухают в воде. Акустические сигналы, или гидролокаторы, посылаемые подводными устройствами, в основном отражаются от поверхности, но никогда не пробиваются сквозь них. Это приводит к неэффективности и другим проблемам для различных приложений, таких как исследование океана и связь между подводной лодкой и самолетом.
В статье, представленной на конференции SIGCOMM на этой неделе, исследователи MIT Media Lab разработали систему, решающую эту проблему новым способом. Подводный передатчик направляет сигнал гидролокатора на поверхность воды, вызывая крошечные вибрации, соответствующие передаваемым единицам и нулям. Над поверхностью высокочувствительный приемник считывает эти мельчайшие помехи и декодирует сигнал гидролокатора.
«Попытка пересечь границу воздух-вода с помощью беспроводных сигналов оказалась препятствием.
Наша идея состоит в том, чтобы превратить само препятствие в средство коммуникации», — говорит Фадель Адиб, доцент Медиа-лаборатории, возглавляющий это исследование. Он написал статью в соавторстве со своим аспирантом Франческо Тонолини.
Система, называемая «трансляционной акустической радиочастотной связью» (TARF), все еще находится на ранней стадии, говорит Адиб. Но это представляет собой «веху», говорит он, которая может открыть новые возможности в области связи вода-воздух. Например, с помощью этой системы военным подводным лодкам не нужно будет всплывать на поверхность для связи с самолетами, что может поставить под угрозу их местоположение. А подводным дронам, которые наблюдают за морской жизнью, не нужно будет постоянно всплывать после глубоких погружений, чтобы отправлять данные исследователям.
Еще одно многообещающее приложение — помощь в поиске самолетов, пропавших без вести под водой. «Акустические передающие маяки могут быть реализованы, скажем, в черном ящике самолета», — говорит Адиб.
«Если он будет передавать сигнал время от времени, вы сможете использовать систему для приема этого сигнала».
Декодирование вибраций
Современные технологические решения этой проблемы беспроводной связи имеют ряд недостатков. Буи, например, были разработаны для улавливания гидроакустических волн, обработки данных и передачи радиосигналов бортовым приемникам. Но они могут уплыть и потеряться. Многие из них также должны покрывать большие площади, что делает их непрактичными, скажем, для связи между подводной лодкой и поверхностью.
TARF включает в себя подводный акустический передатчик, который посылает сигналы гидролокатора с помощью стандартного акустического динамика. Сигналы распространяются в виде волн давления разных частот, соответствующих разным битам данных. Например, когда передатчик хочет послать 0, он может передать волну с частотой 100 герц; для 1 он может передавать волну с частотой 200 герц. Когда сигнал попадает на поверхность, он вызывает на воде крошечную рябь высотой всего несколько микрометров, соответствующую этим частотам.
Для достижения высоких скоростей передачи данных система передает несколько частот одновременно, опираясь на схему модуляции, используемую в беспроводной связи, называемую мультиплексированием с ортогональным частотным разделением. Это позволяет исследователям передавать сотни бит одновременно.
В воздухе над передатчиком находится сверхвысокочастотный радар нового типа, который обрабатывает сигналы в диапазоне миллиметровых волн беспроводной передачи, между 30 и 300 гигагерцами. (Это диапазон, в котором будет работать будущая высокочастотная беспроводная сеть 5G.)
Радар, который выглядит как пара конусов, передает радиосигнал, который отражается от вибрирующей поверхности и возвращается обратно к радару. Из-за того, что сигнал сталкивается с вибрациями поверхности, сигнал возвращается со слегка модулированным углом, который точно соответствует биту данных, отправленному сигналом сонара. Например, вибрация на поверхности воды, представляющая 0 бит, вызовет вибрацию угла отраженного сигнала с частотой 100 герц.
«Отражение радара будет немного меняться всякий раз, когда у вас есть какое-либо смещение, например, на поверхности воды», — говорит Адиб. «Улавливая эти крошечные изменения угла, мы можем уловить эти изменения, которые соответствуют сигналу сонара».
Прислушиваться к «шепоту»
Ключевой задачей было помочь радару обнаружить водную поверхность. Для этого исследователи использовали технологию, которая обнаруживает отражения в окружающей среде и упорядочивает их по расстоянию и мощности. Поскольку вода имеет самое сильное отражение в среде новой системы, радар знает расстояние до поверхности. Как только это установлено, он увеличивает вибрации на этом расстоянии, игнорируя все другие близлежащие помехи.
Следующей серьезной задачей было получение микрометровых волн, окруженных гораздо более крупными естественными волнами. Самая маленькая океанская рябь в безветренные дни, называемая капиллярными волнами, имеет высоту всего около 2 сантиметров, но это в 100 000 раз больше, чем вибрации.
Более бурные моря могут создавать волны в 1 миллион раз больше. «Это мешает крошечным акустическим колебаниям на поверхности воды», — говорит Адиб. «Это как если бы кто-то кричал, и вы пытаетесь услышать, как кто-то шепчет в то же время».
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали сложные алгоритмы обработки сигналов. Естественные волны возникают с частотой около 1 или 2 герц — или одна или две волны перемещаются по области сигнала каждую секунду. Однако вибрации гидролокатора от 100 до 200 герц в сто раз быстрее. Из-за этой разности частот алгоритм фокусируется на быстро движущихся волнах, игнорируя более медленные.
Проверка воды
Исследователи провели TARF через 500 тестовых запусков в резервуаре с водой и в двух разных бассейнах на территории кампуса Массачусетского технологического института.
В танке радар располагался на дальности от 20 до 40 сантиметров над поверхностью, а гидроакустический передатчик — от 5 до 70 сантиметров под поверхностью.
В бассейнах радар располагался примерно на 30 сантиметров над поверхностью, а передатчик был погружен примерно на 3,5 метра ниже. В этих экспериментах у исследователей также были пловцы, создающие волны высотой около 16 сантиметров.
В обоих случаях TARF смог точно декодировать различные данные, например фразу «Привет! из-под воды» — со скоростью сотни бит в секунду, аналогичной стандартной скорости передачи данных для подводной связи. «Несмотря на то, что вокруг плавали пловцы, вызывая волнения и течения, мы смогли быстро и точно расшифровать эти сигналы», — говорит Адиб.
Однако при волнах выше 16 сантиметров система не может декодировать сигналы. Следующие шаги, помимо прочего, заключаются в доработке системы для работы в более бурных водах. «Он может справиться со спокойными днями и справиться с некоторыми водными волнениями. Но [чтобы сделать это практичным] нам нужно, чтобы это работало в любой день и при любой погоде», — говорит Адиб.
«TARF — это первая система, демонстрирующая возможность приема подводных акустических сигналов с воздуха с помощью радара, — говорит Аарон Шульман, доцент кафедры информатики и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего.
«Я ожидаю, что эта новая радиолокационно-акустическая технология принесет пользу исследователям в областях, зависящих от подводной акустики (например, морской биологии), и вдохновит научное сообщество на изучение того, как сделать радиолокационно-акустические связи практичными и надежными».
Исследователи также надеются, что их система в конечном итоге позволит беспилотнику или самолету, летящему по поверхности воды, постоянно улавливать и декодировать сигналы сонара по мере приближения.
Исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.
Обзор ‹ Беспроводная связь из-под воды в воздух — MIT Media Lab
Обзор ‹ Беспроводная связь из-под воды в воздух — MIT Media Lab Найдите людей, проекты и т. д.Электронная почта:
Пароль:
Работа
для компании-члена и вам нужна учетная запись на членском портале? Зарегистрируйтесь здесь
с адресом электронной почты вашей компании.
Группы
Знаете ли вы, что сегодня подводные лодки все еще не могут связываться по беспроводной связи с самолетами? На протяжении десятилетий связь между водой и воздухом оставалась нерешенной проблемой. Под водой подводные лодки используют акустические сигналы (или SONAR) для связи; в воздухе самолеты используют радиосигналы, такие как сотовая связь или Wi-Fi. Но ни один из этих сигналов не может работать как в воде, так и в воздухе.
Мы представляем TARF (Translational Acoustic-RF связь), первую технологию, обеспечивающую связь между водой и воздухом. Передатчик TARF посылает стандартный звук (или сигналы SONAR). Звук распространяется в виде волн давления; когда эти волны ударяются о поверхность, они заставляют ее вибрировать. Чтобы уловить эти вибрации, приемник TARF в воздухе использует очень чувствительный радар.
Видео ниже объясняет, как работает TARF и некоторые его приложения.
Знаете ли вы, что сегодня подводные лодки все еще не могут связываться по беспроводной связи с самолетами? На протяжении десятилетий связь между водой и воздухом оставалась нерешенной проблемой. Под водой подводные лодки используют акустические сигналы (или SONAR) для связи; в воздухе самолеты используют радиосигналы, такие как сотовая связь или Wi-Fi. Но ни один из этих сигналов не может работать как в воде, так и в воздухе.
Мы представляем TARF (Translational Acoustic-RF связь), первую технологию, обеспечивающую связь между водой и воздухом. Передатчик TARF посылает стандартный звук (или сигналы SONAR).
Звук распространяется в виде волн давления; когда эти волны ударяются о поверхность, они заставляют ее вибрировать. Чтобы уловить эти вибрации, приемник TARF в воздухе использует очень чувствительный радар. Радар передает сигнал, который отражается от поверхности воды и возвращается обратно. Когда поверхность воды вибрирует, это вызывает небольшие изменения в принимаемом радиолокационном сигнале, позволяя приемнику TARF улавливать крошечные вибрации, вызванные подводным акустическим передатчиком.
Видео ниже объясняет, как работает TARF и некоторые его приложения.
Темы исследований
#робототехника #связь #сети #сенсоры #интернет вещей #океан Поскольку TARF использует акустические сигналы под водой и радиосигналы в воздухе, он может достичь лучшего из обоих миров. Мы протестировали систему в контролируемых и неконтролируемых условиях, включая бассейны с плавательными бассейнами и циркуляционными течениями.
Чтобы узнать больше о том, как это работает, прочитайте нашу статью о TARF.
Этот проект финансируется Управлением военно-морских исследований.
Пост Исследования
ТАРФ в Новостях
BBC: Новая технология позволяет подводным лодкам «переписываться» с самолетамиFox News: Прорыв в области подводных лодок: Массачусетский технологический институт разрабатывает беспроводную систему, позволяющую подводным лодкам общаться с пла…
30 августа 2018 г.
в сигнальной кинетике
#связь
Артикул Исследования
Беспроводная связь преодолевает водовоздушный барьер
Сигналы подводного гидролокатора вызывают вибрации, которые могут быть расшифрованы бортовым приемником
через Новости Массачусетского технологического института · 22 августа 2018 г.
