Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Химики «вызвали» демона Максвелла, чтобы сконструировать химический насос
Группа британских ученых претворила в жизнь мысленный эксперимент физика XIX века Джеймса Максвелла и создала систему, которая может найти применение в фармацевтике. Сегодня, чтобы получить «чистое» действующее вещество, молекулы, из которых оно состоит, необходимо очистить от ферментов, смесей и других компонентов, используемых при изготовлении лекарства. На эти химические разделения уходит огромное количество энергии. Новая система гораздо менее энергозатратная.
Работа мощных компьютеров, понимание рыночных отношений, управляющих мировой экономикой, — чтобы осмыслить закономерности и силы, приводящие в движение все эти процессы, исследователи зачастую прибегали к мысленным экспериментам, в которых «принимали участие» демоны, дьяволы, големы и джинны.
Эти вымышленные существа — не результат суеверий ученых или порождение псевдонаучных теорий, а что-то вроде полезных аллегорий, сыгравших важную роль в становлении современной науки.
В 1867 году шотландский физик Джеймс Максвелл (James Maxwell), пытаясь понять статистическое поведение частиц газа, поставил мысленный эксперимент «с участием» одного из таких демонов. Этот демон управлял «дверцей» в наполненном газом герметичном сосуде и выбирал, какие молекулы из одной части емкости могут перемещаться в другую.
Демон Максвелла избирательно пропускал в один отсек сосуда быстрые горячие молекулы, а в другой — медленные холодные. В итоге все молекулы сосуда разделялись на две части: в одном отсеке становилось теплее, в другом — холоднее.
После разделения молекул средние скорости частиц оказывались разными. Температура напрямую зависит от средней скорости частиц, а значит, демон создавал разницу температур между двумя частями емкости.
Своими действиями демон Максвелла упорядочивал молекулы и тем самым уменьшал энтропию системы. Это противоречит второму закону термодинамики, который гласит, что тепловая энергия или тепло передается от более горячего тела к более холодному, но не может переходить самопроизвольно от более холодного тела к более теплому, если, конечно, не использовать энергию, чтобы заставить тепло двигаться в обратном направлении.
Чуть позже физики решили этот парадокс: они успешно моделировали мысленный эксперимент Максвелла в лаборатории на разных объектах, в основном на микроуровне. При этом второй закон термодинамики не нарушали. Система была устроена так, что демон получал энергию для сортировки из внешнего источника.
Группа британских химиков под руководством Джонатана Нитшке (Jonathan Nitschke) из Кембриджского университета создала «химический насос», который функционирует так же, как мысленный эксперимент Максвелла. Однако, в отличие от всех предыдущих опытов с демоном, в которых ученые пытались заставить его работать на микроуровне, система авторов нового исследования действует на гораздо больших масштабах: разделяет молекулы на расстоянии нескольких сантиметров — самое большое на сегодня. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Устройство химиков представляет собой U-образную трубку, заполненную светочувствительным химическим веществом под названием орто-фторазобензол (fluoroazobenzene). Один из изгибов трубки ученые заполнили водным раствором на основе комплекса железа, который может переносить молекулы с одного изгиба трубки к другому. Этот раствор эквивалентен демону, открывающему или закрывающему дверцу в мысленном эксперименте Максвелла.
Когда Нитшке и его команда облучали светом один из изгибов (с длиной волны 530 нанометров и 400 нанометров), орто-фторазобензол изменялся таким образом, чтобы уместиться в раствор на основе железа, который затем переносил молекулы вещества на другой изгиб трубки. В результате общая концентрация орто-фторазобензола повышалась во втором изгибе, но падала в изначальном, первом. В природе, то есть без участия ученых, ничего подобного не произошло бы. Иными словами, демон Максвелла в виде водного раствора на основе комплекса железа создавал градиент концентраций, а необходимую для этого процесса энергию давал свет.
Затем химики ввели в свою систему еще один компонент — растворимый нафталин. Оказалось, при его добавлении концентрация орто-фторазобензола во втором изгибе увеличивалась почти в два раза по сравнению с системой без нафталина.
Команда Нитшке собирается повторить свой эксперимент, но с молекулами других веществ. Если опыт окажется успешным, «химический насос» можно будет использовать в производстве лекарств для очистки действующего вещества от ферментов, смесей и других компонентов.
Сегодня на процессы химического разделения исследователи тратят значительное количество энергии: например, в США это составляет примерно 50 процентов от общих мощностей промышленного энергопотребления. Традиционные методы химического разделения требуют интенсивного нагрева и охлаждения, что делает их крайне энергозатратными. В этом случае система группы Нитшке выглядит крайне привлекательной, ведь для ее работы будет нужно гораздо меньше электричества.
Telegram 
Дзен 
VK В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
Десятки странных архитектурных структур, обнаруженных в тропических лесах Юкатана, когда-то были не ритуальными сооружениями майя, а рынками с рядами прилавков, пришли к выводу археологи.
Жизнь в суровых условиях вечной мерзлоты — вызов даже для бактерий. Для нее требуются уникальные адаптации к холоду и другим стрессовым факторам. В новом исследовании ученые МФТИ с коллегами описали белки Exiguobacterium sibiricum — бактерии, найденной в многолетнемерзлых породах на северо-востоке Сибири. Исследователи выяснили, как набор белков в мембране микроба зависит от температуры, при которой его культивируют.
В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
За 10 лет лежания в почве сигаретные фильтры не растворились, а лишь замаскировались под грязь. Их пластиковые волокна распались на микрочастицы, намертво склеились с минералами и превратились во вторичный микропластик. Более того, на пятом году гниения мусор начал отравлять землю с новой силой.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии