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 Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
На протяжении десятилетий Тель-Авив воздерживался от этого шага, чтобы не испортить отношения с Турцией. Но после действий Израиля 2023-2026 годов официальная Анкара, как и множество государств мира, неоднократно осуждала Израиль, из-за чего изменилась и его позиция по геноциду.
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Ученые Института истории материальной культуры РАН завершили первый этап комплексного проекта по изучению перехода от мезолита к неолиту в Юго-Восточной Прибалтике. Спустя 50 лет после экспедиций выдающегося ученого ИИМК РАН Владимира Тимофеева специалисты вернулись на ключевые памятники Калининградской области, чтобы с помощью современных методов ответить на вопрос о появлении глиняной посуды в регионе аномально поздно — лишь в V тысячелетии до нашей эры.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
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