Нестандартні питання хімії та їх вирішення

Зазвичай при вивченні хімічних і фізико-хімічних процесів досліджуються теплові ефекти. Однак принципових заборон на те, щоб енергія в ході хімічних реакцій та фізико-хімічних процесів виділялася у вигляді механічного руху, електромагнітного випромінювання та інших формах, не існує. Оскільки хімічні реакції пов'язані зі зміною геометрії молекул, зміною ступеня впорядкованості речовини, а іноді супроводжуються і фазовими переходами, то в реакційній середовищі неминуче повинні генеруватися акустичні (звукові) сигнали.

Так як будь-які реальні реагують системи (рідини, скла, кристали) мають певну внутрішню структуру, то при протіканні хімічних реакцій та фізико-хімічних процесів остання неминуче повинна змінюватися. Причому цей перехід відбувається в невеликих обсягах речовини і повинен супроводжуватися стрибками в зміні фізичних параметрів. Таким чином будь-який хімічний і фізико-хімічний процес повинен характеризуватися ступінчастим зміною температури, концентрації та інших параметрів. Величина цих сходинок (стрибків) надзвичайно мала і вона визначається надмолекулярної структурою речовини.

Зміна стану системи на одну сходинку обов'язково має супроводжуватися акустичними коливаннями і іншими ефектами. Це має відбуватися при протіканні процесів і в гомогенних системах, зокрема, в рідких розчинах, оскільки рідини мають ближній порядок в розташуванні структурних елементів.

Це явище дозволяє по-новому поглянути на відомі факти і дати логічне пояснення деяким раніше незрозумілим експериментальним даним. Наприклад, Н. А. Козирєв спостерігав зміна ходу часу поблизу судини Дьюара, в якому знаходилася гаряча вода, або коли у воді розчинявся цукор або інша речовина. Оскільки такі процеси супроводжуються акустичними імпульсами, а вони тягнуть за собою виникнення електромагнітних випромінювань, то разом узяті (акустичні та електромагнітні коливання) будуть впливати на кварцові годинники, встановлені у районі реакційного судини, що призведе до зміни їх ходу, тобто час як таке не змінюється, а змінюються показання приладу (годин) у межах того проміжку часу, коли реакційна система знаходиться в метастабільному стані.

Явище генерації акустичних коливань в хімічних реакціях та фізико-хімічних процесах може знайти широке застосування, як прикладне, так і для проведення наукових досліджень. Наприклад, при вдалому виборі системи можна створити пристрій, аналогічне лазеру, але випромінює акустичні коливання. Явище генерації акустичних коливань при протіканні хімічних реакцій та фізико-хімічних процесів може успішно використовуватися для дослідження кінетики процесів, оскільки кількість акустичних імпульсів в одиницю часу характеризує швидкість реакції. Дане явище може знайти застосування для створення приладів контролю за ходом реакції, при цьому відпадає необхідність відбирати проби реакційного середовища для аналізу.

Перспективне використання виявленого явища для контролю за розвитком різних мікробіологічних процесів.

Найбільш широкою і важливою областю використання ефекту генерації акустичних коливань є дослідження метастабільних станів речовин. Відомими фізико-хімічними методами в більшості випадків неможливо отримати інформацію про те, як далеко дана система знаходиться від стану рівноваги і з якою швидкістю буде відбуватися процес переходу в рівноважний стан. Оскільки характер акустичних сигналів залежить від структурних особливостей середовища, в якому протікають процеси, то на цій підставі можуть бути розроблені засоби для структурних досліджень. При цьому, що суттєво, можна контролювати каламутні непрозорі середовища, що містять велику кількість різноманітних компонентів, без попереднього розділення проби на фракції.

2. «Сам собі радар». Швидкість автомобіля співвідноситься зі швидкістю обертання коліс або інший, пов'язаної з рухом механіки, далі обертання передається на ротор електрогенератора. Отримуємо пряму залежність струму / напруги від швидкості автомобіля. Тепер потрібно перетворити електричну величину в адекватну їй оптичну. Т. е. завдання створення індикатора з колірною шкалою швидкості. Таким покриттям може бути електролюмінофор. Відповідні зміни (частота збудження) електричного поля (перетвореного) відображаються люмінофорами (зміна спектра).

Електролюмінофор - неорганічний порошок, який перетворює енергію електричного поля в світлову, що складається з активованих сполук на основі сульфідів цинку. Світиться під дією електричного поля. Є найскладнішим у виробництві з усіх типів люмінофорів.

Середній час світіння речовини знаходиться між 6 і 8 тисячами годин!

Сам матеріал порівняно недорогий. Живлення подається з так званого інвертора - невеликої коробочки, в яку ховають батарейки і власне управління запалюванням областей люмінофора.

За допомогою управління коли і яким місцем запалюватися, можна створювати неповторні світлові ефекти, ефекти руху.

Люмінофор (EL) наноситься на гнучкий матеріал товщиною 0.6-0.8 мм, що дозволяє йому стати дуже транспортабельним. Саме виріб можна легко перевозити, скручувати. EL майже не виділяє тепла при роботі.

Застосування дуже широко, і не можливо перерахувати ті галузі і області куди його не можна застосовувати. У Китаї можна зустріти електролюмінофорние годинники, майки, ремені, підставки. Він застосовується в театральному оформленні, архітектурному освітленні, рекламних светокоробах, цілком може застосовуватися і для регулювання швидкості автомобілів.

Кольори світіння електролюмінофора: блакитний, зелений, жовтий, білий, змінний колір світіння.

Существет кілька типів електролюмінофоров:

Тип B: Розмір частинок - 29мкм, висока яскравість, жаростійкість, використовується для скляних і пластикових панелей.

Тип S: Розмір частинок - 9мкм, великий термін служби, висока яскравість застосовуючи пластикові панелі.

Тип C: Розмір частинок - 29мкм, фобізірованний, великий термін служби, хороша яскравість, рівномірне світіння, використовується для скляних і пластикових панелей.

В останні роки активно ведеться розробка тонкоплівкових електролюмінісцентних випромінювачів. Такі випромінювачі дозволяють отримувати яскравість до 200 кд/м2. Ця яскравість порівнянна за розміром з яскравістю звичайного телевізійного екрану.

Такі випромінювачі мають деякі переваги в порівнянні з випромінювачами на основі порошкових люмінофорів. Вони мають велику яскравість, стабільність, більш високу роздільну здатність і підвищений коефіцієнт нелінійності вольт-яскравості-ної характеристики. Термін служби випромінювачів на основі ZnS: М n досягає 20 000 годин, що набагато більше, ніж у електролюмінесцентних джерел світла на основі порошкових електролюмінофоров. Колір світіння таких зразків визначається випромінюванням, що виникають при внутріцентрових переходах в атомах порушених Мn; довжина хвилі цього випромінювання 585 нм (жовто-оранжева область спектра). Запровадження інших активаторів (наприклад, рідкоземельних елементів) дозволяє розширити діапазон переданих квітів

3. «Молекулярні машини». При виготовленні механічних пристроїв молекулярних розмірів необхідно враховувати, що вони повинні бути виготовлені з атомарної точністю. Зробити це можна буде за допомогою керованого механосінтеза - формування хімічних зв'язків за рахунок механічного наближення електронних оболонок атомів один до одного.

Крім розробки таких машин необхідно вирішити проблему їх пересування.

Традиційні мотори на нанорівні просто незастосовні. Є варіанти використовувати крихітні перепади температур («Перший наномотор») або двигун, що працює на наноструктурованих пористому кремнії («Паливо для нанороботів»). Проте жодне з рішень не стало поки настільки зручним і простим, щоб отримати повсюдне визнання.

У мікросвіті, виявляється маса «наномоторів», тобто, мініатюрних і ефективних механізмів, що призводять в обертання джгутики і забезпечують рух, скажімо, бактеріальної клітини.

Деякі з цих «біомоторов», вважається, використовують у своїй роботі квантовий тунельний ефект. Коротенько пояснимо, як це відбувається. При проходженні найтоншої голки (на кінці - не товщі атома) близько над поверхнею зразка частина електронів з нього «перестрибує» через вакуум, створюючи струм від зразка до голки. Величина струму сильно змінюється в залежності від дистанції, так що найменші перепади на поверхні зразка можна зафіксувати

Тунельний ефект можна використовувати і для приведення в дію штучно створених наномоторів. Вчені змоделювали структуру, що складається з короткою вуглецевої нанотрубки, до якої прикріплені 3 або 6 молекул-«ніжок», закінчуються «лопатями», які проводять струм

І з кожним таким «проскоків» ротор обертається на 120 або 60 градусів, залежно від числа «ніжок». Справа в тому, що поява заряду на одній лопаті і його зникнення на інший створює короткочасний дипольний момент на роторі в цілому. І цей диполь моментально прагне вирівнятися в зовнішньому полі, яке також створюють електроди.

Структура ця дуже схожа на колесо старовинної водяного млина. Але працює вона набагато хитріше: між нерухомо закріпленими електродами і рухливими лопатями час від часу проскакує електрон. Працювати вона зможе і при звичайній температурі

Вчені з університету Райса вже створили найменшу в світі рухається наносистем - наномашин, яка їздить як справжні легкові машини.

Ширина наноавтомобіля - 4 нанометра, трохи більше, ніж товщина ДНК. Він має раму і осі, до яких і приєднані хімічними зв'язками фулерени.

Дослідники придумали оригінальний метод приведення в рух наномашини: вони нагріли її до 200 ° С, що викликало обертання фулеренів на хімічних зв'язках, що з'єднують їх з «рамою машини». Від обертання чотирьох молекул наносистеми прийшла в рух і змогла котитися по плоскій золотій поверхні.

Щоб переконатися в тому, що машина дійсно «їздить», а не ковзає, і її пересування пов'язані з обертанням фулеренів-коліс, вчені використовували скануючого тунельного мікроскопа (СТМ). Кожну хвилину вчені отримували СТМ знімки машини, які доводять, що колеса дійсно обертаються, і завдяки їх обертанню машина може їхати

Перенесення ДНК у клітину при якій не відбувається пошкодження клітинної мембрани виконується шляхом трансдукції, контрольованим процесом в якому передавальною ланкою служать вектори, що прикріплюються до клітинної стінки й полегшують проникнення всередину клітини. У цьому полягає її відмінність від трансфекції, при якій проводиться розрив клітинної мембрани, і впровадження ДНК відбувається за допомогою фізичних або електролітичних методів. Вектори для передачі зазвичай отримують з основних ланцюгів нуклеїнової кислоти вірусу, оскільки вони більш ефективні, ніж невірусні препарати. Частина вірусної нуклеїнової кислоти, яка управляє прикріпленням і проникненням в клітку, зберігається, а клітинна мембрана залишається

Одними з кращих носіїв для введення чужорідної інформації в тваринну клітину є вектора на основі ретровірусів, наприклад, на основі вірусу лейкозу мишей. Вони забезпечують високоефективний перенесення генів і їх стабільний вбудовування в хромосому клітин-мішеней. В основному трансформації тварин клітин здійснюють або за допомогою ретровірусів (близько 40% від усіх трансформацій), або шляхом упаковки ДНК в ліпосоми (25%), рідше використовують аденовіруси, так як вони можуть викликати сильний імунну відповідь, крім того, неможливо їх повторне введення .

Якщо проблема доставки чужорідної ДНК in vitro практично вирішена, а її доставка в клітини-мішені різних тканин in vivo успішно вирішується (головним чином шляхом створення конструкцій, що несуть рецепторні білки, в тому числі і антигени, специфічні для тих чи інших тканин), то інші характеристики існуючих векторних систем - стабільність інтеграції, регульована експресія, безпека - все ще потребують серйозних доопрацювань.

Перш за все це стосується стабільності інтеграції. До теперішнього часу інтеграція в геном досягалася тільки при використанні ретровірусних або аденоассоціірованних векторів. Підвищити ефективність стабільної інтеграції можна шляхом вдосконалення генних конструкцій типу рецептор-опосередкованих систем, або шляхом створення досить стабільних епісомних векторів (тобто ДНК-структур, здатних до тривалої персистенції всередині ядер).

Останнім часом особлива увага приділяється створенню векторів на базі штучних хромосом ссавців (MAC - mammalian artificial chromosomes). Завдяки наявності основних структурних елементів звичайних хромосом такі міні-хромосоми довгостроково утримуються в клітках і здатні нести повнорозмірні (геномні) гени і їх природні регуляторні елементи, які необхідні для правильної роботи гена, в потрібній тканини і в належний час. Такі штучні хромосоми вже створені для дріжджів (YAK), так як геном дріжджів повністю картірован.

Для ідентифікації модифікованих клітин, необхідні маркери. Якщо трансформують соматичні клітини, то застосовують звичайно селективні маркери. Аксель з колегами з коледжу терапії та хірургії Колумбійського університету виправили таким чином генетичний дефект клітин миші. Вони взяли фрагмент ДНК, що містить ген тимідинкінази (ТК), який отримано з вірусу герпесу, змішали цю ДНК з кількома міліграмами ДНК-носія зі сперми лосося і обложили ДНК на культуру L-клітин миші, у яких ген ТК відсутній (ТК-). З частотою 1 на 100000 клітини набували ген ТК, тому на селективної середовищі, яка не дозволяла рости ТК-- клітинам, росли і нормально розмножувалися ТК + - клітини.

Інший селективний маркер - ген, що кодує дигідрофолатредуктазу (ДГФР), можна використовувати при трансформації немутантів ліній клітки. Завдяки експресії багатьох копій цього гена тваринна клітка разом з плазмидой набуває стійкість до високих концентрацій інгібітору ферменту, і таким чином трансформантів можна відбирати при високих концентраціях інгібітора.

Розроблено ще два універсальних вектора, що містять генні маркери, які працюють в нормальних клітинах. Вони побудовані за одним і тим же принципом: прокариотические гени, що визначають фенотип трансгенних клітин, з'єднані з еукаріотичних регуляторними сигналами.

Один з векторів складається з прокаріотів гена стійкості до антибіотика неоміцину, вбудованого в ранню область геному SV-40. Еукаріотичні клітини чутливі до аналогу неоміцину G 418, який інактивується продуктом гена. Таким чином клітини, що пройшли трасфекцію набувають здатність рости на середовищі, що містить G 418.

Використана література

1. А.Н. Смирнов. Генерація акустичних коливань в хімічних реакціях. / / Російський хімічний журнал. - 2001, Т.45. - С. 29-34.

2. Грішників В.А., Дробот Ю.Б. Акустична емісія. / / М.: изд-во Стандартів. - 1976. - 272 с.

3. Георгобіані А.Н. Електролюмінесценція напівпровідників і напівпровідникових структур. / / Соросівський освітній журнал. - 2000, Т 6, № 3. - С. 105-111

4. Електролюмінофор (виробництва Китай) / / Цит. по http://promo-china.ru/?p=116

5. Молекулярний автомобіль їздить під мікроскопом / / Цит. по http://www.nanonewsnet.ru/articles/2005/molekulyarnyi-avtomobil-ezdit-pod-mikroskopom

6. Свідіненко Ю. Нанореплікатори. / Цит. по http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/nanoreplikatory

7. На квантової тязі: двигуни нанороботів / / Цит. по http://www.popmech.ru/article/4740-na-kvantovoy-tyage/

8. Артур Р. Томпсон. Генна терапія при гемофілії. / / Серія монографія «Лікування гемофілії», № 18. - Всесвітня федерація гемофілії, 1999.

9. Біотехнологія. Розділ "Генна інженерія" Введення генів у клітини ссавців. / / Цит. по http://www.biotechnolog.ru/ge/ge11_1.htm