Istoriya_nauki_i_tekhniki

содержащие около 1.5% иттрия, остаются в расплавленном состоянии при значительно более низкой температуре, что способствует сохранению аморфной структуры при затвердевании металла. Кроме того, иттрий сдерживает рост кристаллов карбида железа, которые иначе появляются при остывании сплава и способствуют общей кристаллизации стали. У аморфной стали есть и еще одно привлекательное свойство - она притягивается к магниту только при очень низких температурах. Ученые ожидают, что такой немагнитящейся сталью заинтересуются военные.

В 2015 г. ученые Российской академии наук нашли ранее не известный минерал, поглощающий радиацию. На сегодняшний день этот минерал еще не зарегистрирован, соответствующего ему элемента нет и в таблице Менделеева. По предварительным данным, он обладает свойством захватывать радиоактивные элементы. По мнению ученого, новый минерал может помочь утилизировать радиоактивные отходы от атомных подводных лодок. Единственный минус открытого минерала - он нестабилен, легко вступает в химическую реакцию с радиоактивными веществами. После соединения получается нерадиоактивная порода, которая не представляет вреда для человека и может храниться очень долго. Как выяснили исследователи, один килограмм открытого недавно минерала может нейтрализовать более полукилограмма какого-нибудь радиоактивного вещества или, например, ядерных отходов, которые образуются в отработавших ядерных реакторах.

3. Важным стратегическим направлением химии ХХI века.является альтернативная энергетика. Вместо громоздких газовых баллонов и привычных батареек - элементы питания, созданные с использованием нанотехнологий. Вместо выхлопных газов автомобилей - чистая вода. Экспериментальные машины с двигателями на водородном топливе уже не один год ездят по улицам. Но в серийное производство такие чудеса техники запускать нерентабельно. Газовые баллоны с водородом довольно громоздки и опасны - в случае повреждения могут взорваться. Решение предлагают ученые Института физической химии и электрохимии имени Фрумкина. Они считают, что нужно вырабатывать водород прямо в двигателе. Технология очень проста. В специальную ёмкость подаётся топливо, формулу которого ученые уже разработали, и кислород. Когда эти вещества соприкасаются со специальным катализатором, образуется водород. В зависимости от размеров топливного элемента будет меняться и количество энергии. Её хватит даже для самого мощного авто. В данном случае, энергия не уходит в воздух, скорее из воздуха она и создается. Химику из Пенсильванского государственного университета Джону Канзиусу удалось создать аппарат, позволяющий сжигать соленую воду. В

181

аппарате Канзиуса вода подвергается воздействию радиоволн, которые ослабляют связи между ее компонентами и высвобождают водород. При наличии искры водород воспламеняется и горит ровным пламенем, температура которого, как показывают эксперименты, может превышать 1600 градусов. Процесс высвобождения водорода не является формой электролиза, имеет место другое явление. Воду не надо подвергать никакой специальной очистке, годится любая соленая вода, в том числе взятая непосредственно из моря. Это открывает большие перспективы перед топливной отраслью. Соленая вода доступна почти в любом регионе Земли практически в неограниченном количестве, для окружающей среды аппарат безвреден: отходом производства является опять же вода. Канзиус совершил свое открытие случайно. Шестидесятитрехлетний пенсионер стремился найти альтернативу химиотерапии: способ уничтожать раковые клетки при помощи радиоволн. Когда он показывал действие своего аппарата коллегам, кто-то заметил осадок на дне пробирки и посоветовал попытаться применить аппарат для опреснения воды. Канзиус последовал совету, и в ходе эксперимента вода неожиданно вспыхнула от случайной искры. Новый вид топлива можно получать из сахара, который содержится в фруктах. Это топливо с низким содержанием углерода имеет гораздо больше преимуществ, чем этанол. Открытие было сделано командой специалистов из Университета Висконсина в Мэдисоне. Топливо из фруктозы, названное диметилфураном, способно хранить на 40% больше энергии, чем этанол. Кроме того, оно менее летучее и не так быстро испаряется. Как отмечают изобретатели, фруктозу можно получать напрямую из фруктов и растений или же добывать ее из глюкозы. Теперь ученым предстоит провести ряд исследований, чтобы выяснить, как новое топливо влияет на окружающую среду. Одновременно с открытием американских специалистов британские ученые заявили, что существующие сегодня технологии позволяют производить биологическое топливо не только из пальмового масла, но и из ряда других материалов, включая древесину, сорняки и даже пластиковые пакеты. По мнению экспертов, в ближайшие шесть лет около 30% потребляемого в Великобритании дизельного топлива придется на топливо, полученное из этих источников. В США и Европе политики рассматривают биотопливо как способ сократить выбросы углекислого газа в атмосферу и уменьшить зависимость от импортируемой нефти. Однако критики полагают, что из-за биологического топлива, получаемого из зерновых, взлетят цены на продукты питания. По их мнению, возможность производить дизельное топливо из пальмового масла или этанол из кукурузы заставляет фермеров переходить на выращивание только этих культур. Джереми Томкинсон из британского Национального центра по

182

непищевым культурам уверен, что следующее поколение биотоплива будет пригодно не только для автомобилей. Возможно, химикаты, созданные на основе растений, будут использоваться в химической индустрии, а самолеты будут заправляться биодизелем. Но сейчас основным препятствием является дороговизна процесса выработки биотоплива. Так, строительство новых производственных мощностей обойдется в десять раз дороже, чем понадобилось на возведение существующих предприятий по получению биологического топлива.Немецкая компания Clyvia Technology GmbH разработала технологию, которая позволяет преобразовывать отходы масел и пластика, например, полиэтилен и полипропилен, в минеральное топливо. Благодаря этому будет частично решена не только энергетическая проблема, но и проблема ликвидации отходов. Процесс, разработанный компанией Clyvia, позволяет переработать неиспользуемое потенциальное сырье, около 11.6 млн. тонн отходов с большим содержанием пластика, в высококачественные горючие и топливные материалы. Инновационная технология основана на процессе фракционированной деполимеризации, который похож на крекинг сырой нефти. При температуре 400 градусов Цельсия (которая гораздо ниже той температуры, что используется при обычном крекинг-процессе, таком как пиролиз) длинные углеводородные цепочки подвергаются разделению, затем выпариваются и осаждаются в конденсаторе в виде дизельного топлива. Новый метод также очень хорошо сочетается с идеей защиты окружающей среды. Планируется, что благодаря инновационной технологии, дизельное и печное топливо станет значительно дешевле чем то, которое все сейчас покупают на АЗС или берут для отопительных систем.

4. Утилизация отходов химической промышленности. Израильская компания EST, созданная в 2004 году предпринимателем Иехудой Саймоном, разработала устройство, способное почти полностью уничтожать вредные отходы химической промышленности. Устройство разлагает жидкие и газообразные вредные вещества на воду, двуокись углерода и материалы, поддающиеся вторичной промышленной переработке. Самое важное, что весь этот процесс происходит непосредственно на предприятии химической промышленности, где возникают отходы. Исчезает необходимость перевозить эти опасные вещества с место на место, всегда чреватая опасностью для окружающей среды. Система уничтожения химических отходов, разработанная EST, базируется на плазменной технологии. Процесс происходит при температуре от 2,000 до 4,500 градусов Цельсия: при таком нагреве молекулярные связи химических соединений распадаются, после чего смесь быстро охлаждают и очищают. При этом, по словам Саймона, уничтожается 99.99% массы отходов.

183

Таким образом, химия ХХI века нацелена на решение практических вопросов: совершенствование силиконовых материалов, создание полимеров и металлических сплавов с новыми свойствами, создание устройств для решения экологической и энергетических проблем.

9.4. Биология в начале ХХІ века.

Современная биология - это: - целая ассоциация различных дисциплин, главным предметом исследования которых являются общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах;

Это активно развивающаяся система знания, включающая относительно самостоятельные области: специальные биологические дисциплины (зоология, ботаника, микробиология, микология и т. д.), а также и междисциплинарные науки и научные направления (биохимия, биофизика, социобиология, биоэтика, биоэстетика, биополитика и т. д.).

В биологии произошло несколько событий, которые позволили абсолютно по-новому подойти к исследованию сущности жизни. Самое главное – ученые научились читать генетическую информацию. Проект «Человеческий геном» начался в 1990 году, в 2000-м был выпущен рабочий черновик структуры генома человека, полный геном — в 2003 году. Однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков еще не закончен. В основном он был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Секвенирование генома имеет решающее значение для разработки лекарств и понимания того, как устроено человеческое тело.

Все, что заложено в нашей генетике, закодировано сочетаниями «букв», каждая из которых состоит из трех «символов». Символы, так называемые нуклеотиды, обозначаются как А, Г, Т и Ц. Это довольно простые молекулы. Тройки этих символов образуют буквы, их двадцать штук. Каждая буква кодирует некоторую аминокислоту. Однако самое интересное - узнать, что означает каждая фаза этого текста. Например, фаза может быть кодом некоторого белка – в одном белке обычно от ста до тысячи аминокислот.

Закодированы там и функции организма в целом – но более сложным способом. Есть специальные фазы, которые определяют, как сложатся клетки, когда должна умереть данная клетка, когда другая должна возникнуть и т. д.

Но чтобы закодировать все свойства организма в одной молекуле, нужно колоссальное сжатие информации. Молекула ДНК очень длинная, иногда в десятки сантиметров, а размер одного символа – один нанометр. У нас десяток таких молекул, у бактерииодна.

184

Впоследние годы был разработан метод манипуляции ДНК при помощи так называемого CRISP-механизма. Эта методика позволяет избирательно редактировать определенные гены, что раньше было невозможно.

В2008 году группа ученых провела исследования, позволяющие перепрограммировать клетки человеческого тела, меняя их специализацию, изготавливая таким образом клеточные линии "по индивидуальному заказу". Подобные методы обещают дать врачам возможность победы над такими тяжкими недугами, как болезнь Паркинсона и инсулинозависимый диабет. Два года назад исследователи из Японии показали в экспериментах на мышах, что существует возможность "стирать" память клетки, связанную с

ееразвитием, вернув на свое место всего лишь четыре гена. Чуть позже удалось добиться того же результата с человеческими клеткам. В этом году исследователи продолжили работу в данном направлении и получили при этом еще более замечательные результаты. Так, две исследовательских группы взяли клетки от пациентов, страдающих множеством различных заболеваний, и повторно "запрограммировали" их, превратив в так называемые стволовые клетки, из которых в принципе можно вырастить любую часть человеческого тела. Преобразованные клетки способны расти и делиться в лабораторных условиях (в отличие от большинства взрослых клеток, которые не поддаются выращиванию в виде отдельной культуры).

В2010 году ученые из Института Крейга Вентера (был одним из лидеров гонки по расшифровке человеческого генома) создали первую полностью синтетическую хромосому с геномом. Когда ее встроили в бактериальную клетку, лишенную генетического материала, она начала функционировать и делиться по предписанным новым геномом законам. В перспективе синтетический геном позволит создавать вакцины против новых вирусных штаммов за часы, а не за недели, производить эффективное биотопливо, новые пищевые продукты и т. д.

В2011 году ученые из Германии, Франции и нескольких других исследовательских центров доказали, что по генетике населяющих нас бактерий люди делятся на три категории, или энтеротипа. Энтеротип человека проявляется в разной реакции на еду, лекарства и диеты, и потому стало ясно, что никаких универсальных рецептов в этих областях существовать не может.

В2012 г. Синъя Яманака совместно с Джоном Гёрдоном стали лауреатами Нобелевской премии за получение плюрипотентных стволовых клеток мыши путем эпигенетического перепрограммирования. За последующее десятилетие не менее десятка научных групп добились впечатляющих успехов в данной области, в том числе с человеческими клетками. Это предвещает скорые прорывы в терапии рака, регенеративной медицине, а также в клонировании человека (или его органов).

185

Одна из задач современной биологии – это выявления причин старения. Обнаружены такие гены, при поломке которых существо живет дольше. В 2001 г. был проделан опыт на мышах: им испортили ген (это называется нокаут гена), который кодирует так называемый белок р66, - и продолжительность жизни подопытных особей возросла на 30 процентов. Есть еще очень интересная задача для наступившего века – решение проблемы старения генетического материала. У бактерий генетический материал имеет форму кольца. Когда нужно сделать копию, на эту кольцевую молекулу в определенных местах может сесть определенный белок, фермент, который по ней ползет и наращивает ее копию. Естественно, у него при этом всегда и справа и слева есть молекула ДНК, ведь она же кольцевая. Когда появились так называемые эукариоты, более сложные клетки, то ДНК разорвалась, она стала линейной, но «копирующий» механизм остался прежним. Он по-прежнему работает только тогда, когда у него и справа и слева есть генетический материал. Соответственно, самый кончик молекулы ДНК не копируется. Этот переход случился сотни миллионов лет назад. За это время возникло множество других ферментов, изменились старые ферменты – но вот этот механизм почему-то остался прежним.

В рамках общей биологии активное развитие получили следующие направления научного знания:

1.Нейропаразитологиякомплексная биологическая дисциплина, изучающая явление паразитизма, вызываемые паразитами заболевания и меры борьбы с ними. Собрано множество эмпирических данных о том, как микропаразиты изменяют поведение носителя в соответствии с нуждами своей репродуктивной стратегии. Часто в процессе участвует и третья сторона. Например, Euhaplorchis californiensis заставляет рыб выпрыгивать из воды, чтобы болотные птицы могли поймать их и съесть. Волосяные черви живут внутри кузнечиков, и когда настаёт время покинуть своих носителей, они выпускают в кровь насекомых целый коктейль из химических веществ, вынуждающий кузнечиков покончить жизнь самоубийством, прыгнув в воду. А волосяные черви спокойно уплывают от мёртвых «хозяев». Человек, зараженный Toxoplasmagondii, проявляет стремление к риску и замедленную реакцию на внешние раздражители.

2.Квантовая биология

Физикам уже более ста лет известно о квантовых эффектах, например, способности квантов исчезать в одном месте и появляться в другом, или же находиться в двух местах одновременно. Лучший пример квантовой биологии — фотосинтез: растения и некоторые бактерии используют энергию солнечного света, чтобы построить нужные им молекулы. Оказывается, фотосинтез на самом деле опирается на поразительное явление — маленькие массы энергии «изучают» все

186

возможные пути для самоприменения, а затем «выбирают» самый эффективный. Возможно, навигация птиц, мутации ДНК и даже наше обоняние так или иначе опираются на квантовые эффекты. Хотя эта область науки пока весьма умозрительна и спорна, учёные считают, что однажды почерпнутые из квантовой биологии идеи могут привести к созданию новых лекарств и биомиметических систем (биомиметрика

— ещё одна новая научная область, где биологические системы и структуры используются для создания новых материалов и устройств).

3.Нутригеномика — это изучение сложных взаимосвязей между пищей и экспрессией генома. Учёные, работающие в этой области, стремятся

к пониманию роли генетических вариаций и диетических реакций на то, как именно питательные вещества влияют на геном. Еда действительно оказывает огромное влияние на здоровье — и начинается всё в буквальном смысле на молекулярном уровне. Нутригеномика работает в обоих направлениях: изучает, как именно наш геном влияет на гастрономические предпочтения, и наоборот. Основной целью дисциплины является создание персонализированного питания, Это нужно для того, чтобы наша еда идеально подходила нашему уникальному набору генов.

4.Синтетическая биология — это проектирование и строительство новых биологических частей, устройств и систем. Она также включает

в себя модернизацию существующих биологических систем для бесконечного количества полезных применений. В 2008 г. Крейг Вентер воссоздал весь геном бактерии путем склеивания её химических компонентов. В дальнейшем биологи намерены создать борющуюся с загрязнениями искусственную бактерию или вакцины для лечения серьёзных болезней.

Таким образом, основным экспериментальным методом современной биологии стала генная инженерия, а также нейропаразитология, синтетическая биология, нутригеномика, квантовая биология

Медицинские нанороботы смогут диагностировать болезни, циркулируя в кровеносных и лимфатических системах человека и внутренних органов, доставлять лекарства и даже делать хирургические операции. Сейчас в мире уже создан ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся:

человеческого организма и доставляет кислород и углекислый газ от легких

человечеству. В первое десятилетие ХХІ века были созданы механические

Сегодня ученые уже приблизились к порогу создания синтетических мышц,

лежит предположение, что человек не является последним звеном эволюции,

современных людей.

Ретроспективный анализ достижений медицины начала ХХІ века можно предствить в виде следующей таблицы.

9.6. Развитие техники в начале ХХI века.

В начале ХХI в. воплотилось многое из того, что считалось маловероятным, либо допускалось только теоретически. Так, управляемый термоядерный синтез был мечтой физиков и энергетических компаний прошлого столетия. Воплощение этой мечты началось с середины 2018 г., когда во Франции стали строить экспериментальный термоядерный реактор ITER – самый амбициозный и дорогой научно-технический эксперимент. У нового реактора множество преимуществ. Обычные ядерные реакторы работают на десятках тонн радиоактивного топлива, которые со временем превращаются в опасные отходы. Термоядерному реактору необходимы лишь сотни граммов трития и дейтерия. Первый можно вырабатывать на самом реакторе: высвобождающиеся во время синтеза нейтроны будут воздействовать на стенки реактора с примесями лития, из которого и появляется тритий. Запасов лития хватит на тысячу лет. В дейтерии тоже недостатка не будет – его в мире добывают десятками тысяч тонн.

Термоядерный реактор не производит выбросов парниковых газов, что характерно для ископаемого топлива, а побочный продукт – гелий-4 является безвредным инертным газом.

189

При любой катастрофе термоядерная реакция прекратиться без какоголибо ущерба для окружающей среды и персонала.

Ценным техническим достижением современности следует считать практическое использование сверхпроводимости. С начала века в США ведется строительство первой в мире линии электропередач с ВТСП-кабелем. Линия длиной 600 метров собрана из сверхпроводников длиной по 100 метров и рассчитана на силу тока 140. При напряжении 138 kB. тонконесущий сверхпроводник – полоски композитного материала (иттрий- барий-оксид меди) толщиной 0,2 и шириной 4 миллиметра, легированного взвесью нанокристаллов оксида иттрия. Полоски, разделенные слоями из оксидов иттрия, циркония и других металлов помещены на никельвольфрамовую подложку и покрыты тонкими слоями из серебра, меди, и стали. Вся конструкция охлаждается жидким азотом. Если бы использовали кабель с медными жилами, то для передачи такой же электрической мощности, он должен быть в сотни раз толще.

В2007г. была разработана революционная технология в сфере компактного хранения информации - магнитная оперативная память (MRAM). Быстродействующая память характеризуется низким электропотреблением и высокой плотностью записи. Немаловажно, что содержимое MRAM сохраняется даже при отключении электропитания. Также, в отличие от динамической и ферримагнитной памяти, на ее работу не оказывает влияния ионизирующее излучение. Это уже говорит том, что ее с успехом можно применять в космической технике. Мы стали свидетелями того, как плотность записи информации на жесткие диски многократно возросла. Миниатюрные устройства с громадной информационной емкостью

–наша реальность.

В2008 году заработал новый суперкомпьютер в Лос-Аламосе (США) со скоростью более квадриллиона (тысяча триллионов) операций в секунду. Следующий барьер, эксафлопсный (квинтиллион операций в секунду) будет достигнут в ближайшие годы. Системы с такой невероятной скоростью необходимы в первую очередь для высокопроизводительных вычислений — обработки данных научных экспериментов, климатического моделирования, финансовых операций и т. д.

Среди новых видов материалов особо следует отметить графен – практически полностью прозрачный, сверхтонкий и сверхпрочный (второй после карбина) двумерный материал с целой гаммой полезных свойств и перспективой применения в технике недалекого будущего. Графен был открыт Андре Геймом и Константином Новосёловым, за что ученымфизикам была присуждена Нобелевская премия 2010 года. Графен идеально подходит для создания мягких световых панелей, гибких, как прочная бумага, компьютеров, сенсорных экранов нового поколения, часов-браслетов

190