Фундаментални взаимодействия – четирите сили, които управляват Вселената

Природата работи по впечатляващо подреден начин чрез невидими механизми, които определят движението на всяка частица във Вселената. Тези механизми, познати като фундаментални взаимодействия, представляват основата, която поддържа цялото съществуване на материята такава, каквато я познаваме.

Фундаменталните взаимодействия са механизмите, чрез които частиците си взаимодействат помежду си и които не могат да бъдат обяснени с по-фундаментално взаимодействие. Те са четири на брой – гравитационно, електромагнитно, силно ядрено и слабо ядрено взаимодействие. Тези четири сили определят как се държи материята във всички мащаби – от субатомно ниво до космически размери.

Гравитацията е най-познатата сила в нашето ежедневие. Тя е причината да стоим на земята, а не да се реем из пространството. Тази сила винаги привлича и никога не отблъсква. Макар че е най-слабата от четирите взаимодействия, тя има неограничен обхват, който се простира из цялата Вселена.

Гравитацията е силата, която събира материята, кара телата да имат тегло и държи планетите в орбита около Слънцето. Тя поддържа структурата на галактиките и определя движението на космическите тела в необятния космос.

Електромагнитното взаимодействие определя поведението на електрически заредените частици. За разлика от гравитацията, тази сила може да привлича или отблъсква. Частици с еднакъв заряд се отблъсват, а тези с различен заряд се привличат.

Именно електромагнитната сила държи електроните около ядрата на атомите, формирайки стабилни атоми и молекули. Тя е отговорна за химичните връзки в молекулите и за повечето явления в нашето ежедневие – от триенето между обувките и пода до светлината, която ни позволява да виждаме.

Електромагнитното взаимодействие е причината за излъчването и поглъщането на светлина и други форми на електромагнитна радиация. Когато заредена частица бъде ускорена или когато електрон преминава от високо към по-ниско енергийно състояние в атома, се излъчва светлина.

Силното ядрено взаимодействие е мощната сила, която свързва протоните и неутроните в атомното ядро, преодолявайки електромагнитното отблъскване между положително заредените протони. Тази сила действа на изключително малки разстояния – около 10⁻¹⁵ метра.

Силното взаимодействие е най-мощната от всички сили. То е резултат от по-фундаментална „цветна сила“, която свързва кварките в групи по три, формирайки протоните и неутроните. Благодарение на здравата връзка, която създава силното взаимодействие, при свързването на леки атомни ядра (термоядрена реакция) или при разпадането на тежки ядра (ядрена реакция) се освобождават огромни количества енергия.

Тази енергия захранва звездите, включително нашето Слънце, както и атомните електроцентрали и атомните бомби.

Слабото ядрено взаимодействие предизвиква разпада на някои атомни ядра и е отговорно за процеса на бета-разпад. При този процес неутрон спонтанно се превръща в протон, електрон и антинеутрино.

Когато неутрон претърпи този процес в атомно ядро, ядрото излъчва електрон (бета-частица) и неутронът се трансформира в протон. Това увеличава броя на протоните в ядрото, променяйки атомния номер и превръщайки атома в друг химичен елемент.

Слабото взаимодействие играе ключова роля при синтезирането на различни елементи в ядрата на звездите и при свръхновите. Обхватът на тази сила е дори по-малък от този на силното взаимодействие – около 10⁻¹⁷ метра.

Силите в природата се разделят на дългообхватни и късообхватни. Силното и слабото ядрено взаимодействие са ефективни само на изключително малки разстояния. За разлика от тях, електромагнитното и гравитационното взаимодействие са дългообхватни, като силата е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието.

Когато сравняваме силите, гравитацията е най-слабата, следвана от слабото ядрено взаимодействие, електромагнитното и най-накрая силното ядрено взаимодействие. Например, електромагнитното отблъскване между два протона е трилион трилиона пъти по-силно от гравитационното им привличане.

Въпреки това, поради ограничения обхват на ядрените сили и електрическата неутралност на материята в големи мащаби, гравитацията определя движението на планетите, звездите и галактиките.

Според съвременните квантови теории, фундаменталните сили пренасят енергия между частиците чрез преносни частици. Всяка сила има своя преносител:

• Електромагнитното взаимодействие се пренася чрез фотони
• Слабото ядрено взаимодействие – чрез масивните W и Z бозони
• Силното ядрено взаимодействие – между нуклеоните чрез мезони, а между кварките чрез глуони
• Гравитационното взаимодействие – чрез теоретичните гравитони

При днешните условия във Вселената четирите фундаментални взаимодействия се проявяват отделно и с различна интензивност. При изключително високи енергии обаче, теорията предполага, че те могат да се обединят.

В съвременните ускорители на частици са постигнати енергии, при които слабото ядрено и електромагнитното взаимодействие се сливат в единна електро-слаба сила. Според някои теории, електро-слабата и силната ядрена сила могат да се обединят при енергии, трилион пъти по-високи от тези, които можем да постигнем на Земята.

Някои учени предполагат, че при достатъчно високи енергии всички сили, включително гравитацията, ще се обединят в единна суперсила. Ако тази теория е вярна, в първите моменти след Големия взрив Вселената е била доминирана от тази суперсила. С разширяването и охлаждането на Вселената, енергията на частиците е намаляла, и силите са се разделили, придобивайки днешните си характеристики.

Това разделяне е станало на етапи: гравитацията се е отделила около 10⁻⁴³ секунди след началото на времето, силното взаимодействие – около 10⁻³⁵ секунди, а слабото и електромагнитното – 10⁻¹¹ секунди след Големия взрив.

Разбирането на фундаменталните взаимодействия и тяхното обединение при високи енергии продължава да бъде едно от най-големите предизвикателства в съвременната физика. То може да ни даде ключ към разгадаването на най-дълбоките тайни на Вселената.

Закони на Нютон са законите на класическата механика, които позволяват да се запишат уравненията на движение за всяка механична система.

Уравненията на Нютон се предшестват от опитите на Галилей, свързани с търкаляне на сфери по наклонени плоскости. Галилей открива закономерност, съгласно която сферите падащи от дадено вертикално разстояние (дори и сферите да изминават различно хоризонтално разстояние), винаги достигат еднаква скорост. Галилей дори успява да изведе втория закон на Нютон за дадения случай, въвеждайки понятието сила (в случая действаща върху частицата). Нютон по-късно разбира, че законът, открит от Галилей за дадения частен случай, е приложим за всички случаи. По такъв начин вторият закон на Нютон е изведен чрез математическа индукция от опитни данни.

Първият закон на Нютон гласи, че една затворена система продължава да е в състояние на покой или праволинейно равномерно движение.По своята същност, законът постулира инертността на телата. Това може би изглежда очевидно в днешно време, но не винаги е било така, особено в началото на природните изследвания. Така например, Аристотел твърди, че причината на всяко движение е силата, т.е. в неговата система отсъства движение по инерция.
На какво всъщност влияе силата, диктува Вторият закон на Нютон: сила, действаща на системата отвън, води до ускорение на системата F = ma.Трябва да отбележим, че ако системата е затворена, то върху нея не въздействат никакви външни сили. Следователно по втория закон на Нютон,нейното ускорение е нула, което означава, че тя може да се движи само с постоянна скорост. По такъв начин първият закон на Нютон се явява частен случай на втория.
Третият закон на Нютон обяснява какво става с две взаимодействащи си тела. Да вземем за пример затворена система,състояща се от две тела. Първото тяло може да въздейства на второто с някаква сила F₁₂, а второто върху първото със сила F₂₁.Какво е взаимоотношението между двете сили? Третият закон на Нютон утвърждава: силата на действие е равна по абсолютна стойност и противоположна по направление на силата на противодействие, F₂₁ = −F₁₂. Трябва да подчертаем, че тези сили са приложени към различни системи, и поради това съвсем не се компенсират.

Сили на инерцията

Ако трябва да сме напълно точни, законите на Нютон са верни само в инерциални отправни системи. Ако трябва да запишем уравненията на движение в неинерциална отправна система, то те ще се отличават по вид от втория закон на Нютон. Обаче ако опростим нещата и добавим даде на фиктивна „сила на инерцията“, то тогава уравненията придобиват отново вид подобен на втория закон на Нютон. Математически това е коректно, но от гледна точка на физическата реалност, не трябва да приемаме новата фиктивна сила за реално съществуваща в резултат на някакво реално взаимодействие. Трябва да се подчертае, че „силата на инерция“ е само една удобна параметризация, характеризираща начина, по който се различават законите за движение в инерциални и неинерциални отправни системи.

Законите на Нютон и лагранжевата механика

Законите на Нютон не са най-дълбокият начин да се формулира класическата механика. В рамките на лагранжевата механика съществува една единствена формула (описание на механическото действие) и един единствен резултат (телата се движат така, че действието да е минимално) и от тях могат да бъдат изведени всички закони на Нютон.Освен това, в рамките на лагранжевия формализъм могат лесно да бъдат разглеждани хипотетични ситуации, в които действието приема какъв да е вид. При този процес, уравненията за движение вече престават да приличат на законите на Нютон, но при това самата класическа механика си остава все така приложима.

Решаване на уравненията за движение

Уравнението F = ma (т.е. вторият закон на Нютон) е диференциално уравнение от втори ред, защото ускорението е втора производна на координатите спрямо времето. Това означава, че еволюцията на механичната система във времето може да се определи еднозначно, ако знаем нейните начални координати и скорости. Трябва да се отбележи, че ако уравненията описващи нашия свят, бяха от първи ред, то от света биха изчезнали явления като инерцията, колебанията и вълните.

История на законите на Нютон

Нютонови закони на движение

В началото на своята книга „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ („Математически принципи на натурфилософията“, 1687) сър Исак Нютон (1642 – 1727) обединява трите закона, наречени на негово име, и ги постановява като научна база за изучаване на движението. Това е най-прочутият от всички приноси на големия английски учен в областта на физиката. Преди това всеки от тези закони е бил излаган отделно от другите.

Първи закон на Нютон

Първият закон на Нютон е: „Всяко тяло продължава своето състояние на покой или равномерно движение по права линия, освен ако е принудено да промени това си състояние чрез сили, приложени върху него.“ Неговото най-старо изложение е в китайската книга „Мао Джин“ от около 300 г. пр. Хр. Тази работа е едно описание на възгледите на философа Мао Дзу, заедно с философски и научни дефиниции и теореми, подготвени от неизвестни последователи на Мао, част от които е този закон.

Втори закон на Нютон

Между времето на Мао и непосредствените предшественици на Нютон първият закон е формулиран нееднократно. Обаче първите учени, достигнали до втория и третия закон, не са ги изложили като Нютон. Великият италиански физик Галилео Галилей (1564 -1642) е използвал втория закон: че промяната на движението е пропорционална на приложената сила и става в посока на правата, по която действа тази сила.

Трети закон на Нютон

През шейсетте години на XVII век холандският учен Кристиян Хюгенс ван Зуйлихем (1629 – 1693) е позна¬вал третия закон: „На всяко действие има равно и обратно противодействие.“ Познавал го е и англичанинът сър Кристофър Рен (1632-1723), който го е включил в работа от 1668 г.

Повече за гравитацията: https://www.chitatel.net/gravitation/

Идея за гравитацията: https://www.chitatel.net/idea-of-gravity/

Първите изследвания в областта на ядрената физика в началото на XX в., довели до епохални открития и изменения в нашите представи за структурата на материята, са извършени със сравнително примитивни средства. Ядрените частици например са наблюдавани с помощта на екрани от сцинтилиращи вещества, които „святкат“ („изсветват“), когато ядрената частица попадне върху тях. Наблюденията с тези „сцинтилиращи“ екрани били не само твърде уморителни за изследователите, но и доста несигурни.
Успехите, които постигна ядрената физика от двадесетте години на ХХ в. насам до голяма степен се дължат на откриването на нови методи за регистриране на ядрените частици, т.е. на построяването на специални детектори на ядрени частици. Голям принос в тези успехи има и построяването на специални устройства, създаващи снопове от ядрени частици с високи енергии (така наречените ускорители на ядрени частици).
Ще разгледаме някои от детекторите на ядрени лъчения:

СЦИНТИЛАЦИОНЕН ДЕТЕКТОР:

Действието му се основава на луминесценция, предизвикана от удар на частици с висока енергия в някое вещество (например ZnS), способно да луминисцира под действието на такива удари. При удар на бързи частици, например a-частици, възниква светла точка, толкова интензивна, че може да бъде възприета непосредствено с око. В следствие на това е възможно да се пресметне броят на частиците, попаднали върху екран, покрит с ZnS, който е съществена част от един сцинтилационен детектор.
В сцинтилационните броячи вместо окото за регистрация на оптичното излъчване се използват електронни прибори с значително по-висока чувствителност – фотоумножители.

ГАЙГЕР – МЮЛЕРОВ БРОЯЧ:

Когато заредена ядрена частица премине през Гайгер – Мюлеровия брояч в него се поражда електричен импулс. В съчетание със специални електронни устройства той е способен да „преброява“ преминалите частици. Принципното устройство на Гайгер – Мюлеровия брояч е следното: цилиндрична тръбичка, чиято вътрешна повърхност е метализирана, служи за катод, а по оста на цилиндъра е опъната тънка жичка, която служи за анод. В тръбичката има разреден газ, а стените й трябва да са достатъчно тънки, за да пропускат заредените частици, които попадат върху тях.

Схема на демонстрационен Гайгер – Мюлеров брояч:

На електродите на броячната тръба се прилага напрежение 380-400 V, катонишката е съединена с положителния полюс на изправителя чрезсъпротивлението R (5-10 MW), към което е включен входът нанискочестотен усилвател (УНЧ). Към изхода на УНЧ е включенвисокоговорител. Кондензаторът C е с капацитет 100-200 pF.
Когато заредена частица с достатъчна енергия попадне върху брояча ипроникне във вътрешността му, тя „разбива“ някоя от молекулите на газаи поражда двойка йони. Под действие на електричното поле положителниятйон се отправя към катода, а отрицателният – към анода и се ускоряват.Така те получават достатъчна енергия, за да йонизират молекулите нагаза и всеки нов йон да може да създаде друга двойка йони. Такавъзниква един процес на лавинна йонизация, който създава токов импулс.Този импулс може да се регистрира.
Разбира се, докато трае този процес на лавинна йонизация, броячът неможе да регистрира нови частици, тъй като вече е „задействан“ иновопопаднала частица не може да измени с нищо протичащия вече процесна лавинна йонизация (по същия начин хвърлянето на клечка кибрит взапален куп сено няма да измени нищо в горящия вече огън). Това време,през което Гайгеровият брояч не може да регистрира попадането на новачастица се нарича мъртво време на брояча.
Гайгеровите броячи, предназначени за регистране на различните типовелъчения имат различна конструкция, тъй като лъченията имат различнисвойства. Например проникващата способност на алфа-частиците е многопо-малка от тази на бета-частиците и те по-трудно преминават презстените на брояча. От друга страна гама-лъчите имат много по-малкайонизараща способност и се „улавят“ много по-трудно.
На пръв поглед броячът може да даде само информация за броя начастиците, които са попаднали върху него. Ако обаче се използва системаот няколко брояча, свързани с подходящи електронни схеми, може да сеполучи много по-богата информация за броя и движението на частиците.

Преносим Гайгер – Мюлеров брояч:

ЙОНИЗАЦИОННА КАМЕРА:

Устройството и е сходно с устройството на газоразрядните броячи, но за разлика от тях в йонизационната камера не става вторична йонизация – ударна йонизация. По този начин на електродите на йонизационната камера се събират непосредствено йоните, възникнали под действието на заредените частици. Събраият заряд обикновено се усилва с помощта на електрометрично устройство.

УИЛСЪНОВА КАМЕРА:
Нарича се още мъглинна камера на Уилсън. Верижката от йони, получена от летящата заредена частица, става видима поради кондензацията на преситените пари върху някаква течност. Този уред позволява да се проследи какви изменения стават с частицата. Камерата представлява цилиндричен съд с прозорче и е изпълнена с наситени пари на някаква течност. В нея има бутало, което в определен момент се изтегля рязко надолу.

При този процес парите стават преситени и тяхната температура е по-ниска от температурата на втечняването им. Ако в този момент през камерата премине заредена частица тя предизвиква йонизация, преситените пари се кондензират около йоните (йоните служат за кондензационни ядра на капчиците). Така по пътя на частицата се образува „следа“ от ситни капчици течност. Тази следа може да се фотографира и така да се регистрира пътят на частицата.

ДЕБЕЛОСЛОЙНИ ФОТОЕМУЛСИИ:

Уилсъновата камера може да се използва за регистране на ядрени частици със сравнително ниски енергии. Когато енергията на частицата е по-голяма, нейният пробег е също по-голям и нейната следата не може изцяло да се „помести“ в обема на Уилсъновата камера. В такъв случай е удобно да се използват дебелослойни фотоемулсии.

Тези емулсии са изградени от микрокристалчета сребърен бромид, нанесен на по-дебел слой и с по-голяма плътност, отколкото в обикновените фотографски плаки. При преминаване на ядрените частици през емулсиите, те йонизират сребърния бромид и техните следи се очертават от черни зрънца кристално сребро, т.е траекторията на частицата става видима и може да се наблюдава през микроскоп. Тъй като при йонизацията на сребърния бромид частиците губят много енергия, целият път на частицата може да завърши във фотоплаката. По този начин могат да се наблюдават някои рядко протичащи процеси между ядрените частици и атомните ядра.

1.Подходи към изучаване на топлинните явления:
-термодинамичен-не се интересува от атомно-молекулният строеж на веществото и описва състоянието му с величини като:
Обем
Налягане
Температура
Плътност
…
-молекулно кинетичен-разглежда движението и взаимодействието на градивните частици.

2.Общи характеристики на движението на градивните частици:
-то е непрекъснато
-то е масово
-то е хаотично
То НЕ води до пренасяне на вещества.

3.Температура от термодинамична гледна точка-количествена мярка за степента на нагрятост на телата.
4.Температура от молекулно кинетична гледна точка-температурата еколичествена мярка за интензивността на движение на градивните частици.

-Скала на Келвин:
Температурата по Келвин е равна на -273,15 температурата по Целзий.
Изменението на Т по Келвин е равно на изменението на Т по Целзий.

-Скала на Фаренхайт:
Температурата по Фаренхайт е равна на 9/5 от температурата по Целзий 32

Скала по Реомир:
Т по Целзий е равна на 1,25 по температурата по Реомир.

Вътрешна енергия
Сумата от кинетичната енергия на топлиннотодвижение на градивните частици и потенциалната енергия навзаимодействие между тях се нарича ВЪТРШНА ЕНЕРГИЯ.
Измерва се в J(джаула).
Вътрешната енергия има смисъла на механичната енергия на молекулно ниво.

Количество топлина-енергията която едно тяло получава или отдава впроцес на топлообмен с околните тела се нарича количествотоплина.Измерва се в J(джаули).
За да се осъществи топлообмен е необходимо да бъде осъществен топлинен контакт между телата и те да имат различни температури.

Специфичен топлинен капацитет-количеството топлина необходимо на тяло смаса 1кг да повиши температурата си с 1 градус по Келвин.
c=Q/m.делта t
Измерва се в J/kg . K.
Специфичният топлинен капацитет е количествена мярка за топлинната иннертност на телата.

Специфични топлини на топене и кипене

Спец. топлина на топене-количеството топлина необходимо на кристално тяло с маса 1кг за да се разтопи.
λ=Q/mJ/kg

Спец. топлина на изпарение-количеството топлина необходимо на течно тяло с маса 1кг да се изпари.
r=Q/m.J/kg

Работа при изменение обема на газ

Начини на изменение:
-чрез топлообмен,без извършване на работа
∆U=Q
-чрез извършване на механична работа без топлообмен
∆U=A
-едновременно придаване/отнемане на количество топлина и извършване на механична работа

Първи принцип на термодинамиката-закон за запазване на енергията при топлинните явления

1cal(калория)=количеството топлина необходимо за да се повиши температурата на един грам вода от 14,5 до 15,5 градуса по ЦЕЛЗИЙ.
1CAL=4,1855J

Първи приницп на термодинамиката-∆U=Q AQ=∆U A’

Изотермен процес

(p,V,T)състояние
(p◦.V◦,T◦)(p,V,T◦)изотермен процес
Т остава константа а p,V се изменят.
Закон на Бойл-Мариотp◦.V◦=p1.V1=p2.V2=…=pn.Vn При T=const.,m=const,p.V=const.

Изхорен процес

(p◦,V◦,T◦)(p◦,V◦,T)изохорен процес.
V остава константа а T,p се променят.
Закон на Шарлp1/T1=p2/T2p2/p1=T2/T1 ПРИ V=const,m=xonst p/T=const.

Изобарен процес

(p◦,V◦,T◦)(p◦,V,T)изобарен процес.
p остава конастанта а V,T се изменят
Закон на Гей-ЛюсакV1/T1=V2/T2V2/V1=T2/T1 ПРИ
p=const,m=const, то V/T=const

Сигурно като си купите Котешки езичета (сладките разбира се) ги слагате в купичка на масата. Може и да сте забелязали, как след денонощие вече не са чак толкова хрупкави. Даже осезаемо овлажнени, дори може да ви е направило впечатление, че при всяко бавно отхапване, счупването на долното бисквитено ръбче изостава с по-малко от секунда.

И да нямате тези наблюдения, аз ги имам и вече ви информирах за тях. Уви, нямам представа, какъв е вкусът на бирата Гинес (Guinnes), но пък знам какви са тайните й (макар, че щом ги знам и ги споделям, не би следвало да ги наричам „тайни”).

При повечето видове бира пяната се дължи на мехурчета въглероден диоксид(CO₂). При бирата Гинес обаче има и азотни (N₂) такива. Това прави пяната по-издържлива, а  мехурчетата по-малки. Намалява и горчивината.

В прясно налятата чаша, мехурчетата бързо се изкачват в центъра й. Течността плавно се увлича с тях, а когато достигне повърхността прави „завой” надолу и настрани към стените на халбата. Така се повличат пък най-малките азотни мехурчета надолу. Достигайки дъното някои от тях се сливат в по-големи и процеса са повтаря.

При всички видове бира по време самия пивоварен процес, хмелът освобождава α-киселината хумулон. Разликата при направата на Гинес е, че се използва хмел с по-високи нива на α-киселината. Така се освобождава нейният изомер – изо-хумулон. Изомерите са съединения с еднаква молекулна формула, но с различен ред в свързването на въглеродната верига. Както и да е, важното е, че това е основният виновник за по-специфичната горчивина на бирата (за която само съм чувала).

Тъмният цвят пък се дължи на меланоидините. Това са полимерни структури образуващи се по време на пивоварния процес.

След тази информация, освен „Консумирайте с удоволствие и мярка!” и „Наздраве!” не знам, какво друго мога ви да кажа.

Автор: Яна Ненчева

Научи повече:

Научните тайни зад уникалната пяна на Guinness

История на алкохола

История на бирата

48 факта за алкохола

Историята на бирата Guinness

Преди почти 13,7 милиарда години, вселената е била създадена само от водород, хелий и малко литий – остатъци от Големия Взрив. След около 300 милиона години са се появили първите звезди, създавайки още химични елементи във Вселената. От тогава насам, огромни звездни експлозии или супернови са създали въглерод, кислород, желязо и всички останали 94 елементи от Менделеевата Таблица.
Днес звезди и други планетарни тела носят следи от тези елементи, формирани от газ обогатен през времето от тези експлозии. През последните петдесет години, учени анализират звезди на различна възраст, търсейки начин да схематизират еволюцията на химичните елементи във вселената и да идентифицират астрофизичния феномен, който ги е създал.

Сега екип изследователи от институции включващи Масачузетския Технологичен Институт (MIT) са засекли елемента телур за пръв път в три много древни звезди. Изследователите открили следи от този трошлив, полупроводников елемент – много рядък на Земята – в звезди на възраст почти  12 милиарда години. Откритията им поддържат теорията, че телура заедно с други по-тежки елементи в периодичната таблица, вероятно е произлязъл от много рядък тип супернова по време на много бърз процес на ядрено сливане. Изследователи са публикували откритието си он-лайн в Astrophysical Journal Letters.

Източник: http://www.sciencedaily.com/

Разберете как протичат на пръв поглед необясними химични реакции

Автор: Доника Асенова

Химията на хидротермалните комини може да обясни как се е получил живота

Автор: Стефан Михов

Хидротермалните комини на морското дъно, може неочаквано да са създали органичните молекули, нужни за живот, според ново проучване, направено от химици от Лондонския университетски колеж. То показва как повърхностите на минералните частици в хидротермалните комини имат химически свойства, наподобяващи тези на ензимите – биологичните молекули, които управляват реакциите при живите организми. Това значи, че комините могат да създават прости молекули, на базата на въглерод, като метанол и мравчена киселина, от разтворения въгледроден диоксид във водата.

Откритието, публикувано в изданието Chemical Communications, обяснява как някои от ключовите градивни частици на органичната химия били създавани в природата, преди животът да е възникнал и как може би това е изиграло роля при създаването на първите живи същества. То има потенциални практически употреби, показвайки ни как продукти, като пластмаса и горива, могат да бъдат създавани от въглероден диоксид, вместо нефт.

“Има много спекулации, че хидротермалните комини може да се окажат мястото, където животът на земята първо започнал. Има много разтворен въглероден диоксид във водата, който би могъл да осигурява въглерода, на когото е базирана химията на живите организми. Също така има много енергия, защото водата е топла и турбулентна. Това, което нашето проучване доказва, е, че тези комини също така имат химическите свойства, които карат тези молекули да се рекомбинират, до получаването на нови молекули, обикновенно свързани с живите организми”, каза Нора де Леу, която води екипа.

Екипът комбинирал лабораторни експерименти със симулации на супер компютри за да изследва условията, при които минералните частици биха катализирали превръщането на въглеродния диоксид в органични молекули. Експериментите имитирали условията в дълбоководните хидротермални комини, където топла и леко алкална вода, богата на разтворен въглероден диоксид минава през минерала григайт (Fe₃S₄), който се намира от вътрешната страна на комините. Тези експерименти загатнаха за химическите процеси, които се случват. Симулациите, протекли на супер компютъра Legion в Лондонския университетски колеж и на HECToR (националната суперкомпютърна услуга на Великобритания), ни снабдяват с поглед над всяка една молекула, участваща в процеса на взаимодействие между въглеродният диоксид и григайта, подпомагайки за осъзнаването на видяното експериментите. Нужната компютърна мощност и програмна експертиза, за точното стимулиране на поведението на индивидуалните молекули по този начин, стана достъпно през последното десетилетие.

“Открихме, че повърхностите и кристалните структури в тези комини действат като катализатори, подпомагайки химичните промени в материята, която се намира върху тях. Държанието им много наподобява това на ензимите в живите организми, разбивайки връзките между въглерода и кислорода. Това им позволява да се комбинират с вода за направата на мравчена киселина, оцетна киселина, метанол и пирогроздена киселина. Щом имаме прости химикали, базирани на въглерод, като тези, това отваря вратата към по-сложна, базирана на въглерод химия.”, казва Нейтън Холингсуърт, съавтор на проучването.

Теории за произхода на живота предполагат, че все повече усложняващата се химия, базирана на въгерод, довела до саморепликацията на молекулите и, в последствие, до появата на първите клетъчни форми на живот. Това проучване показва, как една от първите стъпки в съществуването ни се е случила. Това е доказателство, че простите органични молекули могат да бъдат синтезирани в природата, без присъствието на живи организми. Също така потвърждава, че хидротермалните комини са вероятно място, където поне част от тези процеси са протекли.

Проучването също така може да има практическо приложение, тъй като ни снабдява с метод за създаване на химикали, базирани на въглерод, от въглероден диоксид, без нужда от екстремни температури и налягане. В дългосрочен план, това може да замени нефта като съставен материал за продукти като пластмасата, тор и горива.

Проучването показва, макар и в малки количества, че такива продукти, които в момента биват създавани от необновяеми сурови материали, могат да бъдат създавани по начини, по-благоприятни за околнота среда. Ако процесите могат да бъдат усвоени и реализирани в търговски размери, не само ще спестим нефт, но ще бъде използван и ненужния въглероден диоксид (парников газ), като суров материал.

 Източник: Лондонски университетски колеж

Автор: Габриела Панчева

Моника Коперска: Напишете писмо върху стъкло

 Как да складираме информация, така че да оцелее и да бъде използвана в бъдещето?

В природата нищо не е вечно, сподели полската химичка Моника Коперска в рамките на Софийския фестивал на науката. С времето материалите се разграждат – металът корозира, пластмасата остава за дълго време в природата, но във формата на малки частици, така че не може да се използва за съхранение на информация, хартията, в зависимост от какво е направена, памук или дървесина, и как се съхранява, има различна продължителност на живота, която все пак не надхвърля няколко стотин години.

Стъклото е един от най-издръжливите материали икомпанията Hitachi създава устройство за запаметяване на информация, което ако не завинаги, то ще оцелее поне няколко стотин милиона години. Направено е от кварцово стъкло, в което е въведен бинарен код, и информацията може да бъде разчетена с микроскоп.

Друго устройство, за което производителите твърдят, че би оцеляло повече от 1000 години, е M-disc. Един от слоевете на диска е изграден от вещество, подобно на камък, което с течение на времето не деградира.

Основната функция на молекулата на ДНК е дълготрайното съхранение на информация. През 2012 година учени „отпечатват“ милиони книжни копия върху ДНК с размер на нокът. Няма материал, който да побира повече информация от ДНК.

Знаейки това, Вие какъв материал бихте използвали, ако искате да изпратите писмо на някого в бъдещето?