Команда астробиологов NASA, из исследовательского центра Эймса (Ames Research Center) в частности, опубликовала исследование, основанное на наблюдениях орбитального инфракрасного телескопа Spitzer, в котором отмечает: органические азотные соединения, без которых нельзя представить жизнь на Земле — встречаются в космосе повсюду и в изобилии.

Речь идёт о полициклических ароматических углеводородах, которые, по данным Spitzer, буквально изобилуют в каждом уголке нашей Галактики.

Ранее мы уже говорили об открытии этого класса соединений в космосе, причём, что важно, на таком удалении от нас, что вещества эти, очевидно, синтезировались уже в раннем возрасте Вселенной (четверть от нынешнего). Так что жизнь где-либо в космосе (не только в нашей Галактике) может быть очень и очень древней.

Но новое открытие ещё более занимательно. Учёные NASA установили, что подавляющее большинство этих полициклических ароматических углеводородов несут в своей структуре и азот, то есть — являются азотными гетероциклами.

А это уже совсем другой разговор. Органические молекулы, содержащие азот — это не просто одна из основ жизни, это одна из главных её основ. Они играют важную роль во всей химии жизни, в том числе — в фотосинтезе.

Интересно, что эти соединения особенно часто встречаются вблизи старых умирающих звёзд, которые даже в смерти, таким образом, дают "семена" новой жизни окружающему пространству.

 

Ученым компании IBM удалось получить изображение химической структуры отдельной молекулы, что увеличивает технологический потенциал для создания электронных компонентов атомного и молекулярного масштаба. Работа проводилась учеными из Цюриха и Швейцарии и позволила заглянуть в "анатомию" молекулы с беспрецедентны разрешением, используя бесконтактный атомный силовой микроскоп (atomic force microscopy, AFM).

По заявлению компании, данное исследование существенно повлияет на создание искусственных элементов в атомном масштабе, которые будут намного меньше, быстрее и энергоэффективнее сегодняшних процессоров и запоминающих устройств. Технология атомной силовой микроскопии применялась при сверхвысоком вакууме и температуре -263° С для получения снимка пентацена – молекулы с кристаллической структурой, имеющей свойства органического полупроводника. Как сообщает IBM, удалось "впервые посмотреть через облако электронов и увидеть атомную основу отдельной молекулы". Это в грубом приближении схоже с рентгеновскими лучами, проходящими сквозь мягкие ткани и отставляющими на снимке четкое изображение костей. В издании Science два месяца назад была опубликована работа на тему определения состояний атомных зарядов, и вместе с достижением IBM это открывает новые возможности изучения процесса распространения заряда через молекулы или молекулярные сети, а значит приблизиться к инновационным компьютерам с компонентами, намного меньшими сегодняшних. "Совершенно ясно, что в будущем эта работа станет немалым взносом в создание прототипов структур молекулярных систем, преимущество которых заключается в значительно меньшем потреблении энергии и уменьшении производственных затрат, - говорит Жерар Мейер (Gerhard Meyer) из IBM Research в Цюрихе. – Это важный шаг, но один из многих, необходимых для достижения атомных масштабов вычислительных элементов. Техники наподобие самостоятельной сборки могут быть использованы при производстве".

Согласно описанию IBM, в микроскопе применяется тонкая металлическая игла для измерения слабых сил между ее концом и исследуемым образцом, таким как молекула, чтобы получить изображение. Пентацен состоит из 22 атомов углерода и 14 атомов водорода, длина молекулы составляет 1,4 нм. Промежуток между соседними частицами углерода равен всего 0,14 нм – в 500 тыс. раз меньше, чем диаметр человеческого волоса. На снимке четко видны гексагональные формы пяти углеродных колец. Поскольку игла должна находиться очень близко к объекту, усилия ученых были сосредоточены на недопущении контакта.

Схема бионанотранзистора: тёмно-серая сердцевина – кремниевый проводник, голубым цветом показан двойной липидный слой, фиолетовым – пептидные ионные каналы (иллюстрация Scott Dougherty, LLNL).

Соединив на молекулярном уровне биологические компоненты с наноразмерными проводниками, учёные из Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory) получили транзистор, использующий в своих интересах некоторые свойства живых систем.
Авторы новой работы вдохновлялись мембранами клеток, обладающих виртуозными молекулярными механизмами для восприятия и передачи сигналов. В некоторых аспектах эти живые системы превосходят современную электронику. Американцы построили свой транзистор, покрыв кремниевую нанонить двойным липидным слоем. Он образовал непроницаемый барьер между нанопроводом и окружающим систему раствором.
В биологическую мембрану также встроили молекулы аламетицина. Эти пептиды образовали ионные каналы. Меняя напряжение на устройстве (на затворе), его создатели получили возможность влиять и на транспорт протонов через аламетициновые "ворота", открывая и закрывая эти поры в мембране по желанию, что, в свою очередь, влияло на ток через проводник.

Хотя ранее исследователи уже пробовали соединять живые системы с электронными (например, коммутируя нейроны и живые клетки с микросхемами), никто не осуществлял это в столь малом пространственном масштабе. Создатели бионаноэлектронного устройства полагают, что оно пригодится в биологических исследованиях, в построении медицинских биоэлектронных имплантатов и диагностических систем, а ещё, быть может, в вычислительных машинах будущего.

Заметим, в надежде на прорыв в электронике учёные не первый раз строят транзисторы, базирующиеся на экзотических материалах и работающие по необычным принципам. Так, ранее мы рассказывали о транзисторах (и логических схемах): плазменных, из нитрида галлия, из карбида кремния, экситонных, кислотных, графеновых, одноэлектронных, нанотрубочных, жидкостных, на квантовых точках, пневматических, белковых, баллистических, прозрачных и одномолекулярных.

Читайте о других экспериментальных работах на стыке биологии и электроники: органической компьютерной памяти и памяти из вирусов, биологической самосборке микросхем и бактериях, путешествующих по схеме, а также мозговой ткани, живущей на микросхеме.
 

Новое достижение  продолжает череду исследований,

связанных с таким экзотическим состоянием материи,

как конденсат Бозе – Эйнштейна

Экзотическая молекула, существование которой до сих пор было лишь предметом теоретических споров, наконец-то получена международной группой учёных, возглавляемой Верой Бендковски (Vera Bendkowsky) из университета Штутгарта (Universität Stuttgart). Открытие является новым подкреплением квантовой теории, описывающей поведение электронов в необычных условиях.
Новая молекула была "изготовлена" из двух атомов рубидия, один из которых был обычным, а второй — ридберговским атомом. Это означает, что один из электронов его внешней оболочки находился в высоковозбуждённом состоянии.
Ридберговские атомы сами по себе — необычные объекты. Они получаются, когда на электронную оболочку действуют лазерным лучом с определённой длинной волны. Говоря упрощённо, один из электронов ридберговского атома отдаляется от ядра на расстояние намного-намного большее, чем электроны в любом другом атоме, но, однако, продолжает быть связанным с ним.
Крис Грин (Chris Greene), физик-теоретик из университета Колорадо, и ряд его коллег ещё в 1970-х годах предсказали, что между ридберговскими и нормальными атомами возможно взаимодействие с образованием молекул. Но поскольку электрон, обеспечивающий это взаимодействие, крайне отдалён от своего родительского атома, получающаяся химическая связь — необычайно слаба, так что в обычных условиях ридберговская молекула попросту не сможет существовать.

Ещё в 2000 году группа исследователей, в которую входил Крис Грин,

высчитала конфигурацию двухатомной ридберговской молекулы рубидия,

 назвав её трилобитом из-за сходства графического представления её внешней электронной оболочки с древней тварью.

На рисунке слева показан этот пространственный график,

который отражает вероятность нахождения внешнего валентного электрона в той или иной точке пространства,

а справа вы можете увидеть непосредственно трилобита.

Потребовалось много лет совершенствования техники охлаждения атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю, чтобы наконец стало возможным создание такой экзотической молекулы.
Именно это и проделали Бендковски и её коллеги. Вера поясняет: "Ядра атомов должны быть на правильном расстоянии друг от друга, чтобы электронные поля "нашли" друг друга и начали взаимодействовать. Мы использовали ультрахолодное облако рубидия, в котором по мере снижения температуры атомы газа сближались всё сильнее".
При помощи лазера учёные перевели некоторые из этих атомов в ридберговское состояние. При температуре, очень близкой к нулю, это "критическое расстояние" составило около 100 нанометров.
Эта дистанция между двумя атомами, формирующими молекулу, примерно в 1000 раз больше обычной (десятки и сотни пикометров). Неудивительно, что даже при абсолютном нуле ридберговские молекулы очень нестабильны. Самая долгоживущая из полученных в опыте продержалась 18 микросекунд.
Ещё в 1934 году великий Ферми предсказал, что если один атом встретит "блуждающий" электрон, то сможет взаимодействовать с ним. Но Ферми не дошёл в этом рассуждении до образования молекулы при помощи такого рода сверхслабой связи, поясняет Грин.
 

Предыдущую работу Конрада Чжана и его коллег (по преобразованию глюкозы в HMF) журнал Chemical & Engineering News назвал одним из самых важных исследований 2007 года. Что он скажет теперь, когда вышло яркое продолжение той же темы?

Строительный блок для множества видов пластмасс и топлива можно теперь получать прямо из целлюлозы. Такую технологию разработала и продемонстрировала группа исследователей, возглавляемая Конрадом Чжаном (Z. Conrad Zhang) из американского Института межфазного катализа (Institute for Interfacial Catalysis — IIC).
Речь идёт о соединении HMF (5-hydroxymethylfurfural — гидроксиметилфурфурол), которое широко применяется как основа для синтеза большого числа разнообразных полимеров, используется в других областях химической промышленности и даже может применяться как база для производства синтетического горючего для ДВС (как бензина, так и дизтоплива).
Синтез HMF из возобновляемого растительного сырья может оказаться магистральным путём избавления целой отрасли от нефтяной зависимости. Но главным камнем преткновения здесь выступала даже не технология как таковая (подбор цепочек реакций), а КПД процесса и себестоимость продукта. Пока первый был низок, а вторая высока, — об избавлении от нефтяной иглы говорить не приходилось.
Ещё в 2006-м учёные из университета Висконсина (University of Wisconsin-Madison) нашли эффективный способ производства HMF из фруктозы, и это был первый крупный шаг к "большой зелёной химии". Через год Чжан и его коллеги научились синтезировать HMF из глюкозы. И это оказалось ещё заманчивее — ведь глюкозу можно в огромных количествах получать из биомассы различного происхождения.
Но процесс, пусть и был эффективнее, чем всё продемонстрированное в этой области ранее, всё равно был далёк от идеала. И вот теперь Конрад сообщает о прорыве: найден способ синтеза HMF прямо из целлюлозы, в обход стадии синтеза сахаров и всего в один шаг.
А целлюлозы, как известно, полным-полно в древесине, разнообразной соломе, просе наконец. Всё это "добро" можно культивировать в огромных количествах, получая HMF в промышленных масштабах без всякой нефти.
Это заманчивая перспектива в первую очередь для США. Страны, которая давно мечтает если не избавиться от импорта чёрного золота, то во всяком случае сократить зависимость от него. Ранее учёные, кстати, уже призывали развернуть промышленный синтез искусственной нефти из тех же древесных отходов, благо технологии, в принципе, существуют.
В предыдущей своей работе Чжан и коллеги обнаружили, что комбинация хлорида хрома и ионной жидкости конвертирует глюкозу в очень чистый HMF. Но оставался вопрос — как эффективно получать простые сахара из целлюлозы? Ведь весь процесс должен был быть ещё и дешёвым, и с большим выходом сырья, и с минимумом примесей, чтобы не создавать себе трудностей с очисткой.
Теперь же команда химиков нашла, что комбинация из хлорида меди и хлорида хрома при 120 градусах Цельсия разлагает целлюлозу, не создавая при этом множества нежелательных побочных продуктов. Также учёные провели испытания и выяснили, что сочетание этих двух металл-хлоридов и ионной жидкости преобразует целлюлозу в десять раз быстрее и при более низких температурах, чем традиционный способ с применением кислоты.

Таково будущее химической промышленности, по мнению Чжана и его коллег (иллюстрация PNNL).

Соединив оба процесса (разложения целлюлозы и синтез гидроксиметилфурфурола) в один, химики показали на опыте, что новая технология способна преобразовывать в HMF 57% от сахаров, содержащихся в целлюлозе. Из полученного соединения забрать получалось более 90%, и этот продукт обладал чистотой в 96%.
Причём катализаторы (металл-хлориды) и растворитель (ионная жидкость) в этом процессе могут использоваться повторно по многу раз, что снижает стоимость конечного продукта.
Детали работы можно найти в пресс-релизе Северо-Западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory — IIC является её частью) и в статье авторов технологии в журнале Applied Catalysis A.