Prve slike na svetu koje pokazuju kretanje atoma u molekulu

Istraživači pri državnom univerzitetu u američkoj državi Ohajo (Ohio) su uspeli da naprave prve slike atoma koji se kreću u molekulu!

Koristili su novu tehnologiju, koja, na neki način, pretvara elektrorne unutar molekula u svojevrsne bliceve ili fleš lampe. Na trenutak osvetljavajući molekul, ovi elektoni omogućavaju da se zaviri u njegovu unutrašnjost. Ceo metod pravljenja slika omogućava da se na novi način sagledaju molekuli, ali se naučnici nadaju da će im ovaj novi uvid u  izlgled molekula omogućiti da vrlo diskretno i precizno upravljaju hemijskim reakcijama na atomskom nivou.

Izvor: Gizmodo

 

Super simetrija – koncept koji nema potvrde

Naučnici i dalje ne mogu da objasne jednostavnu činjenicu: zašto smo svi tu, gde jesmo.

U, do sada, najdetaljnijoj analizi čudno lepih čestica (navodno, tako ih treba zvati), fizičari ne mogu naći super simetrične čestice, koje su u stvari parnjaci iz „senke“ svim poznatim česticama u standardnom modelu moderne fizike. To bi značilo da ne postoje, što bi predstavljalo vrlo interesantnu vest.

Fizičari iz instituta CERN su u poslednje vreme proučavali posebnu klasu čestica koje se zovu B mezoni. To su vrlo teške čestice, sastavljene od dva različita kvarka (jedan sastavljen od materije, a drugi od antimaterije) koje se raspadaju u druge čestice. Zbog velike mase, način raspada može biti različit, i zbog toga su B mezoni zgodni za proučavanje asimetrije između materije i anti materije.

Pomenuta asimetrija na neki način objašnjava zašto sve postoji – što je sa matematičke tačke gledišta ne održivo. Početna pretpostavka tvrdi da je prilikom velikog praska (Big Bang) nastala podjednaka količina materije i antimaterije. To bi dovelo do potpunog poništavanja, uništenja i ništa ne bi ostalo posle praska. Međutim, na neki način, materija je pobedila, što automatski znači da postoji razlika u količini materije i antimaterije u svemiru.  Teorija super simetrije je način da se objasni ova pojava. Čestice super simetrije, koje imaju imena kao skvark ili selektron, postoje za svaku poznatu česticu i imaju malo drugačije osobine od običnih čestica.

Prošle godine, 2010, fizičari u Tevatronu (kružni čestični akcelerator pri Fermi Laboratoriji u Americi) su rekli da B mezoni imaju afinitet ka tome da budu, pre, materija nego anti materija. Situacija u kojoj su neki od mogućih raspada verovatniji („poželjniji“) govori da postoje još neke sile koje utiču na ceo proces. Takav zaključak predstavlja odstupanje od standardnog modela, i te sile bi mogle biti posledica delovanja super simetričnih čestica.

Obične i super čestice

Međutim, sada, podaci koji se dobijaju u poslednje vreme u LHC-u (Veliki hadronski sudarač), za koje se tvrdi da su precizniji od onih koji se dobijaju Tevatron-u, ne ukazuju na pomenuto odstupanje u procesima raspada. To, sa druge strane, može značiti da nema super simetrije – nema skvarkova i selektrona. Detaljnija analiza ovog koncepta se može videti u eksperimentu LHCb i sajtu Quantum Diaries.

Ne održivost super simetrije može predstavljati razočarenje za neke teoretičare, jer bi njena validnost dala odgovore na mnoga problematična pitanja. Pri velikim vrednostima energije, ova teorija spaja (unifikuje) elektromagnetnu sa slabom i jakom nuklearnom silom, i u nekim slučajevima, sugeriše nosioca tamne materije (dark matter) u obliku teške čestice nazvane neutralino. Sem toga, super simetrija je važan činilac teorije struna, koja je jedina sveobuhvatna teorija koja unifikuje kvantnu mehaniku i relativistiku.

Sastav svemira sad i nekad

U reportaži koju je objavio BBC, dobitnik Nobelove nagrade Džordž Smut (George Smoot) je nazvao super simetriju „izuzetno lepim modelom.“

„Ima simetriju, super je i učena je u Evropi decenijama unazad kao ispravan model jer je lep.“ ističe on. „Ali, nema eksperimentalnih podataka koji potvrđuju da je tačna.“

Šta to znači? Nije još sve gotovo, kao ističe BBC reportaža – postoje još neke verzije teorije super simetrije, koje su kompleksnije od osnovne verzije (bazirane na modelu masa-energija) koja je, očigledno, pred brisanjem. Stoga, neke druge verzije super simetrije bi mogle biti istinite, tačne. Dok se to ne pokaže, teorija super simetrije može biti i pogrešna, i ako je to tako, fizičari će morati da smisle neku novu veliku ideju.

Ljudi su u stanju da razviju otpornost na radijaciju?

Sa vremena na vreme nije loše preispitati neke koncepte.

Tema radijacije je specifična, jer predstavlja posebnu vrstu „babaroge“, koja vreba sve ljude, a ne samo decu. Bacite negde atomsku bombu, pobićete sve živo na tom mestu, a ko zna još koliko njih će nastradati od prevelike doze radijacije. Uradite to još par puta nad različitim oblastima i sva populacija jedne države može nestati jako brzo. Svi koji prežive ogromne doze nastalog zračenja (a biće ih) u mnogome će pomoći ponovnom definisanju pojma babaroge. :S

Razaranje atomskom energijom nije poželjno, ali postoje drugi aspekti korišćenja njenog potencijala. Slaba, prirodna radijacija postoji svuda oko nas i stalno je prisutna. Ljudi na nju imaju neku vrstu prirodne otpornosti. Međutim, moguće je razviti izvore radijacije određenog intenziteta, koji imaju određenu, dobru primenu. Dok se do kraja ne potvrdi priča o vakcini protiv radijacije, pogledajmo šta priroda i ustrojstvo čoveka u zajedničkom delovanju rade na domenu zaštite od radijacije.

Iskaz je vrlo kratak i jednostavan za razumeti, ali se protivi svemu onom što nas uče od osnovne škole:

Medicinski radnici koji se zbog posla redovno izlažu dejstvu X-zraka (radijacija) mogu razviti promene, na ćelijskom nivou, koja će ih zaštiti od budućih izlaganja tom zračenju.

Tako, barem, nagoveštava jedna od najnovijih studija…

Lekari i medicinski radnici koji su stalno izloženi zračenju imaju znatno viši nivo specifičnog anti-oksidanta glutationa (GSH), za razliku od ostalih, koji nemaju dodira sa tim zračenjem. Sem toga, neke od njihovih ćelija su sposobnije da se samo-unište, što je nivo zaštite organizma, u slučaju da postanu kancerogene.

Kako god, i dalje nije jasno da li bi ove promene bile korisne (kao što izgledaju) na duže staze, ili samo smanjuju rizik od dobijanja raka, kaže Dr. Đan Luiđi Ruso (Dr. Gian Luigi Russo) istraživač centra Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) u Pizi, Italija. Drugo objašnjenje bi bili sasvim suprotno: navedene promene bi mogle biti rani simptomi neke bolesti, ističe Ruso.

Pluća viđena rendgenskim okom

Za sada, lekari koji često rade u prostoru koji je izložen uticaju X-zraka, treba da se pridržavaju  svih mera opreza da bi smanjili rizik izlaganju prevelikoj dozi zračenja.

Navikavanje na radijaciju

Interventni kardiolozi su doktori koji sprovode sitno invazivne operacije na srcu, a X-zraci im služe kao vodič tokom procedure. Pacijent je taj koji primi najveću dozu radijacije, dok doktor dobije onu dozu koja se odbije od pacijenta i zidova prostorije u kojoj se sprovodi operacija.

Sama doza, tokom jedne operacije je niska, ali je njen efekat zbiran kroz vreme, tvrde istraživači. Tokom jedne godine, interventni kardiolog je izložen radijaciji od 250 skeniranja grudnog koša. Tačnije, on tokom obavljanja svog posla, primi istu količinu radijacije, kao da je otišao na 250 skeniranja grudnog koša.

„Posle 30 godina rada, ovo odgovara povećanju rizika za dobijanje raka za nekih 1%, i ako i dalje postoje neke nesigurnosti oko ove procene.“ istraživači tvrde.

Ruso i kolege su ispitale krvne uzorke 10 interventnih kardiologa i 10 radnika u laboratorijama bolnica koji nisu bili izloženi radijaciji tokom obavljanja svog posla.

U proseku, kardiolozi su bili izloženi na 4 milisieverta (mSv) jonizujućeg zračenja godišnje. Neki od njih su imali maksimalnu izloženost od 8 mSv. Srednja izloženost osobe u Americi (SAD) se procenjuje na 3 mSv, u toku jedne godine, i to sve iz prirodnih izvora.

Istraživači su zbog ovoga zaključili da bi doktori mogli razviti naviku na viši nivo radijacije zavisno od količine molekula reaktivnog kiseonika u organizmu (ROS). Ovi molekuli mogu naneti štetu lancu DNK, ako uđu u ćeliju.

Kardiolozi su imali veći nivo ROS molekula u plazmi oko krvnih ćelija, nego drugi lakari i medicniski radnici, ali unutar samih ćelija, obe ispitane grupe su imale optrilike istu količinu ROS molekula.

To znači da su ćelije kardiologa proizvele više glutationa da bi zaštitile svoj integritet od nasrtaja ROS molekula, zaključuje Ruso.

Sledeća istraživanja

Ovo istraživanje je „vrlo interesatno“ i pokazuje da telo ima načina da ograniči negativne uticaje radijacije, tvrdi Dr Majkl Sameuls (Michael Samuels), onkolog na univerzitetu u Majamiju (Miami Miller School of Medecine), koji nije učestvovao u istraživanju. „Makar teoretski gledano, ovo je mehanizam koji sprečava da radijacija ošteti te ćelije.“ ističe Samuels.

Kako god bilo, potrebna su dodatna istraživanja na većim grupama da bi se utvrdili dugoročni uticaji ovakve izloženosti radijaciji, ističu istraživači.

Ovakav pristup radijaciji može se smatrati skoro kao korenita promena u njenom sagledavanju. Iskustveno je poznano da organizam može razviti otpornost i prema najjačim otrovima, ako se oni uzimaju u dozama koje nisu smrtonosne. Sve dosada, za radijaciju ovaj pristup pasivne navike i odbrane nije važio.

Elektronski paparazo – sistem koji će fotografisati elektrone tokom akta interakcije sa drugim česticama

U radu publikovanom u jednom od skorašnjih izdanja Nature of Photonics,  internacionalni tim (što je za svaku pohvalu) istraživača je objavio da su napravili značajan iskorak napred u proučavanju fizike elektrona. Sa ovim radom, deluje, da je naučna javnost za korak bliža vrlo zanimljivoj mogućnosti da se naprave efektivni video snimci pojedinačnih elektrona. Nivo mogućnosti koje se naziru je jednak onom kada jednom sa običnog vida ili sočiva pređete na optički mikroskop. Neki bi, jednostavno, rekli: progledao sam…

Šematski prikaz novog dizajna lasera koji će emitovati ultra kratke pulseve svetlosti. Svetlosni talasi različitih frekvencija (crveni i zeleni) su kombinuju u novi talas (žuti), koji prolazi kroz gas (plave tačkice). Svetlost pobuđuje atome gasa, koji, onda ispuštaju višak energije kao svetlost koja poseduje još veću frekvenciju.

Ako se ispostavi da je pristup dobar, to će praktično značiti da će naučnici biti u stanju da istražuju elektrone i njihove interakcije sa, do sada, neverovatnim nivoom detalja. To znači, sa aspekta hemije, da će jedan hemičar moći da posmatra reakciju pojedinačnih molekula. Slično važi za sve grane nauke i tehnologije koje se baziraju na saznanjima koja im pruža hemija.

Grupa istraživača je dosta velika i, samo, 8 njih je sa univerziteta MIT, iz elektronske istraživačke laboratorije ili Research Laboratory of Electronics (RLE). Tehnika koja bi omogućila ovako detaljan pogled u svet elektrona i molekula se bazira na korišćenju lasera. Osnovni koncept podrazumeva da se može proizvesti laserski snop koji bi trajao 1 atosekundu (attosecond), što predstavlja 1 milijarditi deo milijarditog dela sekunde, ili ako vam je teže da zamislite, evo i drugog zapisa: 10-18s. Tu već dolazimo do malog problema: najkraće izmereno vreme je „samo“ 100 atosekundi. Vratimo se laserima i da vidimo zašto je atosekunda toliko važna. Na primer, elektron u vodoniku (H2) obavi jednu revoluciju oko jezgra (jedna krug) za nekih 151 atosekundi. Da bi smo ga uhvatili kako „opšti“ nije nam dovoljan vremenski interval od 100 atosekundi, mora biti barem jedan red veličina manji, ako ne i dva. I taman toliko je atosekunda manja, za dva reda veličina. Kroz brojeve bi to bilo:

Za 151 atosekundu elektron obrne ceo krug ili 360°.

To znači da je potrebno za pola kruga oko 75 atosekundi.

Elektronu je, onda, potrebno 360 : 151 = 2.384 atosekundi da prebriše ugao od jednog stepena.

Dakle, puls od  jedne atosekunde je više nego dobrodošao.

„Ako možete stvoriti puls koji ima kraće trajanje, onda možete da ispitate dinamiku koja se odvija na toj skali“, kaže Franz Kartner (Franz Kaertner), profesor sa odeljenja za elektronski inženjering i kompjuterske nauke, koji je, inače, vodio celo istraživanje. „Ovo nas povezuje sa radom Harolda Edgertona (Harold Edgerton)“, u kome je on bio sposoban da napravi, sa optičkom fotografijom, snimke čije je trajanje bilo mereno u mikro i nano sekundama.“

Da, atosekundni pulsevi lasera su bili mogući i ranije, ali nisu imali dovoljnu jačinu, koja je potrebna za tzv vremensku spektroskopiju, tehnika koja se, tipično, koristi za merenje dinamike elektrona. Novi pristup stvaranju ovih laserskih pulseva, ne samo da će omogućiti veću snagu, nego i jednostavniju aparaturu, što je čini još praktičnijom nego ranije. Deluje kao kombinacija u kojoj svi dobijaju…

Mnogostrukost

Da bi se dobio izuzetno kratki puls svetlosti, neophodno je kombinovati svetlosne talase različitih frekvencija. Talas se može prikazati kao izvijena linija koja u pravilnim razmacima dostiže stalno istu tačku, gde je frekvencija, u stvari, „rastojanje“ između tih dvaju izbočina. Kada kombinujemo dva talasa, on se pojačava tamo gde se ove „izbočine poklapaju“, ali ako nema tog poklapanja dolazi do suprotnog efekta – međusobno se poništavaju. Sa pravom kombinatorikom moguće je napraviti novi talas sa radikalno drugačijom oblikom.

Crni talas je rezultat sabiranja plavog poketnog talasa i žućkastog neporetnog talsa

Drugi naučnici su pokušali da naprave kratke pulseve svetlosti kombinujući laserske zrake, ali su koristili za svaki zrak po jedan laser. Takav pristup u mnogome otežava proces sinhronizacije zrakova, u pokušaju da se njihove amplitude poklope na željeni način. Istraživači iz RLE odseka i njihove kolege sa univerziteta u Sidneju, politehničkog univerziteta u Milanu i hamburškog univerziteta su, umesto toga, provukli jedan laserski zrak kroz kristal koji ga deli na zrake sa različitim frekvencijama. Pošto su zraci iz istog izvora, oni ostaju i dalje savršeno sinhronizovani.

Sve kraće i kraće

Opisana tehnika, daje vrlo kratke laserske pulseve svetla, ali i dalje nisu na nivou atosekunde. Sledeći korak je propustiti dobijene pulseve kroz gas.  Kada čestice laserskog snopa – fotoni – udare u atome gasa, oni bivaju apsorbovani (uobičajena interakcija atoma i fotona), ali se odmah posle apsorpcije desi i proces ponovnog emitovanja novog fotona. Ovi poslednji, ponovo emitovani, fotoni mogu imati frekvencije koje mogu biti mnogo puta veće od onog fotona koji je udario u atom. Veće frekvencije znače još kraće pulseve svetlosti.

Međutim, RLE istraživači još nisu sproveli poslednji korak. Za sada, oni provlače laserski zrak kroz dva pojačavača da bi mu povećali energiju, ali i dalje ima potrebe za dodatnom energijom da bi izazvao dovoljno visoko frekventne fotone iz interakcije sa gasom. Dodavanje još jednog pojačavača bi trebalo da reši energetski problem, ali to, trenutno, uspostavlja dodatne tehničke i inženjerske probleme koji se moraju rešiti.

Jan Valmsli (Ian Walmsley), profesor fizike sa Oksfordskog univerziteta i vođa univerzitetske grupe koja se bavim kvantnom optikom (Ultrafast Quantum Optics Group), kaže da je modularnost pristupa ove grupe istraživača najveća prednost. „Pametan dizajn koji primenjuju Franz i njegove kolege koristi mogućnost da sve komponente rade u sinhronom režimu.“, tvrdi Valmsli. „Ovaj novi pristup, mislim da je vrlo važan jer, u principu, omogućava generisanje mnogo većih energija u tim kratkim pulsevima.“

Valsmli, doduše, sumnja da taj poslednji gasni korak u proizvodnji dovoljno kratkih pulseva svetlosti „neće biti jednostavan.“ Ali, odmah dodaje: „Postoje aspekti ovog pristupa problemu koji obećavaju. Može se pokazati kao izazov za sebe postići sve kraće i kraće impulse, ali mislim, da je moguće izvesti.“

Ok, i čemu sve to?

Recimo, na primer, da ne znamo mnogo o molekulima, atomima i elektronima. Krenimo samo od toga da se elektroni vrte oko jezgra. Zamislimo sada da je to isto kada bismo uzeli neki satelit i postavili ga da se okreće oko planete Zemlje. Ono što je problem naučnicima, još uvek, je činjenica da oni ne mogu da vide elektron kako se tačno kreće, jer je mnogo brz. Ako se vratimo na primer sa Zemljom to bi, sa bilo koje distance, izgledalo kao da naša planeta ima prsten poput onih koji se nalaze oko Saturna, jer se taj virtuelni satelit užasno brzo kreće.

Sada, sa novim metodama, elektron više nije tako brz, tačnije, on se i dalje kreće istom brzinom, ali naša kamera je sada „brža“ od njega. Prva dobra stvar – elektron će još biti opipljiviji, kao materijalni objekat. Drugo, njegova putanja će biti, teoretski, oslikana direktno, korak po korak.

Doduše, ostaje pitanje, šta se dešava sa definicijom elektronskih orbitala koja se mogla dosta često čuti i tokom školovanja:

„Orbitale su najverovatnije putanje na kojima se nalaze elektroni…“

Ako priča o laserima znači da će u prethodnoj rečenici reč najverovatnije biti zamenjena sa sigurno, to je za naučni svet, najverovatnije 🙂, veliki korak u istraživanju sveta elementarnih čestica.

Istraživači pretvaraju kiseline u baze

RIVERSIDE, Kalifornija – Hemičari kalifornijskog univerziteta, Riverside su postigli, u laboratoriji, nešto što se do sada smatralo nemogućim: transformaciju cele porodice kiselih u bazna jedinjenja.

Lakmus papir ili test papir sa kojim se određuje kiselost ili baznost nekog jedinjenja. Izvor: Wikipedia

Kao što su nas učili, kiseline su jedinjenja koje imaju kiseo ukus i reaguju sa metalima i bazama (baze su hemijska suprotnost kiselinama). Na primer, jedinjenja bora (B) su kisela dok su supstance na bazi azota i fosfora baznog karaktera.

U istraživanju, koje je objavljeno u julskom izdanju časopisa Science, je prikazana mogućnost velikog broja hemijskih reakcija – poput onih koje se koriste u farmakološkoj i biotehnološkoj industriji, proizvodnji novih materijala i u istraživanjima akademskih institucija.

„Rezultat je totalno ne intuitivan“ kaže Guy Bertrand, cenjeni profesor hemije, koji je vodio pomenuto istraživanje. „Kada sam prikazao preliminarne rezultate ovog istraživanja na skorašnjoj konferenciji, publika je bila nepoverljiva, jednostavno govoreći da je prikazano neostvarivo. Međutim, mi smo postigli. Pretvorili smo jedinjenja bora u supstance poput onih koje gradi azot. Drugim rečima, učinili smo da se kiselina ponaša kao baza.“

Laboratorija u kojoj radi Bertrand na univerzitetu Riverside je specijalizovana u polju katalizatora. Katalizator je supstanca – uglavnom metal sa vezanim jonima – koja olakšava, omogućava ili samo ubrzava hemijsku reakciju, ali se ne troši ili menja tokom samog procesa. Važan za uspešnost hemijske reakcije, katalizator je kao motor automobila koji omogućava vožnju uzbrdo. U praksi se koristi samo 30 metala kao osnov katalitičkog jedinjenja, ali zato postoji na milione jona i molekula (koji se zovu ligandi) koji se mogu iskoristi za kompletiranje brojnih katalizatora. Trenutno, većina liganata su joni ili molekuli azota ili fosfora.

Pojednostavljeni prikaz procesa katalize. Izvor: wikidot.com

„Problem sa katalizatorima na bazi fosfora je što je sam fosfor otrovan i može da zagadi krajnji proizvod reakcije.“ kaže Bertrand. „Naš rad pokazuje da je sada moguće zameniti fosfor ligante sa borskim. Bor nije toksičan. Istraživanje katalizatora je napredovalo u malim, progresivnim koracima od kada je sprovedena prva katalitička reakcija 1902. godine u Francuskoj. Naš rad prestavlja svojevrsni kvantni skok u istraživanju katalizatora, jer je sada moguće dodati veliki broj novih jedinjenja postojećem izboru. Nije poznato kakve sve reakcije mogu da proizvedu ovi novi borski liganti. Činjenica je da su potencijalno vrlo brojni.“

Bertand ističe da nije moguće koristiti kiseline kao ligante za formiranje katalizatora. Umesto njih, neophodno je koristiti baze. Dok su sva jedinjenja bora kisela, njegova laboratorija je uspela da „natera“ se ponašaju kao baze. To je postignuto menjanjem broja elektrona u omotaču bora, bez promene samog jezgra atoma.

„To je, skoro, kao da menjate jedan atom u drugi“ veli Bertrand. (da li je neko rekao ALHEMIJA!?)

Njegova istraživačka grupa je došla do ideje tokom regularnog brain-storming (razmena ideja) sastanka.

„Ohrabrivao sam moje studente i post doktorske istraživače da razmišljaju ne konvencionalno i da ne budu uzdržani i uplašeni da podele sopstvene ideje sa ostatkom grupe.“ nastavlja on. „Primećuje se da sa smanjivanjem grupe raste sloboda iskazivanja ne standardnih ideja. U 90 procenata slučajeva, ideje su, sveukupno, bile nekorisne. U preostalih 10 posto imali smo koncepte sa kojima smo mogli nešto da uradimo.“

Istraživanje je podržano od strane Nacionale naučne fondacije (National Science Foundation) i državnog sektora za energiju (National Science Foundation).

Internacionalno priznat naučnik, Bertrand je došao u UC Riverside 2001. godine iz francuske nacionalne istraživačke agencije, the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). On je direktor UCR-CNRS Joint Research Chemistry Laboratory.

Gaj Bertrand (Guy Bertrand) je cenjeni profesor hemije na univerzitetu Riverside, Kalifornija. Izvor: L. Duka

Sem toga, dobitnik je brojnih priznanja i nagrada, a najnovija je Ronaldova nagrada (Sir Ronald Nyholm Prize) iz 2009 godine, za njegov začetnički rad u hemiji fosforno-fosfornih veza i u hemiji stabilnih karbena i njihovih kompleksa (rad iz hemije i psihologije? J). On je autor preko 300 stotine akademskih radova i patentirao je preko 35 patenata.