Link dana – Razvoj kataloga svih organskih jedinjenja ugljenika

DURHAM, Severna Karolina, SADFarmaceuti su, možda, na putu da obezbede novi alat koji bi obezbedio otkrivanje efikasnijih lekova i novih materijala.

U pitanju je kompjuterski algoritam koji može da modeluje i arhivira ceo spektar lakih, molekula na bazi ugljenika, koje hemičari mogu realizovati u laboratoriji.

Sitni svet molekula ima više od 1060 (mnogo veliki broj!) hemijskih struktura. Hemičar sa Duke univerziteta Dejvid Beratan (David Beratan) tvrdi da mnogi svetski problemi imaju svoje molekularno rešenje unutar hemijskog svemira, bez obzira da li je to lek za neku bolest ili novi materijal koji će upijati sunčevu svetlost bolje nego ostali pre njega.

mapa neotkrivenih ugljenicnih jedinjenja

DukeToady

Sunčeva svetlost proizvodi paru iz ledene vode

Naučnici univerziteta Rice su otkrili novu, vrlo naprednu, tehnologiju koja koristi nano čestice za direktno pretvaranje solarne energije u paru. Nova „solar steam“ (sunčeva para) metoda koja je osmišljena u laboratoriji univerziteta (Rice’s Laboratory for Nanophotonics – LANP) je toliko efikasna da može, čak proizvesti paru iz ledeno hladne vode.

Detalji ovog metoda su objavljeni novembra meseca ove godine u Internet časopisu ACS Nano. Efikasnost tehnologije je procenjena na 24%. Solarne ćelije (fotovoltaične), poređenja radi, u proseku postižu efikasnost od 15%. Međutim, istraživači sunčeve pare ne očekuju da će prva primena njihove tehnologije biti vezana za stvaranje električne energije, nego pre za sanaciju i prečišćavanje u zemljama u razvoju.

„Cela stvar je više od električne energije“ kaže šef laboratorije LANP, Naomi Halas (Naomi Halas), inače vođa celog projekta. „Sa ovom tehnologijom možemo početi da razmišljamo toplotnoj energiji Sunca na potpuno nov način.“

Oara Neumann levo i Naoumi Halas su koautori na novom istraživanju koje se bavi proučavanjem vrlo efikasnih metoda koje pretvaraju sunčevu svetlost u toplotu. Očekuju da će njihova tehnologija imati početni uticaj na razvoj izuzetno malih sistema za obrdu ljudskog otpada i to za zemlje gde fale infrastrukture kao što je električna energija ili kanalizacija: Foto: Jeff Fitlow

Efikasnost sunčeve pare je posledica rada nano čestica koje su u stanju da nadolazeću svetlost Sunca pretvore u toplotu. Kada se ove čestice potope u vodu i izlože sunčevoj svetlosti, one toliko brzo zagreju vodu da se ona momentalno zagreva do temperature pri kojoj voda isparava – dobija se vodena para. Halas kaže da solarna para ima nivo efikasnosti koji se može unaprediti poboljšavanjem same tehnologije.

„Krećemo od zagrevanja vode na makro nivou, da bi je zatim zagrejali na nano skali.“ kaže Halas. „Naše čestice su vrlo male – manje nego talasna dužina same svetlosti – što znači da imaju izuzetno malu površinu koja bi rasipala toplotu.“ Intenzivno lokalno zagrevanje generiše paru na lokalnom nivou, tačno na površini nano čestice, i ideja da se para proizvodi na nivou dela sistema (čerstice) je suprotna od intuitivne.“

Da bi pokazali kako je ceo proces ne intuitivan, saradnik na projektu Oara Njuman (Oara Neuman) je snimila film demonstracije solarne pare. U tom opitu, probna cev u kojoj su se nalazile pomenute nano čestice je potopljena u kupku ledene vode. Koristeći samo sočivo da bi se koncentrisala sunčeva svetlost na skoro smrznutu mešavinu u cevi, Njuman je pokazala da je u stanju da proizvede paru iz skoro smrznute vode.

dfs

Para je najviše korišćeni fluid u industriji. Oko 90 procenata električne energije se proizvodi zahvaljujući pari, a sem toga para se koristi za sterilisanje medicinskog otpada i hirurških instrumenata, da se pripremi hrana i da se pročisti voda.

Sistem sunčeva para koji se razvijen na univerzitetu Rice ima sveukupni nivo efikasnosti od 24 procenata. To znači da od ukupnih 100 posto energije koji je ušao u sistem, 24 procenata biva iskorišćeno za obavljanje nekog procesa ili za zagrevanje nekog drugog sistema. Ovaj rezultat poprilično prevazilazi mogućnosti najmodernijih solarnih ćelija. Verovatno će biti prvo iskorišćen za sanaciju i prečišćavanje vode u zemljama u razvoju. Foto: Jeff Fitlow.

Ljudi u zemljama u razvoju će biti prvi koji će osetiti prednosti sunčeve pare.  Inženjeri univerziteta Rice su već napravili autoklav koji pokreće sunčeva para, a koji je u stanju da steriliše medicinske i zubarske instrumente na klinikama koje nemaju pristup električnoj energiji. Halas je dobila nagradu Grand Challenges grant iz fondacije Bill i Melinda Gates za stvaranje izuzetno malog sistema za obradu ljudskog otpada u oblastima gde nema kanalizacionih sistema ili struje.

„Solarna para je izuzetna zbog svoje efikasnosti“, kaže Njuman, vodeći koautor na naučnom radu. „Nije neophodna velika količina ogledala ili solarnih panela. U stvari, cela aparatura može biti jako mala. Na primer, propusni prozor prilikom naše demonstracije je bio veliki svega nekoliko kvadratnih centimetara.“

Još jedan moguća primena nove tehnologije je u opsluživanju hibridnih rashladnih i sistema za zagrejavanje koji se pokreću preko dana zahvaljujući sunčevoj energiji, a tokom noći koriste električnu energiju. Halas, Njuman i njihove kolege su takođe sprovele eksperiment destilacije i otkrile da je sunčeva para oko dva i po puta efikasnija od postojećih destilacionih sistema.

Halas, Profesor kompjuterskog i električnog inženjeringa, profesor fizike, hemije i bio medicine je jedan od je najčešće citirani hemičar današnjice. U laboratoriji u kojoj radi istraživači su se specijalizovali u stvaranju i proučavanju čestica čije se funkcije aktiviraju pod uticajem svetlosti. Jedna od njenih kreacija – zlatna nano ljuska – je na kliničkim testovima kao potencijalni lek za rak.

Prilikom koncipiranja tehnologije lečenja raka i mnogih drugih tehnologija, Halasin tim bira da radi sa česticama koje interaguju sa vrlo malim brojem različitih talasnih dužina svetlosti. Kada je u pitanju sunčeva para, Halas i Njuman su se odlučile za česticu koja je u stanju da interaguje sa što većim opsegom talasnih dužina sunčeve svetlosti. Ove, nove nano čestice mogu biti aktivirane sa vidljivom svetlošću i sa svetlosnim dužinama svetlosti koje nisu vidljive golim okom.

„Mi ne menjamo bilo koji od zakona termodinamike“, kaže Halas. „Mi samo zagrevamo vodu na radikalno drugačiji način.“

Zvezde zbližavaju atome

Zvezde “beli patuljci” poseduju izuzetno jako polje koje može naterati atome da formiraju nove modove povezivanja. Izvor: NASA/ESA/H. Bond (STScI)/M. Barstow (Univ. Leicester)

Prema poslednjim istraživanjima magnetizam možda krije tajnu koju do sada nismo znali – posebnu i jaku veza između atoma. Kompjuterske simulacije upućuju na mogućnost postojanja jake hemijske veze koja se indukuje u jakim magnetim poljima zvezda. Ako postoji mogućnost da se ovaj efekat sprovede u laobratorijiskim uslovima, onda „magnetna materija“ može biti iskorišćena za proizvodjnu kvantnih kompjutera.

Hemičari razilikuju dva različita tipa hemijske veze: jonska veza i kovalentna veza. Jonska veza nastaje polarizovanjem atoma, i samim tim, stvarju se uslovi za privlačenje, a kovalentna uspostavlja zajedničko vlasništvo atoma nad parom elektrona.

Međutim, Trajgve Helgaker (Trygve Helgaker), kvantni hemičar sa univerziteta u Oslu je zajedno sa svojim kolegama slučajno otrkio treći tip veze kada su simulirali ponašanje atoma unutar magnetnog polja jačine 105 Tesla. To je snaga 10000 puta veća nego što bilo ko može da proizvede na Zemlji.

Tim istraživača je ispitivao potencijalnu distorziju atoma vodonika u jakom magnetnom polju. Molekul se, u polju, postavio paralelno sa linijama sila, i veza između samih atoma je postala stabilnija i kraća. Jednom od elektrona je emitovana energija, koja bi normalno trebala da ga izbije iz molekula, ali molekuls se samo okrenuo pod impulsom i kao celina ostao i dalje u paralalelnoj poziciji sa linijama sila.

Bez obzira što ceo događaj predstavlja kompjutersku simulaciju, predstavlja značajno otkriće koje može utrti put novim pravcima istraživanja. Rad koji detaljno objašanjava uslove eksperimenta je objavljen u časopisu  Science.

Veštački list, prava fotosinteza?

Veštačka fotosinteza je u suštini simulacija (ali sa idejom da bude praktična) procesa koji se dešava u bilo kom listu na drvetu. Sam proces je dobijanje korisne energije koristeći prirodne sirovine: sunčevu svetlost, vodu i ugljen dioskid (CO2). Naučnici koji  se bave energetikom i hemijom, već duže vreme pokušavaju da osmisle neorgansku kopiju lista i samim tim obezbede novi izvor energije.

Do sada, neki od pokušaja su pokazali prosečene rezultate, ali istraživači iz MIT laboratorije tvrde da su napravili veštački list. Materijali koji su sastavni deo ovog specijalnog lista su u stabilnom stanju (za razliku od prošlih eksperimenata), ali preostao je jedan značajan problem da se reši – efikasnost uređaja. Međutim, to nije obeshrabrilo kompaniju Panasonic, da objavi vest da će ova kopanija investirati u tehnologiju vešatčke fotosinteze. Ugljen diokosid i svetlost će biti pretvarani u korisne hemikalije. Samo treba dodati vodu.

Konstrukcija veštačkog lista: 1 Oksidacija vode svetlosnom energijom, 2. Redukcija ugljen dioksida, 3. Ugljen dioksid, 4. Voda, 5. Kiseonik, 6. Izvor svetlosti, 7. Nitridni poluprovodnik, 8. Metalni katalizator, 9. Mravlja kiselina

Proces podrazumeva dve faze. Nitridni poluprovodnik pretvara sunčevu svetlost u tok elektrona koji razlaže vodu na njene sastojke: vodonik (H) i kiseonik (O). Sledeća reakcija pretvara ugljen dioksid (CO2) i vodonik (H) u metansku kiselinu (mravlja kiselina – CH2O2) putem metalne katalize. Pomenuta kiselina se široko koristi u proizvodnji tekstila i za očuvanje prehrambenih proizvoda (prisutna je u pčelama i otrovu mrava).

Efikasnost procesa se meri promilima, tačnije 2 stota dela. Zbog toga, tehnološki proces nije komercijalno isplativ, još. Kompanija Panasonic je već predstavila novu tehnologiju na konferenciji koja se bavi procesima fotokonverzije i skladištanje sunčeve energije.

Inekcija kao privremeno rešenje za slepilo

Inekcija posebne supstance, ubačena direktno u oči, može vratiti vid kod slepih miševa (ne kod ljiljka – njima ni ne treba bolje). Ovo dostignuće može dovesti do terapije koja može pomoći ljudima koji su u nekom trenutku izgubili vid. Barem tako kaže jedna od skorašnjih studija. Istraživači koji su otkrili hemijsku smešu nastavljaju istaživanje, kako bi ostvarili napredniju verziju, namenjenu ljudskoj upotrebi.

Dva najveća uzroka slepila su retintis pigmentosa (genetička bolest) i postepena degradacija, kao posledica starenja. Obe pojave karakteriše oštećenje ćelija mrežnjače oka (štapićaste ćelije). Na taj način oko gubi svoje fotoreceptivne ćelije. Postoje terapije za lečenje takvih simptoma, koje se fokusiraju na obnavljanju funkcija mrežnjače. Neki od pristupa su ubacivanje matičnih ćelija u oko, implantacija smeša koje su osetljive na svetlost – uz pomoć virusa, kao i ugradanja električnih uređaja i veštačkih mrežanjča. Sada, hemikalija nazvana AAQ može učiniti da oštećene ćelije postanu ponovo osetljive na svetlost, i nije potrebna druga supstanca ili prisustvo matičnih ćelija.

Ričard Kramer (Richard Kramer), profesor molekularne biologije i citologije sa univerziteta u Kaliforniji (Barkli) je sa svojim timom izabrao AAQ, jer se ponaša kao specifični fotoprekidač, sposoban da uzbudi neurone u prisustvu svetlosti. Vezuje se za jone kalijuma (K) na površini ćelija i kada je hemikalija izložena svetlosti, ona menja tok jona. Ovaj protok jona aktivira neurone. Kramer i koautor rada, Dirk Trauner (Dirk Trauner), hemičar sa univerziteta u Minhenu su bili prvi koji su sintentizovali AAQ pre nekoliko godina.

U ovom eksperimentu, tim je radio na miševima koji su bili genetički modifikovani, na taj način da bi štapićaste ćelije u njihovim očima jednostavno izumrele posle nekoliko meseci od rođenja. Kada su miševi primili inekciju supstance AAQ oni bi se sklonili od svetla i njihove zenice bi kontrahovale, što ukazuje da je njihov mozak primio svetlosne signale, tvrde istraživači.

Slep i onaj ko vidi: mišije oko na levoj strani ne reaguje na svetlost; na desnoj strani je oko koje prima svetlosne signale

U posebnoj studiji objavljenoj u istom žurnalu gde i prva studija, naučnici su pokazali da genetička terapija može povratiti sluh kod gluvih miševa. To je prvi put da je genetička (nasledna) gluvoća kod miševa uspešno tretirana. Naravno, to predstavlja novu polaznu tačku u medicinskim istraživanjima koja bi pomogla gluvim ljudima.

Međutim, ključni napredak u studiji koja se bavi slepilom jeste činjnica da nema učešća spoljnih gena. Nema potreba ni za matičnim ćelijama ili virusima – AAQ radi sam ceo posao, i to je relativno jednostavna hemikalija, pa se može koristiti uporedo sa drugim terapijama. Postoji mana – efekat hemikalije iščezava u periodu od nekoliko dana, kažu istraùivači. Neki smatraju da bi periodično davanje inekcija prestavljalo manje invazivan pristup prilikom rešavanja problema vida kod ljudi sa gubitkom istog. Rad koji detaljno objašnjava eksperiment se pojavio u čaospisu Neuron.