Степан Карпенков - Концепции современного естествознания

Методы расшифровки сложных структур.Для идентификации, анализа и синтеза сложных химических соединений необходимо определить состав и структуру их молекул. Современные экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгено-структурного анализа, нейтронографии и т. п. позволяют исследовать состав и структуру весьма сложных молекул органических и неорганических веществ.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Он применяется в разных отраслях естествознания. Например, с помощью метода ЯМР можно определить структуру сегментов ДНК. Основанный на ЯМР, современный томограф позволяет наблюдать картину распределения неоднородностей таких крупных объектов, как организм человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия обеспечивает анализ спектра излучения вещества в различных агрегатных состояниях. Спектральный анализ – это физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе для интерпретации спектра используются таблицы и атласы, составленные для различных химических элементов и соединений. Состав исследуемого вещества при количественном спектральном анализе оценивается по интенсивности линий или полос спектра. С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или атом любого вещества. Лазерный спектроскопический метод позволяет регистрировать, например, загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

Масс-спектроскопия основана на превращении исследуемого вещества в ионизированный газ, ионы которого ускоряются электрическим полем. Масса частиц определяется по радиусу кривизны их траектории и времени пролета. Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью. С ее помощью можно обнаружить, например, три атома изотопа 14C среди 10 16атомов 12C. Они широко применяются для исследования структуры химических соединений, определения изотопного состава и строения молекул в разных областях: в производстве интегральных схем, металлургии, нефтяной, фармацевтической, атомной промышленности и т. п. Для идентификации методом масс-спектроскопии достаточно всего 10-10г вещества. Так, в плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны с концентрацией 0,1 мг на килограмм массы тела человека. В сочетании с газовым хроматографом возможности масс-спектроскопии существенно расширились.

Рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей, позволяет определить довольно сложные молекулярные структуры неорганических и органических веществ, что способствует синтезу, например, искусственных ферментов, гормонов роста и т. д.

Нейтронография обладает очень высокой разрешающей способностью. Она основана на дифракции пучка нейтронов, формирующихся в ядерных установках, что несколько ограничивает ее применение. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения расстояния между атомами. Она применяется при определении структуры молекул сверхпроводников, живых организмов и т. п.

Туннельный микроскоп, разработанный в 80-х годах прошлого века, значительно расширяет возможности экспериментального исследования физических, химических и других свойств вещества на атомном уровне.

В последние десятилетия благодаря развитию технических средств эксперимента достигнуты значительные успехи в естествознании. К важнейшим естественно-научным достижениям относятся: высоко-температурная сверхпроводимость, химические лазеры, молекулярные пучки, атомный лазер, нанотехнология, расшифровка генома человека и др. Многие из них отмечены Нобелевскими премиями.

Высокотемпературная сверхпроводимость.В 1911 г. нидерландский ученый X. Камерлинг-Оннес (1853–1926), исследуя электрические свойства металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия (4,2 K) ее электрическое сопротивление скачком уменьшается до нуля, т. е. ртуть переходит в сверхпроводящее состояние. С течением времени по мере синтеза новых материалов температура перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) неуклонно повышалась: в 1941 г. она достигла около 15 K, а в 1973 г. – примерно 23 K.