Разные: Японские физики представили новую периодическую таблицу элементов
Разные: Японские физики представили новую периодическую таблицу элементов
1 месяц назад 179 hightech.fm naukatv.ru nplus1.ru popmech.ru

Ученые из Киотского университета представили периодическую таблицу элементов, которая в отличие от таблицы Менделеева, где за основу взяты электроны в атоме, основана на поведении протонов в ядре. Описание новой таблицы, названной авторами Nucletouch, приведено в журнале FoundationsofChemistry, передает РИА Новости.

За теорию оболочечного строения ядра в 1963 году присудили Нобелевскую премию по физике. Согласно этой теории, структура атомного ядра представлена в виде нуклонных оболочек, заполненных протонами и нейтронами по аналогии с теорией строения атома, оболочки которого заполнены электронами.

"Периодическая таблица элементов Менделеева является одним из наиболее значительных достижений в науке, и в своей знакомой форме она основана на структуре оболочки электронных орбиталей в атомах, — приводятся в пресс-релизе Киотского университета слова одного из соавторов новой таблицы Йошитеру Маэно (Yoshiteru Maeno). — Но атомы состоят из двух типов заряженных частиц, которые определяют каждый элемент — электроны, вращающиеся вокруг ядра, и протоны в самом ядре".

Более 150 лет назад Дмитрий Менделеев открыл периодический закон, который был оформлен в виде классической периодической таблицы элементов. Гениальный ученый даже оставил место для элементов, которые были еще неизвестны в его время.

"По сути, в этой системе все сводится к электронам в каждом атоме. Атомы считаются стабильными, когда электроны полностью заполняют свою оболочку орбиты вокруг ядра, — продолжает Маэно. — Так называемые благородные газы — инертные элементы, такие как гелий, неон и аргон, редко вступают в реакцию с другими элементами. Их наиболее стабильные электронные числа составляют 2, 10, 18, 36 и так далее. Это так называемые магические числа".

Авторы решили, что тот же принцип можно применить к протонам, у которых есть свои "магические числа" — 2, 8, 20, 28 и так далее. Они поместили элементы с этими стабильными количествами протонов — гелий, кислород и кальций — в центр своей таблицы.

"Подобно электронам благородных газов, ядерные орбиты, заполненные протонами, обеспечивают стабильность ядра, — говорит второй автор открытия Коичи Хагино (Kouichi Hagino). — В нашей ядерной периодической таблице мы также видим, что ядра, как правило, имеют сферическую форму у элементов, находящихся вблизи магических чисел, и деформируются, удаляясь от них".

Исследователи надеются, что предложенный ими альтернативный способ представления химических элементов даст возможность другим ученым по-новому взглянуть на уже известные химические и физические закономерности и приведет к новым открытиям.

Масс-спектрометрия сможет измерять вес отдельных молекул

Масс-спектрометрия сможет измерять вес отдельных молекул. Об этом говорится в исследовании нидерландских физиков, опубликованном в журнале Nature Methods.

Группа физиков во главе с профессором Тобиасом Вернером из Утрехтского университета создала одночастичную масс-спектрометрию — технологию, которая позволит узнать массу одной конкретной частицы. В основе системы лежит детектирование заряда на основе орбитрапа — электрода, вокруг которого вращаются ионы.

Орбитрапы, как правило, используются и для многочастичных измерений, когда к нему попадает сразу большое количество частиц. Благодаря новому типу орбитрапа физики смогут изучать тысячи единичных молекул за несколько минут.

Сигнал, детектируемый орбитрапом, несет в себе сразу два показателя: амплитуда связана с зарядом иона, а частота определяет отношение массы иона к заряду. После этого сигнал отправляется в компьютер, который его расшифровывает и выдает готовые данные о молекуле.

Благодаря этому методу физики смогут изучать новые типы макромолекулярных соединений, а также анализировать огромное количество различных комплексов: антитела, рибосомы, белки и вирусы.

Химики нашли в последовательности простых чисел странную закономерность

Совершенно новая категория структур

Уже больше тысячелетия человек изучает простые числа.

Их часто называют фундаментом всей математики. У них немало интересных свойств, но одно из них особенно озадачивает — на числовой прямой они расположены рандомно, и именно поэтому математики так долго ищут каждое следующее по величине простое число (на данный момент в самом большом 23,249,425 цифр). 

Но человек от природы так устроен, что во всем он пытается найти закономерность, ускользающий смысл, скрытое значение. Поэтому не прекращаются попытки найти закономерность и в простых числах.

Задачка отнюдь не бесполезная. Например, на случайности простых чисел основывается алгоритм шифрования RSA.

И вот команда химиков обнаружила уникальную закономерность в распределении простых чисел, если их рассматривать как физическую структуру. 

 

Вместо того, чтобы изучать простые числа исключительно с математической точки зрения, химик Сальваторе Торкуатопредставил их в виде простых атомов в кристалле.

А атомы в кристалле обычно изучают с помощью рентгеновских лучей, наблюдая, как они рассеиваются. Метод называется рентгенографированием.

У разных материалов разные закономерности рассеивания — к примеру, жидкости, атомы в которых дергаются во все стороны без строгой структуры, рассеивают рентгеновские лучи так же рандомно, без закономерности.

А вот кристаллы с их строгой структурой атомов создают упорядоченную структуру рассеивания, с четкими пиками и впадинами — см. кривую Брэгга.

Если следовать этому принципу, то если бы простые числа были частью физической структуры, они бы вели себя как жидкость, так? Нет.

Торкуато объединился с несколькими теоретиками теории чисел, и вместе они создали компьютерную модель, которая ‘излучала’ теоретические ренгеновские лучи на около миллиона простых. И оказалось, что простые числа вызывают структуру рассеивания близкую к кристаллической.

И эта структура была не похожа ни на какие известные структуры рассеивания от кристаллов.

Это были похоже скорее на квазикристалл— материал, обладающий некоторыми симметрическими параметрами кристаллов, но организованный довольно хаотично.

Торкуато назвал эту закономерность “абсолютно новой категорией структур”.

Открытие не настолько уж ново. Во-первых, математика основывается на давно установившихся методах. Во-вторых, это не первая закономерность, замеченная в группе простых чисел и привлекшая немало внимания.

И все же уникально то, что на открытие ученых вдохновила абсолютно другая сфера науки. Команда возвела мостик между наукой материалов и математикой — в частности, между простыми числами и кристаллами.

Генри Кон, исследователь из Microsoft Research, участвовавший в исследовании, описал открытие так:

Это красивый новый взгляд на эту информацию, и он открывает новые связи между наукой материалов и теорией рассеивания.

Итоги: специалистам по шифрованию нужно обеспокоиться, ведь новый метод позволяет относительно просто искать простые числа, в этой сфере теперь точно появятся новые исследования и новые результаты, причем затрагивающие не только распределения простых чисел, но и распределения любого набора частиц.

Химики описали структуру молекулы, которая существует в 126 измерениях

Спустя почти 200 лет после того, как молекула бензола была открыта Майклом Фарадеем, исследователи описали её сложную электронную структуру.

Одна из фундаментальных загадок химии была решена благодаря сотрудничеству австралийских учёных. С 1930-х годов химики спорили о фундаментальной электронной структуре бензола. В последние годы этот вопрос стал особенно актуален, поскольку бензол является основой для многих оптоэлектронных материалов. Хотя в молекуле бензола мало атомных компонентов, её электроны существуют в 126 измерениях. Анализ такой сложной системы до сих пор казался невозможным, однако группе учёных, опубликовавших своё исследование в журнале Nature Communications, это удалось.

Исследователи применили к молекулам бензола сложный метод на основе алгоритма, чтобы отобразить их волновые функции во всех 126 измерениях. Математический алгоритм позволил разделить размерное пространство на эквивалентные «плитки», каждая из которых соответствовала перестановке позиций электронов. Особый интерес для учёных представляло понимание вращения (спина) электронов. Благодаря новой методике исследователи смогли понять, что электроны в двойных связях и электроны в одинарных связях имеют противоположную ориентацию спина. В результате электроны избегают друг друга, уменьшают общую энергию молекулы и таким образом делают её более стабильной. 

Физики впервые охладили молекулы до 220 нанокельвинов

Физики впервые охладили молекулы до 220 нанокельвинов. Сделать это удалось за счет столкновений с ультрахолодными атомами натрия, говорится в исследовании ученых из Массачусетского технологического института во главе с Нобелевским лауреатом Вольфгангом Кеттерле, которое опубликовано в журнале Nature.

В последние несколько десятилетий физики достигли больших успехов в охлаждении атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю. Такие эксперименты проводятся с помощью лазеров, при облучении которыми атомы теряют энергию и двигаются медленнее — и, как следствие, охлаждаются.

Повторить тот же эксперимент с молекулами нельзя — из-за их сложной формы до сих пор удавалось охладить молекулы только до десяти милликельвинов (0,01 К).

В новом исследовании физики нашли способ охладить молекулы до еще более низкой температуры с помощью созданной в конце XX века ловушки для атомов — только вместо атомов в новом эксперименте ее переделали для молекул.

Принцип работы классической версии ловушки заключается в том, что устройство избирательно пропускает самые горячие атомы и перемешивает их с холодными. Горячие забирают излишки энергии из облака холодных, а затем вылетают, заставляя холодные атомы охлаждаться еще сильнее.

Исследователи частично повторили конструкцию ловушки, добавив к ней лазеры. В эксперименте участвовали атомы лития и натрия, самые горячие из которых бомбардировали облако молекул.

В результате температура в опытной установке опустилась до 200 нанокельвинов (0,0000002 K) — это рекордно низкое значение, которое в пять раз ниже пределов, налагаемых законами квантовой физики.

«Подобные методы уже давно используются для охлаждения атомов. Изначально я не был уверен в том, что наша методика сработает. Но, так как мы не знали этого наверняка, мы все равно провели эксперимент. Теперь мы точно можем сказать, что для молекул из лития и натрия этот подход работает. Подойдет ли он для других веществ, нам еще предстоит узнать» 

Вольфганг Кеттерле, ведущий автор исследования 



Ранее инженеры из Университета ETH Цюриха нашли способ снизить температуру воды до рекордно низкого значения -263 °C, не замораживая ее.

Учёные описали форму самой первой молекулы белка на планете

Форма самых древних белков, существовавших еще 3,5 миллиарда лет назад, идентифицирована благодаря новой технологии. Результаты работы представлены в журнале PNAS.

Используя компьютерное моделирование для создания конфигурации древних молекул, которых больше не существует на планете, учёные проследили схему того, что может быть общим предком современных семейств ферментов, необходимых для процветания жизни. По словам учёных, электричество может быть источником зарождения жизни. Электронная схема катализируется небольшим подмножеством белков, которые функционируют как сложные наномашины. Понять, как выглядели эти первичные белки миллиарды лет назад, практически невозможно, учитывая, что рассматриваемые ферменты относятся к эпохе архея и в настоящее время давно вымерли.

В своём исследовании учёные проанализировали и сравнили существующие трёхмерные белковые структуры, чтобы выяснить, могут ли они определить общего предка, который наилучшим образом соответствует организмам в далёком эволюционном прошлом белка. В частности, исследователи стремились определить сходство между белковыми складками (формы, которые цепочки аминокислот принимают в трёх измерениях), чтобы найти простую топологическую модель того, как древние белковые молекулы выглядели миллиарды лет назад. В итоге были найдены базовые структуры, которые могли быть шаблоном для первых белков на Земле.

Команда признаёт, что их подход к моделированию способен демонстрировать только гипотетические модели белка. Однако учёные попытаются воссоздать функциональные версии смоделированных типов белков в лаборатории. Если они добьются успеха, это поможет найти строительные блоки жизни далеко за пределами Земли.

Химики подавили критический механизм клеточного бессмертия

Группа ученых из Австралии и США синтезировала молекулу, которая ковалентно и необратимо связывается с теломеразами раковых клеток и ингибирует их. В результате жизнеспособность опухолевых клеток снизилась, а работа нормальных компонентов не пострадала. На создание нового вещества исследователей вдохновил природный антибиотик хролактомицин, который вырабатывается бактериями. Статья опубликована в журнале American Chemical Society Chemical Biology.

Теломеры — участки на концах хромосом, которые состоят из многочисленных повторов определенной последовательности из нескольких нуклеотидов. Они необходимы для защиты хромосом, однако механизм репликации ДНК устроен так, что при каждом делении теломеры немного сокращаются. Если концевые участки достигают критической длины, ДНК повреждается и клетка запускает защитные механизмы: прекращает делиться и активирует апоптоз (программируемую гибель) или старение.

Есть клетки, которые умеют удлинять теломеры на своих хромосомах и за счет этого делиться большее число раз. Это стволовые, эмбриональные и первичные половые клетки. Белок, который достраивает концевые участки ДНК, называется теломераза, за ее исследование в 2009 году присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. 

В соматических клетках работа теломеразы подавлена, однако этот белок в активном состоянии присутствует в 90 процентах раковых клеток. Считается, что он позволяет опухолям делиться бесконечно и обходить механизмы клеточной гибели. Кроме того, что теломераза удлиняет концевые участки хромосом, она участвует в других процессах, которые связаны с развитием рака.

Поиски способа подавить теломеразную активность являются одним из направлений в борьбе с раком. Группа ученых под руководством Рика Бетори (Rick Betori) из Северо-Западного университета обратила внимание на природный ингибитор теломеразы — хролактомицин. Это антибиотик, выделенный из штамма бактерий стрептомицет. Задачей исследователей было создать вещество, которое бы также взаимодействовало с теломеразой, однако могло быть легко синтезировано в лаборатории. 

При помощи компьютерного моделирования исследователи разработали более тысячи упрощенных аналогов хролактомицина (их назвали «хрологами») — молекул, свойства которых, согласно вычислениям, аналогичны свойствам исходного вещества. Из них выбрали 330 наиболее подходящих моделей и проанализировали их взаимодействие с теломеразой методом молекулярного докинга (технологии, которая позволяет визуализировать взаимодействие двух макромолекул и предсказать его устойчивость).

Затем синтезировали 150 соединений и проанализировали их свойства. Лучшие вещества протестировали на клеточном экстракте и живых раковых клетках человека, которые принадлежали опухолям различной природы. Чтобы убедиться, что молекулы не взаимодействуют с другими компонентами клетки, проверили их влияние на раковые клетки, в которых нет теломеразы, и реакцию с цистеином.

Самым подходящим оказался образец NU-1, который удалось синтезировать в 4 этапа. Он ковалентно и необратимо связывался с теломеразой (за счет взаимодействия экзометиленовой группы с цистеиновым сайтом белка) и эффективно ингибировал ее. NU-1 также снизил жизнеспособность раковых клеток. Вещество имело незначительный эффект на опухоли, в которых теломераза отсутствует, и низкую реакционную способность с цистеином. 

Вещество, которое синтезировали в этой работе, ингибирует теломеразу эффективнее, чем результаты других разработок. Необходимо работать над созданием еще более действенных молекул и тестировать их не только на культурах человеческих клеток, но и на животных моделях.

Моделировать взаимодействия синтетических веществ с теломеразой помогло знание её детальной структуры, которая была изучена в 2018 году с помощью метода криоэлектронной микроскопии.

Фуллерены научились полностью растворять в воде
Учёные из Центра энергетических наук и технологий московского Сколтеха и Института проблем химической физики РАН совместно с коллегами из Католического университета Лёвена (Бельгия) научились в одну стадию получать растворимые в воде соединения фуллеренов.

Фуллерены С60 и С70 являются необычной молекулярной формой углерода. В зависимости от числа атомов в молекуле фуллерены по форме напоминают футбольный мяч (С60) или мяч для регби (С70). Соединения на основе фуллеренов на протяжении долгого времени считаются перспективной основой для создания новых медицинских препаратов в связи с их выраженной противовирусной, антибактериальной, противоопухолевой и антиоксидантной активностью.

Однако фуллерены абсолютно нерастворимы в воде, что препятствует их использованию в медицине. Существующие на сегодняшний день классические методы синтеза растворимых в воде соединений непосредственно из фуллеренов позволяют получать их лишь с небольшим выходом (обычно до 10%) в несколько сложных синтетических стадий. Эти методы неприменимы для промышленного синтеза водорастворимых соединений фуллеренов, что крайне затрудняет создание на их основе лекарственных препаратов.

Учёные предложили эффективный одностадийный метод получения стабильных водорастворимых производных фуллеренов, обладающих высокой активностью против вируса иммунодефицита человека. Разработанный метод позволяет получать эти соединения с близким к 100% выходом без длительной и трудоемкой хроматографической очистки, что открывает новые возможности для синтеза производных фуллеренов в любых масштабах, требуемых для фармацевтической промышленности.

Исследователи надеются, что этот простой и одностадийный метод синтеза водорастворимых соединений фуллеренов позволит решить проблему их использования в медицине и ещё на шаг приблизит учёных к созданию эффективных противовирусных препаратов. Полученные в рамках работы результаты открывают новые возможности для направленного дизайна водорастворимых производных фуллеренов с заданным набором свойств, что в перспективе позволит вывести на рынок лекарственные препараты нового поколения.

0 комментариев
Архив