Многие слышали о молекулах, но что это на самом деле? Молекула – это словно команда атомов, которая решила объединиться. Представьте одинокий атом водорода, стремительно пронизывающий космос. Его сердце – протон, а вокруг "кружит" верный спутник – электрон.
Но что происходит, когда этот космический путник встречает своего собрата? Их электроны, подобно магнитам, тянут их к друг другу, пока они не объединяются. Вместе они творят магию – образуется молекула водорода.
Но даже такое сильное соединение не вечно. Под воздействием тепла или других молекул атомы снова могут стать свободными путниками космоса. А знаете ли вы, что каждый атом имеет свои "предпочтения" в дружбе и может формировать разное количество связей?
Атом водорода, на первый взгляд, не представляет сложности: он способен образовать всего одну связь. Однако что произойдет, если к двум связавшимся атомам водорода приблизится третий? Третий атом может либо отразиться от уже образовавшейся молекулы, либо, в случае определенных условий, заменить один из первоначальных атомов.
Кислород, будучи более "общительным", способен на две связи, в то время как углерод - на четыре. Но не все так активны: аргон, например, чаще всего остается в стороне.
И хотя каждый атом имеет свои "границы", их комбинации могут создавать чудеса. Так, обычная вода состоит всего из трёх атомов. А некоторые молекулы, например белки, могут объединять в себе более полумиллиона атомов!
Модели молекул, созданные в формате "заполняющего пространство", иллюстрируют внешние электронные облака атомов, причём разным атомам соответствуют разные цвета. Однако, глядя на живые молекулы через туннельный микроскоп, мы видим схожие контуры, но без цветной кодировки и с менее четкими границами.
Но что если нам нужно понять, какие атомы соединены, а какие просто соседи? Здесь на помощь приходят модели "шариков и палочек", которые наглядно показывают структуру молекул. И вот удивительное открытие 2009 года: команда ученых из IBM смогла сделать реальные фотографии "скелетов" молекул!
Поразительно, но атомная теория позволила ученым изображать молекулы с поразительной точностью более ста лет до создания этого сканирования. Это яркий пример того, какую ценность имеет хорошая научная теория. Когда атомы объединяются в молекулу, внутри молекулы происходят регулярные вибрации между связями.
Представьте эту связь как пружину, которая постоянно сжимается и растягивается. Это происходит потому, что протоны в ядре каждого атома отталкивают друг друга, тогда как общие электроны в связи притягивают атомы обратно. Вибрации молекул являются результатом вечной борьбы между этими двумя силами. Если добавить молекуле энергии, например, в виде тепла или света, амплитуда каждой вибрации увеличится, но частота вибраций останется прежней.
Это означает, что пружина отскакивает еще дальше, и атомы двигаются быстрее. Если добавить достаточно энергии, связь в конечном итоге разорвется. Ученых влечет изучение движений молекул и желание лучше их понять. Эти вибрации имеют огромное количество потенциальных применений в химии, медицине, электронике и компьютерной инженерии.
Часовщики, например, используют неизменную скорость вибраций молекул для создания часов, которые показывают практически точное время. В кварцевом кристалле вибрации связей между его атомами вызывают резонанс, заставляя весь кристалл осциллировать с частотой 32 768 раз в секунду. В каждых часах с кварцем есть маленький кристалл и электроника, которая может считать вибрации кристалла. Это сообщает секундной стрелке, когда именно двигаться.
В апреле 2019 года в журнале Nature Жунхи Ли и его коллеги из Центра Химии в Пределах Пространства-Времени опубликовали первые сделанные когда-либо изображения вибраций молекул на атомном уровне. Хотя эти изображения могут показаться вам и мне странными, они показывают исследователям, как именно этот молекула изгибается и пульсирует между своими связями.
Ученые могут использовать такие изображения для создания точных моделей, предсказывающих поведение различных молекул в разных условиях. С этими новыми данными инженеры работают над солнечными панелями, которые генерируют гораздо больше энергии, микросхемами, которые не перегреваются, и исследователи планируют использовать эту технологию изображения для лучшего понимания нашей собственной ДНК.
Так что, что же такое молекула? Молекула может быть описана как группа атомов, соединенных химическими связями. Различные типы атомов могут формировать разное количество связей. Молекулы могут быть настолько маленькими, что состоят всего из двух соединенных атомов, или, как в случае с некоторыми белками, содержать более полумиллиона атомов, которые соединены ковалентными связями. Последние научные достижения в изображении молекул теперь позволяют нам делать снимки вибраций молекул на атомном уровне.
Что перед нами — реальное лицо молекул или всё-таки высокотехнологичный обман? Разгадка этой загадки может лежать где-то между строк научных статей и грани вашего воображения. Мы приглашаем вас поделиться своим мнением в комментариях. Если статья вызвала у вас интерес, не забудьте поставить лайк и поделиться ею с друзьями. Ваши отзывы и реакции вдохновляют нас создавать ещё больше интересного контента. Подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые публикации!
