Нобелевские лауреаты по химии

 

2007 год. Герхард Эртль (Германия)

              «За изучение химических процессов  на поверхностях твёрдых тел».

         Химические реакции, которые происходят на поверхности раздела между веществами, называют гетерогенными. К гетерогенным относятся очень многие промышленные реакции, в которых газообразные вещества реагируют между собой в присутствии твердых катализаторов. Гетерогенные реакции обязательно включают в себя несколько стадий: 1) газы подходят к поверхности, 2) адсорбируются на ней, 3) связи между атомами в молекулах ослабляются или разрываются, и реакция между реагентами легче происходит на поверхности, чем в объеме; 4) затем продукты реакции удаляются с поверхности катализатора, которая тем самым освобождается для приема новых молекул реагентов; 5) продукты от поверхности уходят в объемную фазу.

Для успешного протекания реакции поверхность  должна обладать определенными свойствами – структурными и энергетическими. Расстояние между атомами на поверхности  должно соответствовать размерам реагирующих  молекул, и атомы на поверхности  должны быть способны сначала образовать химические связи с реагентами, а  потом – разорвать химические связи с продуктами. Принцип структурного и энергетического соответствия – основной в подборе катализаторов  для промышленных реакций.

Охарактеризовать  механизм гетерогенной реакции –  это значит выявить все элементарные стадии процесса и определить их скорость и энергию активации. Это позволяет  найти способы управления скоростью  процесса и полнотой его протекания. Такая глобальная задача была решена Г.Эртлем для многих гетерогенных реакций, в частности:

- каталитическое окисление угарного  газа кислородом. Эта реакция  происходит на твердофазных катализаторах,  входящих в состав конвертеров  выхлопных газов в автомобилях.  Автомобильные катализаторы –  это сложные смеси, содержащие  оксид алюминия Al₂O₃, оксид церия CeO₂ и платиновые металлы.

- синтез NH_3. В колоннах заводов по производству азотных удобрений атмосферный азот смешивается с водородом и, при контакте с железом, эти два газа превращаются в аммиак.

На  поверхности лежит и более  очевидный процесс, где реакция  на стыке твердого тела и газа вредит человечеству каждый день. Это коррозия. Благодаря тому, что теперь мы понимаем во всех деталях, как, когда и почему возникает ржавчина, возможно разработать адекватное конкретным условиям антикоррозийное покрытие и решить эту проблему.

 

2008 год. Осаму Симомура (США), Мартин Чалфи(США), Роджер Тсьен (США)

                             «За открытие и развитие зеленого флуоресцентного белка»

 

            Исследователи выделили из тела медузы несколько белков, одним из которых был GFP, или зеленый флуоресцентный белок. Сам по себе этот белок не светится, однако если направить на него излучение определенной длины волны, он начинает мерцать зеленым цветом. При изучении этого белка обнаружились его особенности: 1) структура хромофорной группы образуется самим белком; 2) по своей структуре GFP оказался похож на бочку со стенками, дном и крышкой; 3) рекордно высокий квантовый выход флуоресценции (0,8) - иначе говоря, 80% поглощаемой белком световой энергии преобразуется в энергию видимого излучения.

 

Как только ген GFP был клонирован, стало ясно, что учёные получили в свои руки неоценимый инструмент для изучения внутриклеточных процессов. Характеристики гена GFP таковы, что  его  можно встраивать рядом с  интересующими исследователей другими  генами, работу которых они изучают. Тем самым можно следить за процессами образования в живой  клетке самых разных белков, наблюдать  за образованием вирусов, размножением патогенных бактерий и т.п

 

 

2009 год. Венкатраман Рамакришнан (Великобритания), Томас Стайц (США),

                 Ада Йонат (Израиль)

             «За исследования структуры и функций рибосомы»

 

             Рибосомы представляют собой «белковые фабрики» клетки: именно их работа обеспечивает синтез белка аминокислот, лежащий в основе жизнедеятельности всего живого.

Премия присуждена за получение первых моделей структуры рибосом на атомарном уровне с помощью рентгеноструктурного анализа. В основе рентгеноструктурного анализа лежит получение кристаллов макромолекул и просвечивание их рентгеновскими лучами. По характеру дифракции рентгеновских лучей, проходящих через эти кристаллы, можно судить о строении образующих кристаллы молекул. В последние годы  нескольким лабораториям удалось получить модели структуры целой рибосомы с атомарным разрешением (3,5 Å), сама рибосома порядка 200 Å. Около двух третей массы рибосомы составляет РНК, а около трети — белки. Исследования строения и работы рибосом показали, что функциональную нагрузку в рибосомах несет, прежде всего, РНК.

      Представления о структуре рибосом находят непосредственное практическое применение. Многие антибиотики, используемые для лечения инфекционных заболеваний, действуют за счет подавления работы бактериальных рибосом. В лабораториях Йонат, Рамакришнана и Стайца были получены данные о механизме действия ряда таких антибиотиков. Эти данные уже сегодня используются для разработки новых и совершенствования существующих антибиотиков, поскольку болезнетворные бактерии непрерывно эволюционируют, вырабатывая устойчивость к используемым в медицинской практике средствам.

 

2010 год. Ричард Хек (США), Эйити Нэгиси (Япония), Акира Судзуки (Япония)

      

 «За разработку новых, более эффективных путей соединения атомов углерода друг с другом с целью построения сложных молекул, которые улучшают нашу повседневную жизнь».

 

             Развитие органической химии основано на удивительной способности углерода связываться с самим собой в длинные цепочки или циклы, что позволило человеку приблизиться к созданию сложных природных соединений и получить новые функционально интересные молекулы, в частности новые лекарства и все многообразие полимерных материалов.

В своих работах ученые применили реакции кросс-сочетания с использованием палладиевых катализаторов. Реакциями кросс-сочетания называют такие органические реакции, в ходе которых химическая связь образуется между двумя атомами углерода, находящимися в составе разных молекул.

Раньше приходилось синтезировать сложные молекулы из блоков в несколько стадий. За счёт высокой активности реагентов в реакциях образовывалось такое количество побочных соединений, что выход конечного продукта оказывался мизерным. Использование палладия стало очень удачным выходом из положения. Он оказался идеальным «местом встречи» атомов углерода. На атоме палладия два атома углерода располагаются так близко друг к другу, что между ними может начаться взаимодействие. Реакция на палладии протекает с высоким выходом нужного продукта без нежелательных побочных процессов.

Этот метод позволил простым способом получать очень сложные молекулы из отдельных фрагментов и предоставил универсальный инструмент для создания уникальных соединений с заданной химической структурой. Сейчас около 30% реакций в медицинской химии – реакции кросс-сочетания.

 

 

 

2011 год.  Дан Шехтман (Израиль)

               

                «За открытие квазкристаллов»

 

               Квазикристаллы, как "обычные" кристаллы и аморфные тела - это одна из форм организации структуры твердых тел. Они обладают запрещенными для обычных кристаллов осями симметрии, в частности, седьмого, восьмого, десятого, двенадцатого и других порядков.

Шехтман получил первую микрофотографию структуры квазикристалла в 1982 году - ученый работал с быстроохлажденным сплавом алюминия и марганца состава Al₆Mn. В отличие от привычных изображений кристаллов, рисунок расположения атомов в квазикристалле не является периодическим. До работы Шехтмана считалось, что упорядоченные кристаллические структуры обязательно периодичны, поэтому и накладывались ограничения на допустимые оси симметрии. Квазикристаллы, открытые Шехтманом, упорядочены, но не периодичны, то есть у них отсутствует трансляционная симметрия, их структуру нельзя получить бесконечным добавлением друг к другу одинаковых кубиков.

        После этого открытия исследователи произвели различные квазикристаллы в лабораторных условиях. В 2010 году в России был впервые обнаружен природный минерал, обладающий квазикристаллической структурой. Кроме того, квазикристаллы были обнаружены в определенных типах сталей. На сегодняшний день большинство работ по квазикристаллам являются фундаментальными. Несмотря на интереснейшие свойства, их практическое применение - задача будущих исследований.

 

 

Вопрос 2

Новые (конец ХХ - ХХI век) химические вещества и материалы использующиеся при экстремальных условиях

Из материалов изготавливаются  различные изделия: устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и др. Для каждого изделия нужны свои материалы с вполне определенными свойствами, к которым предъявляются высокие требования.

Современные синтетические  материалы

Пластмассы - это материалы  на основе природных или синтетических  полимеров, способные принимать  заданную форму при нагревании под  давлением и устойчиво сохранять  ее после охлаждения. Помимо полимера пластмассы содержат наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Пластмассы различаются по эксплуатационным свойствам (например, антифрикционные, атмосфере-, термо- или огнестойкие), виду наполнителя (стеклопластики, графитопласты и др.), а также по типу полимера (аминопласты, белковые пластики и т.д.)

Наиболее перспективны материалы  с высокой термостойкостью: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Они выдерживают относительно высокую температуру - 200-450 °С и используются в авиационной и ракетной технике.

       Эластомеры - еще одна разновидность полимерных  материалов. К ним относится прежде всего каучук, из которого производится широко распространенная резина, обладающая отличительным свойством – эластичностью Современные технологии позволяют получить синтетический каучук с лучшими свойствами. К настоящему времени разработано более 10 видов синтетических каучуков и не менее 500 их различных модификаций. Превосходным качеством отличается силиконовый каучук. Он менее эластичен, чем натуральный, но его свойства в интервале температур от 55 до 180 °С мало зависят от температуры, к тому же он физиологически безвреден. Гомогенные и ячеистые полиуретановые эластомеры обладают высокой износостойкостью, химической стойкостью и не подвергаются быстрому старению. Сфера применения эластомеров весьма разнообразна - от машиностроения до обувной промышленности, но все же значительная их доля идет на изготовление шин, потребность в которых с ростом потока автомобилей постоянно возрастает.

Синтетические ткани появились  во второй половине XX в., Одна из разновидностей синтетического материала - кевлар. Он в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для пошива пуленепробиваемых курток. Весьма оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды - в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань.

Капсулы содержат парафины. При нагревании они плавятся, отбирая  тепло, а при охлаждении затвердевают, выделяя тепло.

Производство многообразных  синтетических материалов с удивительными  свойствами свидетельствует о чрезвычайно  высоком уровне современных химических технологий.

Композиты или  сверхпрочные материалы

Новые волокнистые неорганические материалы из бора, карбида кремния, графита, оксида алюминия и т.п. стали  сочетать с органическими или металлическими. Композиционные материалы с волокнистой структурой обладают удивительной прочностью. С помощью каната толщиной 3 см из борсодержащих волокон можно буксировать полностью нагруженный четырехмоторный реактивный самолет. Графитовые волокна при 1500 °С прочнее стальных волокон при комнатной температуре. Волокнистые материалы из бора, графита и монокристаллического сапфира (А1203) используются преимущественно в космической технике.

При комбинировании поли- и  монокристаллических нитей с  полимерными матрицами (полиэфирами, фенольными и эпоксидными смолами) получаются материалы, которые по прочности не уступают стали, но легче ее в 4 - 5 раз. Благодаря введению металлических матриц из никеля, кобальта, железа, алюминия, хрома и их сплавов повышаются прочность, эластичность и вязкость композитов. Например, алюминий, усиленный боридным волокном, при температуре 500 °С имеет такую же прочность, как сталь при комнатной температуре. Композиционный материал из монокристаллических нитей с разнообразными матрицами имеет предел прочности на разрыв более 700 Н/мм2.

Материал будущего должен быть не только сверхпрочным, но и стойким  при длительном воздействии агрессивной  среды.

Материалы, содержащие редкие металлы

С их применением связаны  новые области промышленности, науки  и техники: гелиоэнергетика, инфракрасная оптика, оптоэлектроника, лазеры, компьютеры и т. п.

Приведем примеры практического  применения материалов, содержащих редкие металлы. Низколегированные стали, в состав которых входит всего 0,03 - 0,07 % ниобия и 0,01 - 0,1 % ванадия, позволяют  на 30 - 40 % снизить массу металлических  конструкций мостов и многоэтажных зданий, газо- и нефтепроводов, бурильного оборудования и т.п. При этом срок службы конструкций увеличивается  в 2 - 3 раза. Сверхпроводящие материалы  на основе ниобия используются в поездах  на воздушной подушке, развивающих  скорость 577 км/ч. В современном легковом автомобиле многие детали выполнены  из стали с ниобием и ванадием, медно-берилловых сплавов и сплавов  с цирконием и иттрием, что  позволило уменьшить массу автомобиля примерно в 1,5 раза. Разрабатываются  электромобили с литиевыми аккумуляторами, на водородном топливе с нитридом лантана и др. Производятся топливные  элементы на основе оксидов циркония и иттрия, с КПД до 65%. С применением  осветительных ламп с люминофорами, содержащими иттрий, европий, тербий, церий, расход электроэнергии на освещение  снижается в 2 - 3 раза. Арсенид галлия используется в производстве фотоэлементов, интегральных схем и т.п. Применение редкоземельных материалов при крекинге нефти позволяет снизить потребление  дорогостоящей платины и увеличить  на 15% выход высокооктанового бензина. Иттрий способен резко увеличить  электропроводность алюминиевого провода  и прочность новых керамических конструкционных материалов. Совсем недавно обнаружилось необычное  свойство редкоземельных металлов - при  их внесении в почву на 5 - 10% повышается урожай сельскохозяйственных культур: риса, пшеницы, кукурузы, сахарного  тростника, хлопка, фруктов и др. Потребление редких металлов быстро растет. Например, в Японии за период 1960-1985 гг. оно возросло в 10 - 25 раз.