Магнетизм и биология: практика и перспективы. Иглотерапия

Магнитомягкие материалы используются при изготовлении игл, которыми специалисты по иглоукалыванию лечат больных. В соответствии с представлениями восточной медицины, иглы помещаются в биологически активные точки на теле человека с тем, чтобы восстановить или выровнять энергетические потенциалы этих точек, и, тем самым, способствовать выздоровлению больного.

Известно, что магнитомягкие материалы являются концентраторами магнитного потока. Возможно, что в данном случае магнитные иглы выступают в роли проводников “биологической” энергии.

Красные кровяные тельца и магнитная память

Клетки крови под микроскопом.
Одним из интересных свойств крови человека и животных является тот факт, что магнитные кластеры крови с содержащимися в них атомами железа - имеют строго определенные размеры, отклонения от которых ничтожны. Это свойство магнитных частиц крови может представлять интерес для разработчиков магнитной памяти. Как известно, проблема получения сверхмалых носителей магнитной информации одинакового размера является одной из наиболее трудноразрешимых. Разработка технологии выделения магнитных кластеров крови и осаждения их последующей полимеризацией на подложку с возможностью последующего намагничивания-размагничивания могла бы совершить революцию в совершенствовании магнитной памяти.

Кластеры атомов редких газов и молекулярные кластеры

Есть несколько разных типов наночастиц. Кроме атомов металлов и полупроводников, наночастицы могут состоять и из атомов благородных газов, таких как криптон и ксенон, и из молекул, например, воды. Кластеры ксенона получаются адиабатическим расширением сверхзвуковой струи газа через тонкий капилляр в вакуум. Газ затем собирается в масс-спектрометр, где после ионизации электронным пучком измеряется отношение заряда к массе частиц. Как и в случае металлов, существуют магические числа, означающие что кластеры, состоящие из определенного количества атомов, более стабильны, чем другие. Наиболее стабильные кластеры ксенона состоят из 13, 19, 25,55,71,87и 147 атомов. Для кластеров аргона характерен тот же набор структурных магических чисел. Так как у атомов инертных газов электронные оболочки заполнены, их магические числа — это структурные магические числа. Силы, связывающие атомы инертных газов в кластере, слабее, чем в металле или полупроводнике. Хотя электронные оболочки атомов инертных газов заполнены, из-за движения электронов около атомов они могут иметь ненулевое мгновенное значение дипольного момента Р₁. Электрический дипольный момент появляется, когда положительный и отрицательный заряды удалены на некоторое расстояние друг от друга. Такой диполь создает электрическое поле напряженностью 2P₁ / R₃в другом атоме, находящемся на расстоянии R от первого. В свою очередь, это индуцирует дипольный момент Р₂ во втором атоме, равный 2aP₁ / R₃, где aназывается электронной поляризуемостью. Таким образом, два атома инертного газа создают притягивающий их друг к другу потенциал

Этот потенциал известен как потенциал Ван дер Ваальса и применим на относительно больших расстояниях между атомами. При тесном сближении двух атомов возникает отталкивание между перекрывающимися электронными облаками. Экспериментально показано, что этот потенциал имеет вид B/R^t². Таким образом, полный потенциал взаимодействия двух атомов инертных газов имеет вид

Этот потенциал, известный как потенциал Леннарда-Джонса, используется при вычислении структуры кластеров инертных газов. Сила взаимодействия, вызываемая этим потенциалом, равна нулю на равновесном расстоянии R_min = (2Д/С)^|/6. На большем расстоянии она притягивает атомы, на меньшем — отталкивает. Обобщая вышесказанное, заметим, что эта сила слабее сил, связывающих в кластеры атомы металлов и полупроводников.

Кластеры атомов ⁴Не и ³Не, образующиеся при свободном сверхзвуковом расширении струи газообразного гелия, изучались масс-спектрометрией, в результате чего были обнаружены магические числа при размерах кластера N= 7, 10, 14, 23,30 для ⁴Не и N = 7, 10, 14, 21, 30 для ³Не. Одно из наиболее необычных свойств, демонстрируемых кластерами, — это сверхтекучесть кластеров гелия из 64 и 128 атомов. Сверхтекучесть имеет место вследствие разного поведения атомных частиц с полуцелым спином, называемых фермионами, и частиц с целым спином, называемых бозонами. Разница между ними заключается в правилах, по которым эти частицы распределяются по энергетическим уровням системы. Фермионы, например, электроны могут находиться на одном уровне в количестве не более двух, причем их спины при этом направлены противоположно друг другу. Бозоны, напротив, не имеют таких ограничений.

Рис. 16.1. Иллюстрация того, как бозоны и фермионы распределяются по энергетичеcким уровням при низких и высоких температурах

Это означает, что при понижении температуры, когда частицы стремятся занять уровни все с меньшей и меньшей энергией, все бозоны могут оказаться на нижнем энергетическом уровне, в то время как фермионы попарно занимают уровни снизу вверх. Иллюстрацию к вышесказанному можно увидеть на рис. 16.1. Ситуация, когда все бозоны находятся на нижнем уровне системы называется Бозе-конденсацией. При этом длина волны каждого бозона точно такая же, как и у любого другого, и все эти волны находятся в фазе. Когда происходит конденсация бозонов в жидком гелии-4 при температуре 2,2 К (λ-точка), гелий становится сверхтекучим, то есть его вязкость падает до нуля. При пропускании нормальной жидкости по длинной тонкой трубке она движется медленно из-за трения о стенки, а увеличение давления на одном конце трубки приводит к увеличению скорости потока. В сверхтекучем состоянии жидкость быстро движется по трубке, причем увеличение давления на одном конце трубки не увеличивает скорости жидкости в ней. Переход в сверхтекучее состояние при 2,2 К сопровождается расходимостью удельной теплоемкости и известен как лямбда-переход. Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для нагрева одного грамма вещества на один градус. На рис. 16.2 показан график температурной зависимости удельной теплоемкости объемного жидкого гелия и для жидкости, состоящей из кластеров, содержащих 64 атома гелия. Из рисунка видно, что кластеризованный гелий становится сверхтекучим при меньшей температуре, чем обычная жидкость ⁴Не.

Некоторые молекулы тоже могут образовывать кластеры. Один из наиболее распространенных примеров такой среды — кластеризованная вода. С начала 70-х годов, то есть задолго до появления слова наночастица, было известно, что вода состоит не из изолированных молекул Н2О. Было показано, что широкий рамановский спектр растянутой О—Н связи в молекуле воды в жидкой фазе на частотах 3200 — 3600 см ^-1 состоит из множества перекрывающихся пиков, как от изолированных молекул воды, так и от молекул, связанных в кластеры посредством водородных связей. Атом водорода одной молекулы образует связь с атомом кислорода другой. На рис. 16.3 показана структура одного из таких водных кластеров. При нормальных условиях 80% молекул воды связано в кластеры, а при повышении температуры эти кластеры диссоциируют на отдельные молекулы. В комплексе, показанном на рисунке, атом водорода удален от двух атомов кислорода, связанных с ним, на разные расстояния. Интересно предсказание, что при давлении в ударной волне 9 ГПа может существовать новая форма воды, называемая водой с симметричными водородными связями, в которой атом водорода равноудален от двух атомов кислорода, т.е. связи гибридизируются. Возможно, что свойства такой воды будут отличаться от свойств обычной воды. Известны и другие примеры молекулярных кластеров, такие как (NH₃)_n⁺ (СО₂)₄₄ и (С₄Н₈)₃₀.

Глава посвящена рассмотрению разнообразных наноструктур углерода. Этот материал выделен в отдельную главу из-за уникальной природы углеродной связи и ее важной роли в формировании органических молекул. Многообразная природа этой связи позволяет углероду образовывать одни из наиболее интересных наноструктур, а именно углеродные нанотрубки. Вероятно, потенциал использования углеродных нанотрубок превосходит потенциал любых других наноструктур, что также будет обсуждаться далее.

Для понимания природы углеродной связи необходимо рассмотреть электронную структуру атома углерода. В нем имеется шесть электронов, котрые в невозбужденном атоме находятся на низших энергетических уровнях. Когда атом углерода связан в молекуле с другими атомами, его электронная структура выглядит так: (Is)², (2s), (2р_х), (2р_у), (2р_z). На нижнем уровне Is с квантовым числом п = 1 находятся два электрона с противоположно направленными спинами. Распределение заряда электрона в s-состоянии сферически симметрично. Эти Is-электроны не принимают участия в образовании химических связей. Остальные четыре электрона находятся на уровнях с п = 2: один — на сферически симметричной s-орбитали, три — на р_х-,р_у- и р_z -орбиталях. Распределения заряда на р-орбиталях имеют сильно удлиненную в одном направлении форму и их оси взаимно перпендикулярны, как показано на рис. 17.1а. Внешняя s-орбиталь и три р-орбитали и формируют химические связи атома углерода с другими атомами. Распределения зарядов, связанных с этими орбиталями, смешиваются, или другими словами — перекрываются с распределениями зарядов каждого связанного с углеродом атома. В сущности можно рассматривать облако электронного заряда между двумя связанными атомами как клей, сцепляющий эти атомы. На основе таких упрощенных рассуждений молекула метана (СН₄) могла бы иметь вид, показанный на рис. 17.16, где все связи Н — С перпендикулярны друг другу. Однако в действительности структура молекулы метана не такая, а тетраэдрическая, с углами между углеродными связями, составляющими 109°28', как показано на рис. 17.1в. Этот факт объясняет концепция гибридизации. В атоме углерода разность энергий между 2s- и 2р- уровнями очень мала, что позволяет волновым функциям 2s- состояния смешиваться с одной или несколькими волновыми функциями 2p-состояния. Ненормализованная волновая функция Ψ валентного состояния может быть записана в виде:

где р означает смесь p_i орбиталей. При такой гибридизации направления лепестков р-орбиталей и утла между ними меняются. Углы зависят от относительного коэффициента смешивания λ p-состояний с s-состояниями. В таблице 17.1 определены три вида гибридизации и даны утлы между связями в разных случаях, составляющие 180°, 120° и 109°28'для линейной структуры ацетилена (Н—С=С—Н), планарной структуры этилена (Н₂С=СН₂) и тетраэдрической структуры метана (СН₄) соответственно. Обычно большинство углов между связями углерода в органических молекулах имеет именно эти значения. Например, угол углеродной связи в алмазе равен 109°, в фа-фите и бензоле — 120°.

Твердый углерод имеет две основные формы, называемые аллотропными модификациями, — алмаз и графит. Они стабильны при комнатной температуре. Алмаз состоит из атомов углерода, тетраэдрически связанных друг с другом посредством sp³-гибридизированных связей, образующих трехмерную сетку. У каждого атома углерода — четыре ближайших соседа. Графит имеет слоистую структуру, причем каждый слой образован шестиугольниками из атомов углерода, связанных посредством sр²-гибридизированной связи, угол между которыми составляет 120°. У каждого атома углерода есть три ближайших соседа в плоскости слоя. Эти гексагональные слои связаны друг с другом относительно слабыми силами Ван дер Ваальса, описанными в предыдущей главе.

До 1964 года считалось, что в углеводородах, то есть соединениях, содержащих только углерод и водород, невозможны никакие другие утлы связей, кроме трех, представленных выше. В 1964 году Фил Итон из Чикагского университета синтезировал квадратную молекулу С₈Н₈, представленную на рис. 17.2а, названную кубаном. В 1983 году Л. Палетт из университета Огайо синтезировал молекулу С₂оН₂о додекаэдрической формы, показанную на рис. 17.26, которая образована соединением пятиугольников из углерода с углами между С - С-связями, составляющими от 108° до 110°. Синтез этих углеводородных молекул с углами, отличными от стандартных углов гибридизации, перечисленных в Таблице 17.1, был важным шагом на пути создания углеродных наноструктур, также требующих различных углов между связями

Таблица 17.1. Типы spn-гибридизации, образующиеся углы между связями и примеры соответствующих молекул

Для получения кластеров углерода может быть использовано лазерное испарение углеродной подложки в потоке гелия с помощью установки Пучок электронейтральных кластеров фотоионизируется ультрафиолетовым лазером и анализируется масс-спектрометром. На рис. 17.3 показан типичный масс-спектр, полученный в подобном эксперименте. При количестве атомов N менее 30 образуются кластеры со всеми значениями N, хотя некоторые пики заметнее других. Вычисления структуры малых кластеров методом молекулярных орбиталей показывают, что такие кластеры имеют линейную или замкнутую неплоскую моноцикличную геометрию, показанную на рис. 17.4. Линейная структура с sp-гибридизацией наблюдается при нечетных значениях N, циклическая — при четных. Открытые структуры из 3, 11, 15, 19 и 23 атомов со стандартными углами наиболее заметны на спектре и, следовательно, более стабильны. Замкнутые структуры имеют углы между углеродными связями, отличающиеся от предсказаний обычной теории гибридизации. Отметим очень высокий пик на масс-спектре на рис. 17.3 при размере кластера N= 60. Объяснение этого пика и структуры соответствующей молекулы принесло Нобелевскую премию.

Открытие молекулы, похожей на футбольный мяч и состоящей из 60 атомов углерода, явилось в некоторой степени случайным результатом исследований природы материи в межзвездном пространстве. Они были посвящены изучению поглощения света межзвездной пылью, т.е. малыми частицами вещества, находящимися в межзвездном и межгалактическом пространстве. При прохождении света удаленной звезды через космическое пространство его интенсивность уменьшается. Это явление называется оптическим поглощением и происходит вследствие поглощения и рассеяния света на межзвездной пыли, находящейся на пути распространения света от звезды к Земле. Ученые изучают это поглощение, измеряя интенсивность приходящего от звезд света на разных длинах волн, то есть разных цветов. В результате проведения подобных исследований выяснилось, что в ультрафиолетовом диапазоне поглощение увеличивается при длинах волн около 220 нм (что соответствует энергии квантов 5,6 эВ). Это поглощение приписывалось рассеянию света на гипотетических малых частицах графита, находящихся в межзвездной среде. На рис. 17.5 показан график интенсивности поглощения света от энергии фотонов. Это объяснение оптического поглощения в области 220 нм среди астрономов считалось общепринятым.

Дональд Хаффман из Университета Аризоны и Вольфганг Кратчмер из Института Ядерной Физики имени Макса Планка в Гейдельберге не были удовлетворены этим объяснением и решили продолжить изучение вопроса. С помощью электрической дуги между двумя графитовыми электродами в атмосфере гелия они создали мельчайшие частицы сажи и осадили их на пластинку из кварцевого стекла. Для исследования осажденного графита применялись различные методики, такие как инфракрасная и рамановская спектроскопия, которые способны измерять колебательные частоты молекул. Они действительно обнаружили известные спектральные линии графита, но также и четыре дополнительные линии в ИК-диапазоне, происхождение которых не связано с графитом, что казалось очень странным.

Хотя похожую на футбольный мяч молекулу из 60 атомов углерода с химической формулой С₆₀ химики-теоретики и предсказывали уже много лет назад, никаких доказательств ее существования обнаружено не было. Многие свойства этой молекулы были вычислены теоретиками, в том числе предсказан и вид инфракрасного спектра поглощения. К удивлению Хаффмана и Кратчмера, четыре наблюдаемых полосы поглощения осажденного «графитового» вещества хорошо соответствовали предсказанным для молекулы С₆₀. Может ли поглощение света звезд в ультрафиолетовом диапазоне вызываться молекулами С₆₀? Для дальнейшего подтверждения ученые исследовали ИК-спектр поглощения частиц, образованных в дуге на электродах из изотопа ¹³С, составляющего 1% природного углерода, и сравнили его с первоначально полученным спектром частиц обычного ¹²С углерода. Хорошо известно, что такое изменение изотопа приведет к сдвигу ИК спектра на квадратный корень из отношения масс, что в данном случае составляет

т.е. сдвиг должен составить 4.1%.Это в точности соответствовало данным, полученным при выполнении эксперимента. Таким образом, исследователи получили надежное доказательство существования новой, интригующей воображение молекулы, состоящей из 60 атомов углерода, связанных в форме сферы. Для подтверждения этого вывода были использованы и другие экспериментальные методы, такие как масс-спектроскопия, и результаты были опубликованы в журнале Nature в 1990 году.

К открытию молекулы С₆₀ приближались и другие группы исследователей, используя разные методы. По иронии судьбы эти исследования также были связаны с космологическими проблемами. Харольд Крото, химик из Университета Суссекса в Англии, был членом коллектива, изучавшего длинные линейные углеродные молекулы, такие как показаны на рис. 17.4, в космическом пространстве. Его интересовало происхождение таких молекул, и он предположил, что они образуются во внешних атмосферах звезд, называемых красными гигантами. Для проверки этой гипотезы он хотел воссоздать условия во внешних частях атмосферы звезды в лабораторных условиях с целью установления возможности образования в ней линейных углеродных цепочек. Он знал, что лазерные импульсы высокой энергии могут имитировать условия, в которых могут находиться горячие пары углерода во внешних слоях красных гигантов. X. Крото связался с профессором Ричардом Смолли из Райсовского Университета (Rice University) в Хьюстоне, который собрал установку, для получения малых кластеров атомов при помощи высокоэнергетичных лазерных импульсов. В этом эксперименте графитовый диск разогревался лазерным лучом высокой интенсивности, что приводило к испарению углерода. Поток газообразного гелия подхватывал эти пары и уносил их из камеры через небольшое отверстие. Расширение газа охлаждало пары, и они конденсировались в виде малоатомных кластеров. Этот охлажденный поток кластеров затем сужался коллиматором и направлялся в масс-спектрометр — прибор, предназначенный для измерения массы молекул или кластеров. Выполнение этого эксперимента с графитовым диском привело к неожиданным результатам: масс-спектрометр зарегистрировал частицы с массовым числом 720, то есть частицы, состоящие из 60 атомов углерода с массой 12 атомных единиц каждый. Было найдено доказательство существования молекулы С₆₀! Хотя данные этого эксперимента не дают информации о структуре углеродного кластера, авторы предположили, что молекула может быть сферической и построили ее геодезическую модель.

Молекула С₆₀ была названа фуллереном по имени архитектора и изобретателя Р. Бакминстера Фуллера, сконструировавшего геодезический свод, напоминающий структуру С₆₀. Первоначально молекулу назвали бакминстерфуллереном, но это название несколько неудобно, так что оно было сокращено до фуллере на. Схема молекулы показана на рис. 17.6. Она имеет 12 пентагональных (пятиугольных) и 20 гексагональных (шестиугольных) симметрично расположенных граней, образующих форму, близкую к шару. На самом деле, геометрия молекулы фуллерена ближе к форме футбольного мяча, также состоящего из пяти и шестигранных фасеток. Эти шарообразные молекулы могут соединяться друг с другом в твердом теле с образованием гранецентрированной (ГЦК) кристаллической решетки, показанной на рис. 17.7. Расстояние между центрами ближайших молекул в гранецентрированной решетке, удерживаемых слабыми Ван дер Ваальсовыми силами, составляет около 1 нм. Поскольку С₆₀ растворим в бензоле, его монокристалл можно вырастить при медленном выпаривании раствора С₆₀ в бензоле.

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: