10 тайн химии, которые ставят в тупик учёных

Как область науки химия существует столько, сколько мы себя помним. Раньше алхимики изучали химический состав материалов, чтобы понять их свойства, которые затем можно было бы использовать с различными целями в реальном мире. По сути это то же самое, чем сегодня занимаются лабораторные химики, только с помощью современных инструментов и методов.

Как дисциплина химия по сути своей загадочна, поскольку она имеет дело не только с химическим аспектом, но и с физическим. Хотя она используется во многих областях, таких как медицина, нанотехнологии, исследования космоса и т.д., сама по себе химия остается областью, полной нерешенных загадок и вопросов, на которые нет ответов.

10. Катализаторы

Катализаторы – это вещества, которые могут ускорять определенные химические реакции и при этом не изменяются сами по себе. Они используются почти во всех областях, с которыми мы сталкиваемся каждый день – от производства пива до строительства домов и повседневной кулинарии. Например, дрожжи использовали для ускорения процесса выпечки еще со времен Древнего Египта.
Хотя катализаторы – неотъемлемая часть жизни, ученые до сих пор не знают, как они работают. Они используют суперкомпьютеры для моделирования всех физических, математических и химических процессов, необходимых для создания эффективного катализатора для конкретной реакции, и обычно получают тысячи возможных комбинаций. Это, скорее, метод проб и ошибок, так как знаний о них недостаточно, чтобы создавать по запросу.

9. Железная колонна в Дели

На первый взгляд, в железной колонне Дели нет ничего поразительного. Входящая в состав ансамбля Кутб-Минара, она имеет довольно посредственную высоту – около 7 метров. И это не самый красивый железный столб в Дели.
Однако для химиков это одна из самых давних загадок в области их исследований. Хотя колонна, судя по имеющимся на ней надписям, была построена в 4-м или 5-м веке нашей эры, ему каким-то образом удалось избежать ржавчины. Многие исследователи пытались определить химический состав, благодаря которому коррозия обходит столб стороной, но безуспешно.

8. Что именно происходит внутри атома?

Впервые атом был открыт около двух веков назад, и с тех пор многие выдающиеся ученые на протяжении многих лет пытаются внести свой вклад в наше понимание всего, что с ним связано. Благодаря их усилиям мы знаем о его общей структуре. Все атомы состоят из практически пустой внешней оболочки, в которой есть электроны, и плотно упакованного ядра с протонами и нейтронами.
Это самая загадочная его часть, поскольку до сих пор остается много вопросов о том, как протоны и нейтроны ведут себя внутри ядра. Эксперименты показали, что протоны и нейтроны в элементах с более тяжелым ядром кажутся больше, чем в легких атомах, однако это невозможно, поскольку все протоны имеют одинаковый размер. Исследователи назвали это эффектом Европейского мюонного сотрудничества, и мы до сих пор не знаем, является ли это просто ошибкой в измерениях или совершенно новым субатомным феноменом, который ученые просто еще не обнаружили.

7. Сверхпроводники

Сверхпроводимость – самое странное явление из когда-либо открытых. Все материалы обладают определенным сопротивлением электричеству, которое сохраняется даже при охлаждении до очень низких температур. Это означает, что все наши электрические устройства расходуют часть энергии в виде тепла, и мы мало что можем сделать, чтобы это остановить.
Более 100 лет назад ученый Хейке Камерлинг-Оннес первым обнаружил сверхпроводимость. Он выяснил, что некоторые материалы теряют все свое сопротивление электричеству при охлаждении ниже критических температур. С тех пор было обнаружено много новых сверхпроводников с широким спектром применения в различных отраслях промышленности.
Однако их использование остается ограниченным, поскольку ученые все еще пытаются понять это явление. Сверхпроводящие материалы ведут себя совершенно по-разному в разных условиях, демонстрируя свойства, которые никогда не наблюдались в других случаях. Лучшее предположение на данный момент состоит в том, что сверхпроводимость имеет какое-то отношение к квантовой механике, поскольку ее нельзя объяснить существующими моделями физики и химии.

6. Стекло

Стекло – это один из наиболее распространенных типов материалов, который используется в различных областях. Оно существует уже давно. Записи, подробно описывающие процесс производства промышленного стекла, восходят еще к Древнему Риму.
Однако со структурной точки зрения он бросает вызов науке, поскольку его химический состав не похож ни на один другой известный нам материал. Хотя большинство из нас считает стекло твердым, на самом деле все намного сложнее. С внешней стороны стекло, как и любой материал с кристаллической структурой, твердое, с типичными свойствами и статичной формой. Однако изнутри его молекулы неупорядочены, как молекулы жидкости, из-за чего его истинное состояние находится где-то между твердым телом и жидкостью. Мы не знаем ни одного другого вещества – искусственного или естественного происхождения – которое проявляло бы аналогичные свойства, делающие стекло одним из самых загадочных материалов, используемых каждый день.

5. Турбулентность

Что такое турбулентность? Говоря научным языком, это явление, когда жидкости и газы переходят в хаотическое, неорганизованное состояние. Подумайте о морской воде, стремительно текущей вокруг камней, или о быстром кружении кофе в кружке, когда вы добавляете в него молоко.
Однако это явление не так легко понять, поскольку до сих пор нет четкого, общепринятого определения того, что такое турбулентность на самом деле. Во время турбулентного потока молекулы движутся таким образом, который невозможно предсказать с помощью существующих в настоящий момент моделей, хотя многие ученые пытались решить эту проблему разными способами.
Это связано со сложностями выражения движения жидкостей в уравнениях и известных математических терминах. Однако, если хотите испытать свои силы, можете попробовать решить уравнение Навье-Стокса, которое является первым шагом к формулировке рабочего уравнения для объяснения турбулентности. Это одна из семи задач, объявленных институтом Клэя «проблемами тысячелетия»; она может принести вознаграждение в 1 000 000 долларов тому, кто сможет ее решить.

4. Прионы

Прионы были впервые обнаружены в 1980-х годах как новая категория возбудителей болезней, хотя они не были похожи ни на что, что мы видели раньше. Они не являются патогенами в привычном нам смысле. Это белки с искаженной структурой, которые в изобилии обнаруживаются в нашем собственном мозгу, но они столь же опасны, как и большинство известных нам вирусов. Они определенно заразны, поскольку могут вступать в контакт с нормальными белками и вызывать изменения в их строении, в конечном итоге формируя огромное количество неправильно свёрнутых молекул, которые могут негативно повлиять на мозг.
Спустя более трех десятилетий мы все еще не приблизились к разгадке их тайны, не говоря уже о том, чтобы найти лекарство от них. Мы до сих пор не имеем представления о конкретном химическом составе, из-за которого прионы ведут себя как обычные белки, но при этом неправильно сложены. Если не остановить их распространение, они могут вызывать серьезные заболевания, такие как коровье бешенство и куру, которые влияют на мозг аналогично нейродегенеративным расстройствам, таким как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

3. Эффект Мпембы

Эффект Мпембы – или феномен, при котором горячая вода замерзает быстрее, чем холодная – долгое время очаровывал мыслителей и ученых, а исторические упоминания о нем восходят к Аристотелю. Это наблюдается только в воде – самом распространенном веществе на Земле – хотя до сих пор мы не знаем, как это работает.
Хотя многие исследователи независимо друг от друга изучали это явление на протяжении веков, названо оно в честь Эрасто Мпембы – старшеклассника из Танзании, который заметил его во время случайного эксперимента в 1963 году. Он с помощью профессора физики, доктора Осборна, написал статью, в которой подробно описал этот эффект. С тех пор было предложено множество теорий, объясняющих это явление, но без особого успеха.

2. РНК

Хотя РНК была открыта всего через несколько десятилетий после открытия ее более популярной родственницы, ДНК, то есть уже более века назад, мы знаем о ней, на удивление, мало. Для непосвященных и РНК, и ДНК являются нуклеиновыми кислотами, ответственными за производство белков в наших клетках, которые образуют строительные блоки всех форм сложной жизни. ДНК содержит генетическую информацию, которая записывается в РНК – в частности, матричная РНК или мРНК, которая, в свою очередь, используется для кодирования белков.
С момента ее открытия было обнаружено еще много типов РНК, которые не имеют ничего общего с процедурой образования белков как в природе, так и в нашем собственном теле. Только 3% кода нашей ДНК преобразуется в информационную РНК. Около 80% приходится на другие типы, о которых мало что известно.
За прошедшие годы ученые обнаружили, что РНК может действовать как катализатор химических реакций внутри клетки, кодировать генетическую информацию и даже редактировать собственный генетический код, такой как ДНК. Более того, недавно они обнаружили совершенно новый тип РНК – микроРНК – которая может связываться с мРНК и изменять экспрессию наших генов без перекодирования белков, что ученые только начали изучать.

1. Как молекулы зародили жизнь?

Хотя невозможно определить жизнь и все ее сложности только с точки зрения химического состава ее основных частей, в конце концов, началась она именно с этого. На первых этапах зарождения жизни на Земле не было ничего, кроме химических реакций, поскольку атомы и молекулы беспорядочно взаимодействовали друг с другом и создавали первые органические вещества, такие как аминокислоты, простые сахара и т.д., которые теперь составляют наши клетки.
Как именно это произошло, остается одной из самых больших загадок эволюции. Самое основное, что мы знаем, это то, что уже существующая жизнь – необходимое условие для создания новых форм. И мы никогда не наблюдали природных явлению, противоречащих этому правилу. Несмотря на многократные попытки, ученым так и не удалось получить органические материалы из неорганических веществ в лаборатории. И тем не менее, каким-то образом самые древние живые клетки смогли появиться на свет. Хотя многие теории пытались объяснить это, это один из тех серьезных жизненных вопросов, на которые мы, вероятно, никогда не сможем ответить.