Scurta istorie a stiintei [PDF]

Zitiervorschau

A , ,

.�C

'frHV,

U"·EUG� TODOAAN­ TIMIşOARA

6'1'3 83

BIBLIOTECA CENTRALĂ UNIVERSITARĂ

IllMiiilal1 02282132

A BRIEF HISTORY OF SCIENCE Consultant Editor John Gribbin First published in 1998 by WEIDENFELD & NICOLSON LTD The O r io n Publishing Group, 5 Upper St. Martin's Lane, London WC2H 9EA Design copyright © The Ivy Press Limited 1998 Text copyright © The Ivy Press Limited 1998, 2007 except Energy and Motion © John Gribbin 1998,2007

SCURT A ISTORIE A ŞTIINŢEI

Copyright © 200S Editura ALL Educaţional

'I'r;ldlln're: Daniela Slavu

'1' .. ;\1< Planck a folt II .xpllc. culoar.a luminII in t.rm.nl d. mici pachet. d. cuante de .nerll •.

76

PART I C U L E D E LU M I NĂ rimul pas a fost făcut de fizicianul german Max Planck, chiar la sfârşitul secolului XIX. Ca mulţi dintre colegii săi, era intrigat de modul în care obiectele fierbinţi radiau lumina. Ştim cu toţii că un obiect cald radiază căldură, dar nu străluceşte, Însă un obiect mai fierbinte radiază căldură roşie, iar un obiect şi mai fierbinte radiază căldură albă şi aşa mai departe . În termeni de lungimi de undă, obiectele mai fierbinţi radiază mai multă lumină, cu lungimi de undă mai mici. D ar teoria clasică ( adică orice teorie de dinaintea celei cuantice; chiar şi teoria generalizată a relativităţii este o teorie clasică) spune că toată energia dintr-un obiect fierbinte ar trebui eliberată printr-o emisie de lumină cu lungime mică de undă, orice temperatură ar avea. Planck a descoperit că ar putea explica natura radiaţiei emise de un obiect (numită radiaţia corpului negru, deoarece este radiaţia obţinută prin încălzirea unui obiect perfect negru) dacă ar presupune că atomii din interiorul obiectului radiază lumină numai în pachete de anumite dimensiuni, pe care le-a numit cuante (un singur pachet este numit cuantă) . Lumina cu lungime de undă mică poartă o mare cantitate de energie În fiecare pachet, iar atomii individuali nu au destulă energie pentru a produce cuante atât de mari la temperaturi mai scăzute. Acest lucru explică de ce

P

nu pot, până la urmă, să elibereze toată energia În mod u l În ca re anticipează teoria clasică.

inc.putul .acolulul XX.

E NE R G I E

, 1"1

M I ŞC A R E :

FIZ I C A

Corearafllor nu 1. va plic•• mereu

'.est

lucru, dar IndivizII umani au liber

�rbltru. Suntem cu toţII liberi si racem ,re.ell, sau al ne urmlm proprIII.

Coregraful

doreşte ca să

PRINCIPIUL INCERTITUDINII

toate dansatoarele arate la fel.

U

caprlcll !n privinţa vestlmentaţle!. I Jnll

ŞI

flzlcl.nl cred cl llberui arbitru !"

are

rldiclnU. !n t.orla Inc.rtltudlnll,

na dintre cele m a l I mportante caracteristici ale lumII cuantelor este ,1 una dintre cele mal neÎnţel.se.

În anII 1920. W.rner Hel •• nb.rg

, n,lobatl ,I !n I.,U. mecanicII cuantic• .

a

formulat

principiul

Incerti­

tudinII. care .usţlne ci o entltat. cuantlcl (pr.cum un el.ctron) nu 1 " . Jtlte că n u este foarte

dentată, dar această . i. //lsatoare ştie foarte bine culoare doreşte să aibă j·./rul ei.

are o pozlţl. pr.clsl ,1 o vitezA

pr.clsl În acela,1 moment. La

1.

orlc.

.

-�-­

moment

dat. elec­

tronu l Însu,1 n u ",tie­

,;.� �; ""

exact

,1

este

,1

direcţie

unde

În

se

ce În­

dreaptA. Acest lucru a re le,lturl cu Ide•• du.lltlţll undl-p.rtlcull - evident. o undl nu existi "Într-un punct- În modul În car. poate exista o partlcull. Aceastl lncer­ tltudlne este Intrlns.el n.turll realltlţll cuantice. de fapt toatl mecanica cuan­ tlcl poate fi construiti din principiul IncertitudinII .1 lui Heisenbe rg. Din plc.t• • multe manuale. chiar de nivel universitar. susţin el Incertitudinea est.

un

rezultat al

IImltlrllor

noastre uman. ,1 el de fapt experlm.nt.le noastre nu pot face

mlsurltorl

destul

d.

precl.e . Nu este adevlratl lncertltudlnea este

o

caracterl.tlcl

r.all a lumII cuantic •• Iar acest lucru face lume. cuantlcl

.1

funcţlonez.

conform

lel"or

p robabllltlţll. Unii oameni n u poartă ceea ce l i se spune.

Ei îşi exercită liberul arbitru.

0.,1 poate nu vi plac• • va tr.bul si cr.d.ţl .

Oael lumea ar funcţiona În strlctl conformltat. cu legile lui N.wton . pr.cum rotiţ.l. unul c••••

atunci totul. pânl la ce. m.1 n.În •• mn.tl

Interacţiune Între doul particule • •r fi d.t.rmln.t

În .v.ns. Nu ar mal fi loc pentru IIb.rul .rbltru . Tocm.l lnc.rtltudlne. cu.ntlcl ne of.rl ,.n•• d. Coregraful

doreşte ca toate dansatoarele să arate la fel.

a n. conduc. proprIII. vl.ţl ,1 d • • lu. d.clzll. nu de a urma un plan pre.xl.t.nt.

77

" C U RT Ă I 5 T O R l E A ŞTI I N TE l

E F E C T U L FOTO ELE C T R I C

instein era intrigat d e ceva timp d e efectul fotoelectric, un proces în care energia provenită de la un fascicul de lumină proiectat pe o suprafaţă metalică eliberează electronii din metal. Multe

L I N I I LE CA R E S P U N T O T U L atu ra luminii radlate (sa u a bsorbite) de atomi depinde de legile fizicII cuantice. Studiul luminii radlate de citre atom i - spectroscopla - a ajutat la

experimente au arătat că pentru lumina de o anumită culoare - adică de o anume lungime de undă - toţi

înţelegerea acestor leii ale cuanticI I . Iar înţe lege rea leiilor cuanticii ajuti

e1ectronii eliberaţi în acest mod au aceeaşi energie, indiferent de puterea fasciculului. Aţi putea crede că, în cazul unui fascicul luminos mai slab, electronii ar avea mai puţină energie. Dar

deoarece fleca.re tip de atom (fiecare element) are propria ampre nti

au. Dacă fasciculul luminos este mai slab, sunt eliberaţi mai puţini electroni din metal, dar şi aceia au aceeaşi energie ca şi electronii produşi când fluxul de nu

lumină este mai puternic . Totuşi, energia electronilor eliberaţi de lumina albastră este întotdeauna mai mare decât energia electronilor eliberaţi de lumina roşie. Undele cu lungime mai mică sunt purtătoare ale unor cantităţi mai mici de energie. Explicaţia lui Einstein a fost că lumina chiar există sub forma unor mici particule, numite acum fotoni. TOţi fotonii din lumina albastră au o anumită energie. Un electron este eliberat dintr-un atom prin impactul cu un singur foton, astfel încât poartă Întotdeauna aceeaşi cantitate de energie. Dacă fasciculul este slab, pur şi simplu conţine mai puţini fotoni . Acelaşi lucru este adevărat despre lumina roşie, numai că fiecare foton de lumină roşie are mai puţină energie decât un foton de lumină albastră. Sugestia lui Einstein nu a fost primită favorabil în anul 1 905. Venea împotriva unui secol de dovezi,

fizicienII

ŞI

spectrali.

si

construlasci

fizicie n I I

pot

modele

folosi

m atematice

spectroscopla

ale

funcţlonirll

pentru

Millikan, un fizician american, a fost atât de deranj at de ideea lui Einstein, încât a petrecut zece ani încercând să demonstreze că Einstein a greşit, efectuând o serie de experimente cu acurateţe tot mai mare . El a reuşit numai să arate că, în mod uimitor, Einstein avusese absolută dreptate şi că fotonii - micile particule de lumină - chiar există. Datorită rezultatelor muncii sale, terminată în anul 1 9 1 5 , Einstein a primit premiul Nobel în anul 1 922; Millikan a primit �i el prem i u l în anul 1 92 3 .

78

stabi l i

com poziţia

materialelor. atât a celor studiate În laborator. cât ,1 a stelelor. Modul În care lu mina este emlsi sau absorblti de un atom depinde de modul În care e lectronll sunt aranJaţl În partea exterloarl a atom uluI. Acesta este un subiect complex. dar pentru scopurile noastre putem folosi mode l u l simplu dezvoltat de citre Nlels Bohr. În care e lectronll sunt conside raţi mici particule aflate În ml,care pe orblte În Jurul n ucleului atomulul.

SALTURI C UAN T I C E Când u n atom emite sau absoarbe lumini. o face prin pachete d e energie d e

o

anumiti d imensiune - fotonll. Absorbirea unul foton oferi unul electron enerlla de a trece de pe orbita sa din apropierea nucleului pe o orbiti mal Îndepirtati de nucleu. Când

,1

daci electronul trece Înapoi pe vechea sa orbiti. emite un foton

car. are ac•• a,1 energie: energia corespunzitoare spaţiului dintre orblte. Lucrul Important de reţinut este el nu existi

o

stare Intermediari. deoarece

electronul nu poate emite sau absorbi o fracţiune de foton . La început se afli pe

o

orbiti (sau pe un n ivel enerletlc). apoi pe altul. Instantaneu. Alt lucru Important este ci energia unul foton este În strânsi legituri cu lunllmea sa de undl. deci un

E F E CT U L F O T O E L E C T R I C

Energie din lumina

aparent convingătoare, că lumina se deplasează sub formă de unde, aşa cum sugera se la început Huygens, nu sub formă de particule, aşa cum sugerase Newton cam în aceeaşi perioadă. Robert

a

atom uluI.

Foaie de

emişi

sus A.car. foton dintr-un fuclcul d. lumini

.lIber.az1 un .I.ctron din fo,,", m.tallci. Deci flecar. fomn ar av.a mal multi .ne ...... fl.care .lectron ar av•• mal multi .ner.le. Dar. orl

cltl .n.r,l. ar av.a un foton• • lIber.az1 numai un .I.ctron din metal.

E N E R G i c ŞI M I Ş C A R E :

F I Z I CA

L I N I I LE S P E C T RA L E A L E L U I F RA U N H O F E R

U N D E E L E C T R O M AG N E T I C E

Descoperirile care au ficut c a spectroscopla s i devlni u n Instru­ ment atât de puternic au fost flcute de fizician ul german Josef von Frau n hofer În anul 18 14. EI e ra de fapt Interesat de proprletlţlle

st lclel ,1 a ficut experimente cu lumina care trece prin prlsme pentru a studia sticla. A folosit lumina Soarelui, care e ra considerati puri ,1 clari, dar, În eluda acestei concepţII, el a observat multe linII Întunecate În spectrul produs de fiecare prlsmi.

La sfâr,ltul anilor 1860, studierea spectrului luminII solare a pus În

evldenţi (împreuni cu un set de urme ale multor elemente cunoscute) un set de linII care nu corespundeau vre u n u l element cunoscut pe Plmânt. Astronomul britanic Norman Lockyer a spus ci trebuie si sus lumina

aparţlni unul nou element, pe care l-a botezat he llu, de la cuvântu l

alta formati din mici pacheta de ener,la

grecesc care denumea Soarele. Hell u l a fost În cele din urmi

numita fotonl, na"re a mls da un atom. Ca orlca tip da

Identificat ,1 pe Pimânt În anul 1895

lumini, lumlne albi a Soaralul poata n deacompual de o

foton cu

O

,1

s-a descoperit ci are exact

proprletiţlle necesare pentru a explica liniile solare .

prismA În culorlla curcubeului, de la ro,u. la violat - ,1 toata acalta culori sunt de fapt fatonl cu difarlta en_,,11.

energie precis determinati corespunde luminII cu l ungime

de undi sau culoare precis definite.

Întregul spectru vizibil al curcubeului conţine ro,u, apoi oranJ , gal ben, ve rde, albastru ,1 Indigo, apoi violet. Într-adevir, spectrul se extinde dincolo de limitele vizibile ,1 cit re lungimi mal mari de undi (dincolo de ro,u) ,1 citre lungimi mal mici de u ndi (dincolo de violet). Fiecare l u ngime de undi diferiti din spectru corespunde unei anumite energII emise de un atom În timp ce e lectronll sar de la o orbiti la alta, cizând pe un nivel energetic Inferior. Oael un atom emite lumini cu o anume lungime de undi, În spectru apare o linie strllucltoare , ROB ERT

M I L L I KA N

1 868- 1 953

Mllllkan a flcut miaurltorl

bine

definiti.

Oael

absoarbe lumini, apare o linie Întunecati. Deoarece

aranjarea

electronllor

din

atomi este diferiti În fiecare element,

extrem d. preei.. al.

modelul de linii flcute de electronul care

SUS

dimensiunII sarclnll

trece de la un nivel la altul este diferit la

enar,la. lumina albi alta un amaltac da dlfarlta tipuri da fotonl cu diferita

electronulul. a demonstrat ci teoria fotonllor a lui Elnstaln este coractl (da,1 nu asta Inten�lona) ,1 a determinat valoare. constantei lui Planck.

fiecare element. Acesta este

motivul

pentru care astronomll pot privi lumina unei

ste le

Îndepirtate ,

ÎI

pot

Obţlnam culori daoareca nacara tip da atom amlta fotonl de o anumiti

ener,lI. Dar dupl trecaraa luminII albe printr-o prlsmi, toata culorlla pe care 1. conl l n . pot fi

••parate Într-un

.pectru. un curcubeu d. culori. Oeoarec.

culoaraa sa comporti ca un fal da atlchetl de Identltata pantru atomII din

crea

suraa orliinell da l umin i , ne putam da .eama din ce fal da atomi este alcitultl

spectrul folosind o prlsmi ,1 pot afla din

suraa da lumini - daci este o lumini alactrlel sau o ataa indaplrtatl. Ace ..ta

ce elemente este aleltultl steaua.

eate baza ,tlln�al numite spectroscopla.

79

" C U R

TĂ I5

T O R 1E

A ŞT I I N TE l

D UA L I TAT EA U N DĂ- PA R T I C U LĂ

P

�1I ;1

ână când Einstein a primit premiul Nobel, a devenit clar că, deşi lumina se poate deplas a

b formă de undă, e a interacţionează - sau

i unge la destinaţie - c a particul ă , Are şi

p roprietăţile undelor şi ale particulelor. Mai mult, e x perimentele cu electroni au arătat în curând că, deşi fuseseră consideraţi particule, ei interferează u nii c u ceilalţi în experimente echivalente cu l' xperimentul cu două fante al lui Young. Deci şi l' l ectronii au proprietăţi de particule şi de unde la li n

loc. La sfârşitul anilor 1 920, această idee a

d ualităţii undă-particulă devenise baza unei teorii complete a lumii subatomice şi atomice, teorie denumită fizică cuantic ă . Arhitectul-şef al teoriei, s u b forma î n care a fost l' xplicată de obicei de atunci, a fost fizicianul danez

N I ELS B O H R 1 885 - 1 962

Foarte pralmatlc.

Bohr n.

a-a

preoc.pat prea m.1t privi nd semnlflca�1a teoriei cll&ntlce. citi vreme putea Ilsi le,lIe care o ficeau oi funcţioneze - În oenoul de a anticipa lucrurile care puteau fi _te prin IIXpenmente.

Niels Bohr. Această versiune a teoriei este adesea

a a dezvoitat primul moclel

denumită " interpretarea din Copenhaga " a fizicii

cuantic de luce•• al atomuluL

cuantice, în onoarea lui Bohr, deşi interpretarea avea ca sursă munca austriac ului Erwin Schr6dinger, a germanilor Werner Heisenberg şi Max Bom şi a

în particulă când aţi încerca să-i determinaţi

englezului Paul Dirac. Ea evidenţiază cu certitudine

poziţia prin măsurare. Dar imediat ce încetaţi să o

ciudăţeniile lumii cuantice şi, chiar dacă pare greu de

studiaţi, particula începe din no u să se propage

acceptat, ca şi teoria generalizată a relativităţii, a

sub formă de undă .

trecut toate testele experimentale.

PART I C U LELE CAR E SE D I Z O LVĂ

I

Ideea că lumea este condusă de probabilităţi l-a

entitate cuantlel. ar dllpirea dintr-un loc ,1 ar reaplrea

cuantică, la formarea căreia ajuta se, şi să spună

vreun timp ca oi faci laltul.

cuantice, ca fotonii şi electronii, interacţionează

toate experimentele au arătat c ă probabilităţile

confo rm legilor probabilităţilor şi există numai

chiar guvernează lumea cuantică . Din fericire,

sub forma a ceea ce am considera ca fiind particule

totuşi, la fel cum teoria relativităţii se reduce la legile lui Newton în cazul vitezelor reduse, la fel şi teoria cuantică se reduce la legile lui Newton pentru toate

este să considerăm un foton sau un electron supus

corpurile mult mai mari decât atomii. Acesta este

familiarului experiment cu două fante . În lumea

motivul pentru care corpurile precum bilele de

cotidiană, ne-am aştepta ca " particula " să treacă

biliard sunt obiecte solide care rămân Într-un singur

prin una dintre fante. Dar, conform interpretării

loc şi nu se dizolvă în unde de probabilitate atunci

din Copenhaga, o " undă de probabilitate " asociată

când vă întoarceţi cu spatele la ele.

cu entitatea cuantică trece simultan prin ambele

Mulţi fizicieni consideră că acest set de idei este

fante şi interferează cu ea însăşi. Rezultatul aului medicament pe ecranul computerului. Cei

face toate acestea fără să pună piciorul într - un

care .de••• explodau. Acum.

' ' ' li savanţi au o scurtă conversaţie pe chat folosind

laborator tradiţional, să atingă vreo eprubetă sau

experimentele chimice cel. mal

( , c onexiune video. Când conversaţia se apropie

să mai poarte vreodată halat alb.

de l'

s

fârşit, chimistul nostru execută dublu-clic pe

JOS

Ştllnta chimiei a

parcurs un

drum luni din zilele În care tehnicienII În halate albe s. Jucau Î n laboratoare cu retort. pIIne d. lichida mlsterloas•• din car. I.,eau aburi ,1 bule - ratort.

avansate sunt dirijate dintr-o lume virtuali. d. pe computer.

i ctograma unei mici retorte din partea din stânga

' I lS

a ecranului. Pe cealaltă parte a continentului,

I l l tr-o fabrică subterană, braţul unui robot devine , h :tiv şi începe să a mestece ingredientele. Science fiction ? Poate, însă în relativ puţinii ani , i e când am început să manipulăm substanţele,

, unoştinţele noastre despre arhitectura moleculară ,I U l

parcurs un drum lung. Principala funqie a

himiei va fi întotdeauna crearea în recipiente de

reacţie a unor substanţe de anumite tipuri, pe care l e putem folosi ca medicamente, ca materiale, în

, l gricultură şi chiar - paradoxal pentru unii I 'entru

a

vindeca boli ale mediului . Dar modul în

, Jre descoperim n oi compuşi, cum îi manipulăm şi l um Ie

t

îi sintetizăm va urma noi trasee pe măsură ce

h n ologia se va extinde şi se va dezvolta .

Nu va dura pre a mult până când chimiştii vor Ibţine cu riscuri minine compuşii necesari stilului

, l e viaţă cu care ne-am obişnuit, fără deşeuri din -;olvenţi şi cu eficienţa atomică de 100 la sută.

1 1 7

' , C U R T Ă I 5 T O R l E A Ş TI I N T E l

ÎNCERCARE ŞI EROARE himia nu este un domeniu nou. Oamenii din antichitate chimice : experimente făceau extrăgeau zăcăminte din pământ

C

Antici vada• • ubetanţala lumII ca fiind alcitulte din patru ala manta dlfarlta - plmlnt • •• r.

foc ,1 apl. Acaaatl ldaa a calor

legat

de

transformarea

plumbului în

aur.

Dintr-un motiv cunoscut numai de el, a adunat 5 0-60 de găleţi de urină şi le-a păstrat până când

au început să putrezească. Apoi a fiert urina timp

pentru a-şi construi unelte şi arme,

de vreo două săptămâni, reducând-o la o pastă

fermentau materii vegetale pentru a

pe care apoi a încălzit-o cu nisip. Nu este sigur că

obţine alcool - ce-i drept, era vorba

ştia ce face, dar amestecul rezultat conţinea

mai mult despre biotehnologie decât despre chimie - şi au încercat

fosfor elementar.

să înţeleagă comportarea substan­

o ABOR DARE ŞTIINŢIFICĂ

ţelor pe care le foloseau. Cele patru

E când scopul obţinerii aurului şi al atingerii

elemente

' li s Fllo.oful ArlRotel din Gracla

de strălucitor în cursul unui experiment bizar,

aristotelice

clasice

poca modernă a chimiei a început cu adevărat

pământ, aer, foc şi apă - le serveau

nemuririi au făcut loc unei abordări mai raţionale,

drept bază accepta bilă pentru a

implicând experimente proiectate cu grij ă, în

clasifica materialele din jur, iar

scopul de a testa teoriile despre natura materiei.

filosofului Democrit din Grecia

Odată c u această tranziţie, chimia a ieşit din

Antică i-a venit ideea atomilor

miasmele

pentru a explica din ce erau alcătuite lucrurile.

ale

medievale

misticismului

şi

superstiţiilor şi a devenit o ştiinţă adevărată.

Un fel de ştiinţă, îmbibată de superstiţii, a izvorât

Savantul anglo-irlandez Robert Boyle a început

din aceste vechi idei de bază: alchimia. Ea avea

acest proces barbotând aer prin variatele piese de demonstrat că aerul era

nişte ţeluri mai degrabă dubioase. Cel mai cunoscut

aparatură până când

da aproapa doul mII da ani

dintre ele era încercarea de a transforma o substanţă

alcătuit din mici particule sau, aşa cum le numea

,1 a format baza concapţlel

în alta printr-un soi de transmutare, cele mai multe

el, corpusculi. În cartea sa de succes, The Skeptical

alchlmlft"or a.upra

eforturi fiind îndreptate spre obţinerea aurului din

p.tru ela menta • per.IRat timp

lumII matarlala.

Chymist (Chimistul Sceptic) , din anul 1 6 6 1 , Boyle

metale de bază, ca plumbul. Alchimiştii chiar

a atacat concepţia Greciei Antice a lumii formate

credeau în posibilitatea nemuririi: dacă descopereau

din cele p atru elemente . El a sugerat că diferitele

coctailul chimic potrivit, corpul uman ar fi putut

substanţe nu erau alcătuite din aceste elemente

fi păstrat intact şi în viaţă pentru totdeauna.

clasice, ci din diferite particule primare, care formau

Alchimiştilor nu le lipseau " demonstraţiile "

corpusculii, pe care acum îi numim molecule.

unor asemenea posibilităţi. Aveau la îndemână, de

Boyle şi-a dus ideea numai până la jumătatea

exemplu, existenţa variatelor substanţe care puteau

drumului care ducea la concluzia necesară - era

fumega şi se puteau aprinde spontan . Ulterior, s-a

abia secolul XVII, iar echipamentul analitic mai

descoperit că multe dintre acestea erau compuşi ai

avea cale lungă înainte de a fi capabil să dezvăluie

fosforului . Mai era argintul viu - mercurul lichid

adevărul despre corpusculi şi particulele primare.

- un indiciu evident al evenimentelor misterioase

De asemenea, el nu a reuşit să înţeleagă adevărata

ale lumii din j urul nostru. Numeroase alte feno­

natură a elementelor; această descoperire a trebuit

mene chimice inexplicabile au oferit alchimiştilor

să aştepte până în anii 1 8 0 0 . Dar, deşi ideile lui

dovezile necesare că erau pe calea cea bună către

Boyle erau un punct crucial pentru chimie, iar

bogăţie şi nemurire. Extremele pe care le-au atins alchimiştii în

1 18

a

legile gazelor descoperite de el - în care descrie comportarea fizică a aerului la diferite presiuni,

eforturile lor pseudo-ştiinţifice sunt uneori greu

temperaturi şi volume - sunt valabile şi azi.

de crezut. La mij locul secolului XVIII, negustorul

Aproape de unul singur, Boyle a smuls chimia din

german Henning Brand, care avea ca hobby

ghearele alchimiştilor şi a aşezat-o pe baze mult mai

alchimia, a descoperit un element înspăimântător

solide, ştiinţifice.

N A T U R A

M A T E R I E I :

CHIM IA

Un exces de fiere ducea la temperamentul energic, coleric.

CELE

G

/.

PAT R U E L E M E N T E

recII antici credeau ci totul are la bazl patru elemente : plmânt. aer. foc ,1 apl.

Concepţia ÎI este atribut! ma,lclanulul Empedocle. care s-a nlscut la Începutul secolului V Î.Hr. Dupl Empedocle. Ia crearea lumii toate cele patru elemente au fost combinate ,1 ţinute laolaltl

de

�forţa

Un surplus de melancolie ducea la un temperament trist şi Întunecat.

"'"

Un exces de flegmă ducea la temperamentul calm şi dur.

�

lublrllM•

Apoi au fost descompuse de Pământ

�url"

,1

Soarele

au

format

,1

Plmântul

cerul . cu

oceane le sale. Tot ce este pe Plmânt a fOlt construit din combinaţII

ale

elemente.

De

celor

patru

exemplu.

se

credea el oasele sunt aleltulte Aer

din trei plrţl de foc ,1 doul plrţl de plmânt. Empedocle credea el. În cele din urml. I u birea va trlmfa din nou ,1 procesul se va Inversa. combinând din nou elementele Într-un Între, unit prin Iubire.

Foc

Azi conceptul celor patru eleme nte pare simplist. dar Ideile lui Empedocle ,I-au ,Islt un ecou neobl,nult În teoriile curente despre BI, Ban,-ul care a creat U n iversul ,1 În posibilitatea ca expansiunea

Apă

Universului si se Inverseze ,1 si

sus Concepţia

...acl a celor patru .Iemente nu eate atit de diferiti de Ideile moderne simple despre particulele de bul.

Un temperament sangvin rezulta din dominaţia sângelui.

culml neze

Într-un

BII

Crunch. Chiar ,1 teoria sa. a celor patru elemente . a fost rlzbunatl

Într-o

anumiti

mlsurl de descoperirea ci toate sunt

elementele compuse

aranjamente

din ale

numai subltanţele materl.le. ci ,1 corpul

moderne

omen.IC sunt alcAtuita din

diferite

patru elemente de bul -

ace lora,1

particule de bazl. formate prin reacţII de fuziune În Interiorul stelelor.

STÂNGA Alchlmlftll ,1

astrolo,,' considerau el nu

pimint • •• r, foc ,1 api. Dlferlt.le combinaţII .1. ac.ator patru element. erau considerate respons.bll. de dlferltel. umori ,1 temperament •.

1 1 9

LJ R T Ă

ISTO R I E

A

ŞT I I N ŢE I

exPERIMENTE CU AERUL onstruind pe fundaţia pusă de către Boyle, savanţii secolului XVIII, ca ]oseph Black, au i n c e p ut să experimente ze cu seriozitate, având �\:()pul de a descoperi secretele materiei. Lucrând in

a

n ii 1 75 0 , Black a descoperit că un anumit tip

.I l' " a e r " - obţinut din respiraţia omului, din a

rdere sau din fermentaţie - se putea combina

cu

s u bstanţe solide, precum laptele de var. Acest tip de aer putea fi apoi rec uperat simplu din solidele

res pective, prin acţiunea căldurii. Printr-un p roces experimental, Black a descoperit dioxidul de carbon .

Existenţa unui gaz constituent al aerului a reprezentat un punct de cotitură, arătând că " aerul" IlU

era deloc o singură substanţă şi a eradicat, odată

pentru totdeauna - în rândul savanţilor - ideea că aerul era un element fundamental. Munca lui Black a dominat-o efectiv pe cea a ma

i faimosului " Newton al chimiei " , Antoine

Laurent Lavoisier, care a explicat reacţiile care l uau

loc

când

ard

sub stanţele .

Până

la

experimentele lui Lavoisier, se credea că atunci dnd ceva arde, emana un " principiu " numit f1ogistic: o substanţă efemeră care putea explica unde se duce materia lipsă când, de exemplu, un băţ arde până se face scrum. Conform teoriei sale, se

evapora sub formă de flogistic, fără a mai fi

găsit vreodată . În anul 1 772, Lavoisier a raportat Academiei de Ştiinţe că sulful şi fosforul, când ardeau, Îşi măreau masele, deoarece absorbeau " aer " . Pe de a ltă parte, plumbul metalic format când Iitarga (care este o formă roşie, cristalină, de monoxid de plumb) era încălzită cu cărbune, cântărea mai puţin decât Iita rga iniţială, care, conform lui

Când, în anul 1 774, ]oseph Priestley a preparat " aerul fără Hogistic " Încălzind un precipitat roşu

Lavoisier, pierduse " aer " . Lavoisier n u ştia în acel moment natura exactă

de mercur, Lavoisier a suspectat că numai o parte

a " aerelor" implicate în aceste procese, deoarece

din aerul atmosferic era de fapt folosit în procesul

s u s Antoln. Laurent Lavolaier

( 1743-9-4). Lavolsler, înflţl",t aici împreuni cu soţia lui, a demolat Ideea ci atunci când ceva arde emani o

munca lui Black nu era bine cunoscută în acea

lui Priestley. El a descoperit că, în timpul unui

perioadă. Totuşi, rezultatele lui Lavoisier au

proces de ardere, materialul a absorbit acest agent

demonstrat că flogisticul nu putea să existe şi că în

activ. EI a numit oxigen agentul activ, un cuvânt

Importanţa mlsurltorllor atenta

combustie

dintre

care provine din echivalentul francez pentru

ale substanţe lor Implicate În

materie şi un gaz. Şi astfel, un alt element mistic

" originea acidităţii " . " Aerul non-vital " rămas în

pierise ca fumul în aer.

urmă era azotul.

1 20

este

implicată

combinaţia

substanţl mlsterloasl numttl IIOllstlc - ,1 a demonstrat

reacţII chimice.

N A T U RA

D ESCOPERIREA ELEMENTELOR n

1 77 8 - 1 8 2 9

Chlmlstul englez Humphry Davy

alcătuită de el, a elementelor chimice cunoscute.

a descopertt numeroase

\l ulte dintre acestea, printre care aurul, argintul,

elemente chimice Importante.

dlprul, ferul, plumbul, staniul şi mercurul, erau -

CHIM IA

S I R H U M P H RY DAVY

anul 1 78 9 , Lavoisier a pub licat prima listă,

\ I � j a cunoscute

M A T E R I E I :

printre care sodlul, potaslul ,1

chiar anticilor - deoarece se

pzul ilarlant, oxldul azotos .

. '. J sesc în natură în starea lor elementară. Urmând c a lea deschisă de Lavoisier, chimişti ca I

l umphry Davy şi-au petrecut următorii câţiva ani

J escoperind constituentele multor alte substanţe . / )avy, poate cel mai cunoscut pentru că a i n ventat / .1 mpa

de siguranţă a minerului, a obţin ut sodiu şi

ACIZ I Ş I BAZE

potasiu trecând un curent electric prin soluţiile de !I i droxid de sodiu şi hidroxid de potasiu . Metalele IU

fost depozitate pe electrodul negativ într-un

proces denumit electroliz ă . D ezvoltarea unor Inetode analitice tot mai mai sofisticate le-a permis , himiştilor să extragă sau să testeze elementele din

J O S În cartea s a extrem d.

Innuenti. Tratat Elementar de

I mestecurile şi compuşii cei mai complecşi, iar ca

Chimie

Iirmare au fost descoperite tot mai multe elemente.

soţia sa, Lavolsler a dat definiţia

rotuşi,

în ciuda vitezei aparente a descoperirilor

, himice de dinaintea secolului XX, u n sfert din ,' I ementele cunoscute azi erau necunoscute Înainte -le începutul anilor 1 92 0 .

( 1789), lIustratl de cltre

elementului chimic ca fiind .. ultimul punct la care poate alunge analiza chimiei·. În carte a dat o IIsti • • Iementelor chimice cunoscute. printre care aurul, cuprul, aralntul, ferul, plumbul, stanlul ,1 mercurul.

'-r oate substante , le chimice s u nt aciz i , baze l]

� sau substanţe neutre, Tot u l se reduce la

comportarea lor În p rezenţa apel, În apa puri, u n mic numir de molecule de api se lonizeazi: fiecare se descompune ,i pierde sau capiti e lectron I pentru a forma u n Ion pozitiv de hidrogen (care este u n singur proton) ,i un ion negativ hldroxld. Deoarece s-au format din d ivizarea molecule lor de api, n u mirul lonilor de hidrogen ,1 hidroxld este acela,1. Dar când anumiţi compu,1 sunt dlzolvaţi În api sau când reacţloneazi cu ea, acest echilibru clar este perturbat. Compu,1I care ellbereazi lonl de hidrogen În api Încllni balanţa citre acldltate . De aceea, un asemenea compus poate fi descrIs numai ca fiind un acid. Pe de alti parte, bazele sunt compu,i care neutrallzeazi acest dezechilibru, preluând lonll de hidrogen d l n r-un acid - sau chiar Încllnând balanţa În ce lilalt sens, creând u n surplus de lonl hld roxld. O s ubstanţl alcalinl este o bazl care se dlzolvi În apl.

12 1

', C U R T Ă I S T O R I E A Ş T I I N Ţ E I

J O S Ace.ta elte ta"'lul

elementelor lui John Oalton. datind din anul 1808. înfiil,ind m... atomlcl a n.carul element.

Unele dintre lubltaniele pe cor.

1. prezlntl. ca varul. nu sunt d. fept elemente. ler elteva m..e atomice lunt Ire,lte. Totu,l.

DALTON ,1 TEORIA ATOMICĂ ână

la

sfârşitul

secolului XIX, chimiştii

P începuseră să înţeleagă că se aflau în faţa unui

sistem de elemente care devenise prea greu de

manevrat fără a şti ceva mai bine ce se înţelege

J os Un lolld î,1 plstreui

Particulele dintr-un solid sunt legate atât de puternic Încât n u se pot mişca. de aceea doar

atructura rllldi

,1 forma

deoarece elte alcAtuit din particule car. IUnt lepce itra... impreuni Într-o structuri. prin 'ellturl puternice.

prin element chimic. Curaj ul experimental al lui Boyle a discreditat

acest mod de e privi elementele a

noţiunile misterioase şi vagi ale alchimiştilor

deve nit baza între,ll chlmll.

medievali, arătând că principiile şi conceptul

ELEM ENTS' O Hydrosen '1 : 0 Strolltian CD A z o t , 10 Biuyle, e C., b o " ;fi 1 0 11011 O OXYb e ll 7 0 Z i nc � Phosphol'us ,9 @ : C 9Pper S'b Ea Sulpl, ul' }S © Lead arte important când o moleculă chirală I I l tâlneşte alta într-o reacţie chimică. Receptorii de miros care se află în nas sunt I l l olecule proteice chiraie . Aceşti receptori au pe . uprafaţă un fel de buzunar în care moleculele I n irositoare intră precum mâna în mănuşă . Ca rezultat, este declanşată o reacţie chimică ce I rimite semnalul mirosului către creier. Deci când \ er siunile cu diferite orientări ale aceleiaşi : nolecule încearcă să intre într-un receptor, ele - 1eclanşează diferite reacţii. O formă de limonină , himică, de exemplu, miroase a lămâie, dar molecula ce este imaginea sa în oglindă miroase . 1 portocale .

În medicină, fenomenul de chiralitate are conse­

cinţe grave, chiar tragice. Medicamentul numit talidomidă este un astfel de exemplu. În forma cu o anumită orientare, talidomida reduce greţurile matinale ale femeilor însărcinate. Imaginea sa în oglidă, totuşi, are efecte devastatoare asupra dezvoltării intrauterine a creierului copilului. După tragedia talidomidei au fost făcute mari eforturi de a dezvolta izomeri ai medicamentelor cu aceeaşi orientare pentru ca un astfel de eveniment să nu se repete. Talidomida însăşi nu putea fi produsă în vreo formă sigură deoarece organismul converteşte izomerii chirali unul în altul. Totuşi, nu toate medicamentele chiraie sunt transformate astfel şi deci chiralitatea controlată poate fi utilizată şi pentru a mări eficienţa unui medicament. Analgezicul denumit ibuprofen, de exemplu, este o substanţă chirală; niciunul dintre

sus Medlcamentul numit

talldomldi a avut con..clnţe traalce din cauza lanorirll reaC\'lel chiraie a receptorllor foetusulul aflat În dezvoltare. Unul dintre Izomerll medicamentului reduc•• ,reţurlle matinale ale femeilor ÎnsArclnat.; ceilialt a avut .f.cte teribile asupra copilului din uter.

izomeri nu are efecte secundare grave, dar unul dintre ei este de trei ori mai eficient decât ceilalţi. Asigurându-ne că medicamentul are izomerul molecular cel mai eficient ma xi mizăm eficienţa medicamentului şi reducem doza necesară.

1 29

', ( U R T Â I S T O R I E

A

ŞT I I N ŢEI

CICLURI SI . CATENE

1. n timp ce izomerii unor molecule sunt simetriei

A

S T Â N G A . D R E A P TA . S T Â N G A . D R EA PTA . . . r " '\

eoarece

:.._J orlentlrl

moleculele

chiraie

de

faţă de o axă sau un plan (având orientare spre

diferite

reacţloneazi adesea foarte diferit

cu alţi compu,1 chlrall . chlmlftll cauti întotdeauna metode de a crea numai forma chlrali potrivitA

stânga sau spre dreapta ) , altele pot avea o varietate de forme. Î n ultima parte a secolului XIX, un savant german , Emil Fischer,

a

făcut unii dintre

paşii cei mai importanţi către înţelegerea chimiei carbon ului, determinând structurile unei varietăţi

pentru medicamente ,1 alte substanţe chimice. cum

de molecule de zaharuri. El a descoperit că o

sunt pestlcldele.

moleculă de sucroză, de exemplu - zaharul pe care

Cea mal simplA metodi este de a produce ambele

mulţi dintre noi îl amestecă în cafea - este alcătuită

forme chiraie. apoi de a le separa folosind un aparat

dintr-o moleculă de glucoză şi una de fructoză

de filtrare care poate distinge între cele douA

legate împreună. Glucoza şi fructoza sunt exemple ale aşa-numitelor zaharuri simple, care pot fi

forme. deoarece este el însu,1 chlra!. Speclallftll în chimie Industriali pot separa compu,1I pe baza vitezei cu care trec printr-un material ce conţine un compus chlral. Daci un amestec de Izomeri chlrall trece printr-o coloanA de material. o forml va adera mal ferm la compusul chlral decât cealaltl ,1 astfel îl va lua mal mult timp si treaci. Chlmlstul poate

descrise ca cicluri de cinci atomi de carbon şi un atom de oxigen cu

variate

grupe

hidroxil

( hidrogen-oxigen) ataşate în diferite puncte .

1 8 5 2- 1 9 1 5

Fllcher este savantul ,.rma" car. a descoperit structura ti forma moculelelor zaharurllor simple. Aceasta s-a dovadlt a fi una dintre cel. mal Importanc. descoperiri din chlmla orlanlcl.

Oricât de simplă ar părea această idee, Fischer a descoperit că există 16 moduri diferite de aranj are

coloanl. apoi si o adune pe a doua În alt reclplent.

a grupelor hidroxil în j urul ciclului zaharului şi că fiecare aranj ament diferit produce un alt zahar. În

aduna prima formi chlrall pe misuri ce trece prin

E M I L FISCHER

Astfel de sisteme obţin substanţele dorite. însl

anul 18 8 8 , când Fischer îşi făcea cercetările,

risipesc Jumitate din materialul original. De aceea.

savanţii ştiau că glucoza era un astfel de ciclu, dar

chlmlftll cauti metode mal efICiente de a obţine de

nu ştiau care dintre cele 16 posibile aranjări ale

la început numai o formi a moleculei respective. O

grupei hidroxil era.

JOS Maraa dascoparlre a lul

Aschar lelati da structura molecular! a zaharurllor era axatII pe variaţIIle un.1 structuri ck:IIce

metodi este folosirea a,a-numitelor auxiliare

Fischer a deschis ciclul de atomi de carbon şi

chiraie. Acestea sunt ,rupe chimice care au ,1 ele

oxigen din glucoză pentru a crea o structură de

ciclu de bazl. alcAtuit din cinci

lanţ deschis. Apoi a efectuat o serie sistematică de

atomi de carbon ,1 un atom da

cite doui forme Imagini în oglindi. deci astfel adau,i chlralltate orlcirel molecule la care sunt ata.pte. La Universitatea Oxford. Stephen Davles ,1 alţII pun la punct metode de a adiuga rapid auxiliare chiraie la materiile prime. astfel ca si

reacţii chimice simple care aveau să indice unde

creind numai forma de o anumitA orientare. Apoi produs chlral pur. Alţi cercetAtori folosesc enzlmele. catallzatorll chlrall al naturiI. Enzlmele sunt proteine alcitulte din aminoacizi legaţi împreuni ,1 aranJaţl într-o structuri trldlmenslonali; trldlmenslonalltatea îl face si fie chlrall. De obicei. reacţloneazi numai cu forma de o anumiti orientare a moleculei-ţinti. deci daci materia primi a chlmlstulul este un amestec de forme chiraie. reacţia de tratare cu enzlma potrivitA va conduce numai la o formi chlrali a produsului.

1 30

oxigen. Dar ,rupela hldroxll.

adiel

Iru pela da hldrolen ,1 oxlpn.

era poziţionată grupa hidroxil pe catenă şi în ce

sunt atafat. În 16 moduri dlfarita

direcţie era orientată .

acestui ciclu da bul - Iar ""ca... mod duca la alt tip de zahar.

poatl forţa numai una dintre cele douA posibile. el pot îndepărta auxiliarul chiral. obţinând un

simpla. Aacara zahar ara ace�

M O LEC ULA D E GLUC O ZĂ

NATURA

M A T E R I E I : CHIM IA

CATENE DE ZAHĂR rintre multe alte funcţii pe care le au în orga­ nism, zaharurile ajută la coordonarea sistemului nostru imunitar pentru a distruge ţesuturile străine care ar exista în interior. Conform studiilor efectuate de expertul Raymond Dwek de la Universitatea Oxford, unu la sută din anticorpii aflaţi în sânge sunt îndreptaţi către un anumit zahar care se află în ţesuturile tuturor animalelor, cu excepţia noastră . Acest zahar este cheia xenotransplantului transplanta rea unui organ de la altă specie la om. Prezenţa sa în ţesuturile animale înseamnă că atunci când un organ al unui animal este transplantat în organismul uman, acei unu la sută dintre anticorpii noştri sunt imediat îndreptaţi în căutarea sa şi spre distrugerea ţesutului străin. Presupunând că nu ar exista obiecţii de natură etică asupra transplantului, găsirea unui mod de a bloca această reacţie fatală ar ajuta organismul pacientului să accepte ţesutul donatorului şi să-i salveze viaţa. Totuşi, în studierea acestor zaharuri, savanţii întâlnesc o problemă maj oră - este foarte ,dificil de experimentat în laborator, de aceea studierea lor este extrem de costisitoare. În locul glucozei cu un singur ciclu - o monozaharidă - zaharurile care activează anticorpii sunt alcătuite din mai multe cicluri înlăn­ ţuite - numite oligozaharide . Asta înseamnă că cele 1 6 aranjamente posibile ale grupelor hidroxil în glucoză pot fi multiplicate cu trei, patru, cinci şi aşa mai departe . Conform unui expert - David Crout de la Universitatea Warwick din Anglia fiecare unitate suplimentară de zahar dintr-un lanţ poate necesita mai multe săptămâni de muncă, iar o anumită oligozaharidă costă cinci milioane de lire sterline gramul ( 1 liră steriină � 5 RON în anul 2 0 0 8 , n. trad . ) . Aceasta este una dintre mărfurile cele mai scumpe din lume. erout şi echipa lui au găsit o metodă de reducere a costurilor folosind catalizatorii bazaţi pe enzime ai naturii pentru a grăbi şi a controla procesul de sinteză . Problema de bază este că amestecarea zaharurilor într-o eprubetă duce la un sirop, nu la o moleculă dulce pură. Natura, desigur, a găsit o soluţie a problemei sub forma enzimelor. Enzimele controlează modul în care moleculele succesive de zahăr sunt adăugate la un lanţ în creştere, astfel ca numai lanţul de zaharuri dorit să se formeze în celulele unui animal.

P

sus

Corpurile noastre sunt

echipate cu numeroa.e reacţII Imun. Ia diferiţi Intr.,I. Aceste. Includ ,Iobulele albe care in,hlt ,1 dlstru, celulele Infectate. atunci când sunt alertat. de prezenţa antlcorpllor. care s. prind d. fralmentel. protelce ale Intru,lIor. Aici. o .Iobull albi in.hlte un or.anlsm de forma unei mln". Apoi Intrulul va fi dl.erat de cltre . nzlme.

MOLECULE DE ZAHĂR rin extrapolare logică în sens invers, el a putut apoi să reconecteze ciclul şi să demonstreze care era aranj amentul din molecula iniţială. Există numeroase diferite tipuri de zaharuri şi ele j oacă un rol vital în toate sistemele vii. Şi plantele şi animalele, de exemplu, folosesc glucoza pentru a o bţine energie. Energia este eliberată în timp ce reacţii complexe în lanţ - de obicei implicând oxigenul - desfac molecula de glucoză în organism. De obicei, plantele stochează glucoza sub formă de amidon, iar animalele o înmagazinează ca glicogen. Munca lui Fischer a dus la înţelegerea structurii zaharurilor, care devine tot mai importantă pe măsură ce se fac noi descoperiri despre efectele lor asupra organismului. De exemplu, zaharurile formează punţi între şirurile de proteine în timp ce îmbătrânim, făcându-ne ţesuturile mai puţin flexibile. O reacţie similară se produce când sunt gătite multe dintre mâncăruri - deci îmbătrânirea este oarecum un fel de proces de coacere lentă. Pe de altă parte, zaharurile sunt vitale pentru supravieţuirea noastră . Glucoza este zaharul transportat de către sânge, furnizând energie celulelor pentru întreţinere şi creştere . Corpurile noastre folosesc, de asemenea, lanţuri de diferite molecule de zahăr, numite oligozaharide, la multe lucruri diferite, ca încetinirea celulelor sângelui când ţesuturile se inflamează, permiţând producerea vindecării.

P

1 31

I , 1\

TĂ

I

5 T O R l E

A

ŞTII

N

ŢEl

ENZIMELE chipa lui Warwick a stabilit ca, In loc de a -şi petrece timpul încercând să găsească metode de a o bţine chimic lanţuri de zaharuri, vor u rma exemplul naturii şi vor folosi enzimele, dar în sens invers. Ei au stu d iat un grup de enzime n umite glicozidaze . În mod normal, acestea descompun lanţurile de zaharuri din organismele vii, pentru a fi reciclate şi folosite de către celule ca parte a metab olismului lor zilnic, dar cercetătorii au descoperit că, în condiţiile chimice potrivite, puteau face enzima să unească două zaharuri . Munca lor ar putea reduce în mod semnificativ costul sintetizării acestor zaharuri complexe, cu implicaţii profunde - poate chiar controversate pentru viitorul transplanturilor de ţesuturi.

ANALIZĂ ŞI SINTEZĂ

himiştii au acum la îndemână o multitudine ",; de tehnici pentru a manevra compuşii carbonului, de la simplul metan la zaharurile complexe şi la polipeptide ( baza proteinelor) . Dar nu a fost mereu aşa uşor. Adevărata cucerire făcută în chimia organică sau chimia carbonului s-a produs în anii 1 960, când profesorul Elias J. Corey de la Universitatea Harvard şi laureat al premiului Nobel a dezvoltat o metodologie denumită analiză retrosintetică. Tehnica a devenit unul dintre cele mai puternice instrumente pe care le aveau la dispoziţie chimiştii de a construi molecule organice complexe şi mari din materi i prime cu molecule mai mici, mai uşor disponibile - şi, de obicei, considerabil mai ieftine. Metoda funcţionează imaginând molecula-ţintă ca un puzzle. Lucrând în sens invers, începând de la ţintă, este posibilă că utarea unor compuşi chimici care, când reacţionează, se vor asambla în puzzle-ul complet sub influenţa catalizatorilor şi a reactivilor. Un asemenea mister chimic a atras atenţia întregii lumi. Taxolul este un compus natural extras din scoarţa a rborelui de tisa din Pacific, denumit ştiinţific Taxus brevifolia. Acesta se comportă ca armă defensivă naturală pentru arbore, înarmându-l împotriva bolilor şi dăunători lor, dar este şi o apărare eficientă împotriva anumitor forme de cancer al oamenilor. Rezultatele testelor au fost atât de încuraj atoare încât savanţii au început să solicite mostre din substanţa chimică astfel ca să poată studia modul cum funcţionează. Era o problemă, totuşi. Chiar şi un arbore de tisa de o sută de ani produce numai cantităţi infime de taxol - circa 3 0 0 de miligrame la trei kilograme de scoarţă - şi nu este nici pe departe suficient pentru a satisface cererea în creştere . În consecinţă, taxolul este extrem de scump, deci în timp ce unii cercetători căutau surse alternative, precum acele tisei europene, chimiştii au început să caute un mod de a produce taxo] în laborator. Compusul este în principiu alcătuit din sisteme de cicluri de carbon cu mai multe grupuri diferite izolate în j urul fiecărui ciclu . Folosind analiza retrosintetică pentru a determina ce părţi compo­ nente se pot potrivi pentru a completa imaginea,

1 32

N A T U R A

M A T E R I E I :

C HIM I A

PO L I M E R I I

P

..

Ollmerli sunt s ubstanţe alcAtulte din mii de mici molecule

având

la

bazl

carbonul.

n umite

Masele plastice sunt fabricate de om. dar unii pollmerl se găsesc În stare naturali. Pollmerll de zahlr - care

monomerl. care sunt unite În lanţuri lungi. Cele mal

sunt pollmerl de carbohidraţl alcltulţl din lanţuri de

multe mase plastice sunt pollmerl o bţinuţi din etenă.

carbon. hidrogen ,1 oxigen - Joael un roi-cheie În

unul dintre produ,1I obţinuţi din petrol. Când etena

schimburile de energie. atât din plante cât ,1 din animale.

e ste Încălzltă sub presiune. moleculele el se unesc În

Plantele Înmagazlneazi energie sub forma pollmerulul

lanţuri cu peste 30000 de mii de legăturI. Aceste molecule lungi se Înfă,oară precum spaghetele. Iar

numit amidon. o pollzaharldi complexi alcltultl din mii de unltlţl de carbohldraţl. Animalele Înmagazlnează

modul În care se Înfl,oară dă plastlculul forţă sau

energia sub forma pollmerulul de zahăr numit gllco,en.

flexibilitate . Dacă firele sunt ţinute strâns laolaltă.

Aceftl polimerl pot fi descompu,i de enzime În zaharurl

plastlcul este dur. Dacă firele alunecă u,or unul peste altul.

plastlcul

este

flexibil.

ca

polietilena.

Iar forţarea molecu lelor prin m ici orlflcll le aliniază pentru a crea fibre precum nallonul.

mal simple. cum este glucoza. EI pot fi legaţi ,1 Împreuni În diferite moduri pentru a forma polimerl structurall. Celuloza este un astfel de polimer natural. din care sunt

sus Când mânclm o În,heţatl.

organismul folol.�e en:zlmal.

aleltulte toate celulele plantelor. Ea stă la baza flbrelor

chimice pentru a descompune

lemnului ,i bumbaculul. deci ambele sunt materiale

lanţurile de zaharurl. Chlmlftll le

plastice naturale.

folosesc pentru a construi astfel de lanţurI.

ETI LENA Hidrogen

ŞI

P O L IE T I L E N A

�

A L FA- G L U COZĂ

B E TA - G L U C O ZĂ Oxigen

Carbon

două grupuri de cercetători - unul condus de Kyriacos Nicolaou de la Scripps Research Institute din California şi unul condus de Robert Holton de la Florida State University - au reuşit În final să imagineze mai multe metode diferite de a obţine taxol din compuşi chimici mult mai simpli . Cele două grupuri au folosit abordări uşor diferite. Grupul lui Holton a început cu un compus precursor ieftin, camforul, şi a construit structura complexă printr-un şir de multe reacţii. După ce au obţinut sistemul de cicluri, au adăugat catenele laterale . Echipa lui Nicolaou, pe de altă parte, a folosit o a bordare convergentă . Ei au obţinut cele două

cicluri principale, au adăugat variatele grupuri chimice, apoi le-au cuplat la un loc. Ambele abordări par mai degrab ă simple când sunt descrise astfel, dar numărul mare de reacţii pe care le implică au necesitat doi ani pentru perfec­ ţionarea metodelor. O asemenea cercetare are o dimensiune supli­ mentară valoroasă, deoarece producând taxolul, chimiştii pot face variaţiuni pe aceeaşi temă principală, variaţiuni care ar putea fi de fapt mai convenabile şi eficiente, cu mai puţine efecte secundare. Ele ar putea fi şi mult mai ieftine, aducând aşteptata alinare bolnavilor de cancer din Întreaga lume.

sus STÂNGA Pollmerll. precum

etllena " polletllenele, sunt molecule formate din lanţuri lungi de atomi de carbon, de obicei cu ramificaţII de hldro,en.

sus DREAPTA Moleculele de

,Iucou. alcltulta din cicluri de carbohldraţl, pot fi " ele unite În lanţuri lun,1 pentru a forma pollmeri naturali. pracum amldonul.

1 33

', ( U R T Ă I S T O R I E A Ş T I I N Ţ E I

" " " A P T A Acaasti Imaalna de

mlcroara' cu seanar• • Iectronlc! inllţl,eazl diviziunea unei celule a

cancerului de .in. Cercetitorll

cred ci ace.te forme d. cancer

.unt numai o

parte din bolile pentru

care ad i posibili dezvoltarea vacclnurllor molec"lar •. Vacclnul va activa aplrar•• naturali a oraanlsmulul pentru a lupta im potriva celulelor canceroas •.

s us Globulele albe .unt unul

dintre alamantala·chela ala apirlrll oraanl.mulul impotriva bolilor. Dar el. Intri in acţluna ,1 lub Influenţa antlcorpllor pluaţl pe celulele care provoacl boII. VacclnurU. moleculare vor ajuta oraanl.mul .1 dezvolte antlcorpl l n e c• • •r l pentru a oferi orpnlsmulul ° protecţie eficienti.

D REAPTA Oupl ce anticorpI!

alartaul alobulele albe de.pre prezenţa Invadatorilor. aceat•• •• aduni rapid la locul lnfecţlel. înah'llnd celulele Intru.e ,1 dlstruaându-Ie cu ajutorul enzlmelor.

1 34

VACCINURILE MOLECULARE rupurile de cercetători din toată lumea studiază posibilitatea de a crea vaccinuri împotriva bolilor pentru care nu există medica­ mente eficiente pe termen lung. Noua abordare implică folosirea substanţelor chimice pentru a stimula sistemul imunitar, în locul vaccinurilor convenţionale. Una dintre cele mai periculoase boli - meningita meni ngococică - ar putea fi învinsă astfel într-o zi, în cazul în care cercetările curente se dovedesc reuşite . Problema unui vaccin de tip convenţional pentru această boală este că suprafaţa bacteriei meningitei este complexă, anumite componente sunt toxice, iar altele pot bloca activi­ tatea anticorpilor protectori. Aceasta înseamnă că producerea unui vaccin bazat pe bacterie, care este abordarea obişnuită, nu este posibilă . Specialistul în microbiologie molecu­ lară John Heckels şi colegul său, Myron Christodoulides de la Universitatea Southampton din Anglia încearcă o altă strategie. Ei lucrează pe

G

proteine numite peptide antigenice, care în can­ tităţi infime acţionează ca semnale pentru sistemul imunitar al organismului pentru a ataca agenţii pa­ togeni care provoacă boala. Asemenea substanţe chimice sunt numite vaccinuri moleculare. Vaccinurile moleculare nu vor se vor limita la învingerea meningitei. Ele oferă speranţa de a declanşa reacţia noastră naturală de apărare împotriva celulelor infectate cu viruşi şi a celulelor canceroase şi ar putea fi capabile de a bloca acţiunea distructivă a celulelor c are afectează ţesuturile, în boli precum artrita şi scleroza multiplă . Iar întrucât sistemul imunitar al organismului este cel care face toată treaba, ar trebui ca efectele secundare să fie minime. Există un obstacol maj or în metoda vaccinului perfect, totuşi: i dentificarea mai întâi a componentelor active, care există în asemenea cantităţi infime. Fiecare celulă din organism conţine circa 1 0000 de

proteine diferite. Aceste proteine sunt în continuu curăţate din interiorul celulei de către enzime le care le d escompun în fragmente mai mici, apoi le duc la suprafaţa celulei, de unde sunt îndepărtate de către alte celule. Când o celulă se modifică, aşa cum se întâmplă în cazul cancerului, sau când este infectată de un virus , acest proces de curăţare continuă, dar noi proteine sunt descompuse în interiorul celulei - cele generate de virus sau produse de cancer. Sistemu l nostru imunitar are două sisteme principale de căutare şi d istrugere pentru detec­ tarea acestor proteine nocive de la suprafaţa celulelor şi de a învinge astfel boala . Primul implică anticorpii care se prind de fragmentele străine de proteine şi trimit semnale către globulele albe pentru a distruge celulele bolnave. AI doilea este bazat limfocitele T ucigaşe, care supraveghează suprafaţa celulelor şi detectează rapid apariţia unor fragmente străine de proteine. Limfocitele T lansează apoi un atac pentru a distruge celulele bolnave. Când sistemul detectează prezenţa celulelor nesănătoase, produce simptomele bolii respective. Totuşi numai cantităţi infime de peptide antigenice se află la suprafaţa celulelor, deci tehnicile analitice foarte sofisticate ale chimiei trebuie folosite pentru a le izola şi identifica. Din fericire, după ce sunt detectate, peptidele sunt de fapt relativ uşor de sintetizat, purificat şi standardizat, deci vaccinurile moleculare ar putea deveni curând o reali­ tate cotidiană.

N A T U R A

TANDEMURI, CASCADE ,

SI '

M A T E R I E I :

C H IMI A

DOMINOURI

, I I mod ideal, chimiştii aleg piese ieftine şi uşor , Ii s ponibile pentru puzzle-urile lor moleculare, , , l l e se îmbină lăsând în urmă numai mici cantităţi ,k produşi secundari. Realizarea acestui ideal I I l Lesită aptitudini, timp şi energie, totuşi, pentru I l I 'care piesă a unui puzzle molecular sunt necesare I I I mod normal numeroase modificări pentru a o I . I (e să se potrivească bine. Aceasta creşte 1" 'tenţialul reacţiilor secundare, ceea ce duce la 1 , I ntităţi reduse din produsul vizat, care trebuie , I jloi purificate folosind mai multă energie. Adesea, l ' l csele din puzzle sunt mini-puzzle-uri în sine, care I I cb uie rezolvate. Astfel, în ciuda celor mai bune I l l tenţii şi a muncii grele a chimiştilor, sinteza mo­ I , 'culelor complexe va însemna adesea materiale I i sipite şi solvenţi murdari.

R EACT I I C H I M I C E ,

O

reacţie chimicA este un p roces care transformA o substanţA În alta. În mod crucial, Imp licA alAturarea a d iferite lor elemente chimice ,1 a

dlferlţllor com pu,i, ale cAror constltuente sunt rearanJate pentru a forma noi compu,i ,1 alte elemente chimice. La nivel de bazi, ImplicA Întâlnlrea atom llor, a lonllor ,1 a moleculelor ,1 schimbul de electroni

Între

ele.

De,1

noile

F O TO S I N T E ZA

substanţe formate dupA o reacţie trebuie sA conţlnl exact acela,1 atomi, foarte puţine reacţII sunt În mod natural reversibile. DupA ce cirbunele

Apă

este ars pânl se face cenu,A, cenu,a este Imposibil sA fie transformatA În cArbune. ReacţIIle dintre substanţele chimice sunt esenţiale pentru funcţio­ narea lumII, Indiferent ci este vorba despre fotoslnteza plante lor, care transformi apa ,1 dloxldul de carbon În zahAr, sau despre descompunerea acelor molecule de zahAr În reacţia cu oxigenul pentru a da organismului putere muscularA. UnII atomi sunt considerabil mai re activi

decât

alţII.

În

principiu,

re activitatea unul element depinde de

Zahăr

disponibilitatea sa de a capta sau a ceda electronii folosiţi la legAturi.

sus Fotoalnteza ce ae deaRfoari În frunze

Dife ritele .Iemente pot fi plasate În

foloae,ce ener,la Soerelul pentru a tranaforma apa ,1 dloxldul d. carbon În zahir. În acest procea

serIIle

de

reactlvltate

conform

e.te obţinut ,1 eliberat ,1 oxl,enul.

capacitAţll lor de reacţie. Metale ca potaslul ,1 sodlul sunt foarte reactlve ,1 rareori pot fi Întâlnite În stare elementarA (purA). Aurul are reactlvltte redusA ,1 poate supravieţui În formA purA aproape Indeflnlt.

Unul dintre punctele de vedere prin prisma cirula pot fi examinate eficient seriile de reactlvltate este electronegatlvltatea, u,urlnţa cu care un atom poate atrage electronll. Aceasta depinde de valenţa atom ului ,1 a fost punctul de pornire al unei scale complete, care prezice forţa leglturll, scali creati de cAtre Unus Paullng În cadrul uneia dintre Importantele descoperiri chimice ale secolului XX. Factorul cheie este numArul de electroni din stratul exterior al atomuluL Gazele nobile ca argonul ,1 crlptonul sunt toate nereactlve, deoarece stratul lor exterior este complet. Oxigenul, având patru electroni lipsA În stratul sAu s u s Teoretic. noile aubstanţe chimice pot fi enoate , 1 teSUlta pe

exterior, este foarte reactiv. AtomII cu mal puţini electroni lipsA sunt mal puţin

computer, dar tot vine un moment În care ideile virtuale trebuie

reactlvl, dar tot sunt mult mal disponibili de a reacţiona decât gazele nobile ,

verificate cu aubstanţe raale. AIci. un chimist folose,ce o cameri

lipsite de disponibilitate de reacţie.

Izolati pentru a lucra la medicamente bazate pe preţlosul metal numit plati"'. PrIntre aaemene. medicamente se afli ,1 cel numit clspiatln. folosit Împotriva canceruluI.

1 35

' , (- U R T Ă I S T O R I E

A

ŞT I I N ŢE I

CASCADE

, ) H E A PT A Het.roclclurna sunt un

A

I n încercarea de a simplifica procesul, chimiştii

,rup I mportant d. molecul. chimice care se cls.'c peste tot

I au descoperit metode de a parcurge paşii cheie ai

În naturi. fiind prezente În mII d. compu,1 din plant.

,1 animale.

unei sinteze într-un singur recipient de r eacţie. Metoda foloseşte o cascadă de reaqii , e vitând necesitatea de a avea paşi separaţi, însoţiţi de obişnuitele pierderi de materiale. Asemenea cascade au fost studiate de echipa lui Lutz Tietze de la Universitatea Georg-August din Gottingen. Într-o astfel de cascadă, sau reacţie de tip domino, ei pornesc de la doi compuşi simpli ai carbon ului şi folosesc o cantitate mică de catalizator pentru a-i face să reacţioneze. Asta duce la un compus intermediar instabil, care apoi trece printr-o reacţie în cascadă din care este obţinut un ciclu. Este un exemplu de cascadă foarte scurtă, cu numai două domino uri care cad, dar arată caracte­ risticile vitale necesare pentru a produce mai ieftin moleculele complexe . Totul se petrece într-o singură secvenţă de fluide, începând cu materiale simple şi producând o moleculă complexă . Mai mult, la materiile prime iniţiale se pot adăuga diferite grupe chimice fără a perturba cascada . Andrew Holmes şi echipa sa de la Universitatea

Ca toate substanţ.l. chimic.

naturale, el sunt predominant substanţe bazate p. carbon, dar ciclurile lor Includ un alt atom d.cât carbonul. Ad•••• •unt Inlr.dlentul activ blolollc din multe chlmlcal. folo.lt. În IOlpodlrle.

din Cambridge folosesc cascade scurte pentru a crea un grup de molecule numite heterocicluri, care au în ciclu un alt atom decât carbonul. Î n natură, heterociclurile sunt folosite în mii de compuşi din plante ş i animale, şi reprezintă nucleele comune pentru obţinerea multor molecule active biologic, utilizate în industria farmaceutică şi în alte domenii.

JOS Pentru a sintetiza

moleculele complexe Într-un .Inlur r.clpl.nt. chlml,tll ca Lua TI.ae au dezvoltat Ide ••

cascad.lor, În care cat.nutorll provoacl o •• rl. d. re.cţll chimic. lucce.lve. Aceste r••cţll chimic. pot fi considerate ple.ele unul domino.

R E AC Ţ I A

ÎN

C O M P U S I C O VA L E N T I S I M E TA L E •

I

,

P

artajarea e lectronilor În compu,1I covalenţl creeazi legiturl puternice Între atomii din

fiecare molecull - dar Înseamni ,1 ci moleculele au tendinţa de a nu mal fi dlspoblbile faţi de alte molecule. Deci compu,ii covalenţl sunt de obicei lichide sau gaze la temperaturl normale , Iar punctele lor de topire ,1 de fierbere sunt sclzute deoarece legiturile dintre moleculele lor pot fi rupte foarte u,or.

CASCADĂ A lU I lUTZ TI ETZE

Acest lucru contrasteazi cu legiturlle metalice, În care electronii de valenţi se deplaseazi liber Între atomi, aJutând la legarea unul numir u rlat de lonl. Este ceea ce face ca metalele si fie În general atât de solide ,1 dure ,1 explici punctele

Căderea primului domino dintr-o

�

_ _ _

lor de topire ,1 fierbere ridicate. Într-o anumiti misuri, acela,1 lucru este

reacţie în lanţ duce

valabil despre compu,ii Ion Ici cum este sarea

la formarea unui

gemi, În care lonii pozitivi ,1 cel negativi

ciclu.

formeazi laolalti o gigantici latlce lonlci ce oferi compu,ilor Ion Ici punctele ridicate de toprlre ,1 de fierbere caracteristice.

1 36

NA r U KA

MATERI EI: CHIMIA

T I P U R I DE M O L E C U L E

sus

Moleculele de apA conţin leglturl

covalent •. ce •• c. in••amnA ci atomII d. hldro._n au În comun .Iectronl cu atomII de oxlJen.

Carbon

Folosind o anumită metodă, Holmes şi colegii lui încep cu un lanţ simplu sau cu o moleculă liniară care are pe o catenă un atom de azot acesta va fi heteroatomul din ciclu. La un capăt al moleculei, ei adaugă o legătură dublă reactivă, iar la celălalt capăt adaugă declanşează

o

legătură triplă . Apoi

sus

În diamant. fiecare atom d. carbon est.

lept de patru alţi atomi. formind o retea

cascada încălzind amestecul de

duri. numiti structuri moleculari llpntlcl.

reacţie. Legătura triplă de la un capăt al moleculei

Acealti structuri face ca diamantul li ne cea

se desface şi se prinde de atomul de azot din braţul

mal duri lubstanti naturali din lume.

lateral, formând o moleculă intermediară de forma unui mic ciclu. Aceasta face să se desfacă şi legătura dublă de la celălalt capăt şi ia atomul de azot pentru a forma un al doilea ciclu. Ajustând compuşii de la care pornesc, Holmes şi echipa lui au obţinut mai mulţi noi compuşi din două, trei sau patru inele heterociclice unite în acest mod. Cascadele au adăugat avantaj ul de a obţine adesea numai o formă chirală - de o anumită orientare - a moleculei finale . Chiralitatea a devenit tot mai importantă pentru chimişti, iar specificitatea unei cascade pentru o anumită formă chirală ajută chimistul să evite paşii suplimentari de separare de la sfârşitul reacţiei, îmbunătăţind produşii de reacţie, reducând risipa de materiale şi economisind energie.

�

W'''"' �

Sar

� .,.

..

p('.

..t'

._�.. _.. _------_..-

iII'

-_.--

I

CI

SUS

=

clar

Na

=

sodiu

Compu,1I Ion Ici. cum este lar.a lemi. lunt uniţi in

latlce Ilpntlce (Ia acali molecularA) prin atractia electrici dintre atomII de aodlu (Na) incircatl pozitiv ,1 atomII de dor (CI) incircatl nelatlv.

1 37

,CU RTA ISTO R I E

A

ŞTI I N ŢE I

6J�ISU�ffiL �IQIHf'm��'�fAL �� .JJtlI" !2\"H�

" U

E X PE R I M E N T E C U L E G Ă T U R I L E C H I M I C E nil ato mi existi sub forml lzolatl perioade Înd elungate. dar ce l mal mLJ1ţ1 se combi ni cu alţII. formând molecule. Dar existi un model În realizarea

acestor uniuni chimice. Fiecare atom se combini numai cu un anumit numir de alţi atomI. Un atom de hidrogen se combini cu un singur atom de clar. nlclodati cu doi. În timp ce un atom de oxigen se poate uni cu doi atomi de hidrogen. Un atom de azot se poate uni cu trei atomi de hidrogen. iar un atom de carbon se poate uni cu pâ ni la patru alţi atomi. De fapt. flecare atom are un anumit numir de "cârllle". d e care poate atârna alţi atomi . Iar acest numlr este exprimat prin valenţa atomulul. Oe,1 unII at o m i pot avea diferite valenţe În d iferite combinaţII. numirul cârllgelor reflectl direct numlrul electronilor de pe ultimul strat al atomulul. uneori n umit strat de valenţi - Iar acesta ne dl u n Indiciu privind modul În care se formeazi de fapt legitu rlle atom ului. Când substanţe le reacţioneazi. atomII au tendinţa de a capta. a ceda sau de a pune electronll În comun pâni cind ajung la un strat exterior stabil - adiel plin . Iar astfel el dezvolti o atracţie reclprocl. ce-I face si stea legaţi. Când se form eazi legiturlle. electroni! din stratu l de valenţ!. numiţi electroni de valenţl. sunt fle cedaţi sau acceptaţi. dael sunt În legiturl lonlce fi metalice. fle pUfl În com un cu alţi atomi. ca În leglturlle covalente. Leglturlle lonlce se formeazi când atomII care au câţiva electroni În plus În stratul exterior ÎI cedeazi atomllor cirora le lipsesc electroni din straturile lor. AtomII care cedeazi electronll Încircaţl nelatlv devin lonl pozitivi. Iar atomii care ÎI accepti devin lonl negativi - deci se manlfestl atracţie electrici reclproel. Legiturlle covalente apar

VA L E N ŢĂ

când doi atomi pun În comun perechi de electroni. cum se Întâmpli În cazul celor doi atom i de hidrogen ,1 al ato­ mulul de oxllen din molecula de apl. În le,iturlle metalice. atomII ellbereazi electroni În masl. Iar electronll Înelrcaţl

Apă

negativ circuli liber printre atomi. unind un numir Imens de Ionl Încircaţl pozitiv Într-o latlce metallel ilgantlci.

sus

În

moleculele de apl • •ci.rll,ele­

simple ale celor doi atomi de hldro,en .e prind de cirlilui dublu

Hidrogen

al unul atom d. oxllen. În metan. pe de alti parte, cirll,ele simple ale celor patru atomi d. hldro.en .e I.a,i cu cele patru cirll,e ale unul atom d. carbon.

1 38

MINGILE

1'\

DE

CARBON

I n anul 1 9 9 6 , una dintre zonele complet teoretice I ale şti inţei chim i ce a fost recompensată cu

pre m i u l Nobel pentru chimie, evidenţiin d importanţa continuării cercetării ştiinţifice fără a avea neapărat o tehnologie pe care o vizează . P re m i ul a fost acordat împreună lui sir Harold W. Kroto , profesor la Universitatea din Sussex, Aglia, şi profesorilor Robert F. C ur! JL şi Richard E. Smalley de la Universitatea Rice din Houston, S.U.A. , pentru că au descoperit molecula formată numai din carbon de forma unei mingi, denumită buckminsterfullerenă. Carbonul fusese considerat până atunci a fi un capitol încheiat. Existau două forme principale ale sale, sau alotropi: diamantul, din care se fac pietre de i n el, şi grafitul din care se face mina de creion. Mai existau şi câteva forme neregulate, necristaline , denumite carbon amori. Dar în anul 1 9 8 5 Kroto , Cur! şi Smalley au descoperit că era posibilă existenţa carbon ului într-o formă alotropică total nouă, alcătuită din mici sfere de carbon, iar aceste sfere reprezentau o formă moleculară absolut nouă. Echipa a folosit o tehnică analitică denumită spectrometrie de masă pentru a examina anumite mostre pe care le obţinuse, iar rezultatele analizei au indicat prezenţa unor clustere ( ciorchini ) de molecule grele, cu un grad mare de simet rie . După multe ore de căutări, echipa a înţeles în cele din urmă că simetria ridicată putea fi explicată numai dacă molecula principală era o sferă formată din 60 de atomi de carbon ( C 60 ) . S-a dovedit c ă forma aparţinea unui solid matematic denumit icosaedru trunchiat - un corp cu 20 de feţe hexagonale şi 12 feţe pentagonale. Acesta este exact modul de construire al unei mingi moderne de fotbal. Ei au denumit molecula buckminsterfullerenă, după nu­ mele arhitectului şi futuristului Richard Buckminster Fuller, care a folosit structura în clădirile sale, dar analogia cu mingea de fotbal s-a dovedit irezis­ tibilă, iar moleculele sunt cunoscute în general sub numele de buckyball ( ball minge, n. trad. ) . Buckyball-urile sunt una dintre cele mai intere­ sante descoperiri din istoria recentă a chimiei . Deşi li s-au găsit încă puţine utilizări, cei mai mulţi chimişti sunt convinşi că ele vor fi cărămizile din care vor fi construite multe substanţe chimice importante ale viitorului. =

NATURA

M A T E R I E I :

CHIM IA

. I : /lgile reprezintă r. ,mii de

FULLERENELE ulţi chimişti nu erau convinşi de validitatea

M rezultatelor iniţiale şi aveau să mai treacă

alţi c inci ani înainte c a savanţii s ă obţină noua formă de carbon în laborator. Î n mod ironic, au fost doi fizicieni, Donald Huffman şi W olfgang Krătschmer, cei care au găsit o metodă de a obţine buckyball-uri în cantităţi destul de mari ca savanţii să le poată arunca în arena experimentală. Ei au condensat vapori de carbon într-o atmosferă de gaz inert. Atomii excitaţi de carbon s-au combinat şi s-au curbat în grupuri de câteva sute de atomi, iar unele dintre aceste grupuri erau buckyball-uri . Chimiştii reuşiseră acum să desfăşoare multe dintre reacţiile de obţinere a buckminsterfullerenei şi

a

vărului ei în formă de minge de rugby,

fullerena C 70 . Ei au ataşat fullerenelor aproape orice grupă chimică cunoscută şi au descoperit şi modurile de captare a metalelor şi a altor elemente sus Buckyball-ul e_ o moleculi

remarcabili. construiti �rtlflclal. cu 60 de atomi de carbon - pu, 1 laolaltl lub forma

Barele reprezintă legăturile dintre atomii de carbon.

une i mln,l d. fotbal. Numel. provine d.

I� arhitectul Buckmlnlter Full.r. Clre a construit domurl ,.odezlce În anII 1950.

în interiorul sferelor de carbon în timp ce se formau. Efectele asupra proprietăţilor electrice ale materialelor

sunt

uimitoare,

făcându-Ie

s uperconductive l a numai 770 Kelvin ( doar cu 196 0 K sub temperatura de îngheţ a apei ) . Apoi

chiar au captat fullerenele în spaţiile goale ale materialelor poroase, ca minerale le naturale de zeolit, iar aceste compozite pot fi făcute să

E N E R G I A L E GĂT U R I I

strălucească în lumină slabă. A început să se dezvolte şi biologia fullerenelor,

A proape toate reaqllle chimice presupun o schimbare de energie, În timp J-\ ce se formeazl noi legAturi ,1 se desfac cele vechi. Pentru desfacerea unei

buckyball-urilor care au activitate biologică . De

legAtu ri este necesarA ener,le, Iar crearea unei leglturl ellbe reazl energie.

exemplu, studiile de l aborator sugerează că u n

iar cercetătorii au creat mai multe versiuni ale

Cu cât legltu ra este mal puternici, energia le,Aturli este mal mare - adlcl,

derivat poate bloca activitatea anumitor enzime

pentru ruperea le,lturllor mal puternice este necesari mal multi energie.

ale virusului HIV, care provoacă SIDA.

Unele reaqll Impllcl ener,le electrici, altele necesltl lumini, dar cele mal multe au nevoie de clldurl.

O reaqle În care este eliberati clldurA este numiti reacţie exoterml. De exemplu, când arde lemnu l , este eliberati mal multi energie prin crearea

Numeroase grupuri de cercetători caută metode de a construi de la zero mingile alcătuite numai din carbon folosind tehnici de sinteză organică

noilor leglturl decât este absorbltl pentru ruperea leglturllor, deci din reacţie

tradiţionale. Astfel, ar putea să adauge grupe

se de,all clldu rl. Explozia este forma cea mal Intensl de reacţie exoterml.

chimice cu funCţii utile pe măsură ce construiesc

O reacţie În car-e este absorbltl clldurA din mediul ÎnconJurltor este numiti

mingile, în loc de a le adăuga ulterior. Ei speră că

reaqle endoterml. Afa funqloneazl compresele reci folosite de sportivi pentru

astfel vor avea mai mult control asupra produsului

a rAcorl rAnile. În Interiorul compresel se dlzolvl În apl azotat de amonlu, proces

final şi că vor p utea introduce noi elemente

care presupune ruperea unor le,lturl. Pentru ruperea legAturilor este absorbltl

structurii sferice. Mingile pot fi şi " umflate " - pot

ener,le sub formA de clldurA, ceea ce rAcefte apa.

fi plasaţi în interiorul lor atomii unui alt element.

1 39

S C U RTĂ ISTORI E

A

ŞT I I N ŢE I

P R EAPTA Sistemel. d. realitate

virtuali permit chlml,tllor si ale.,' molecu le, si le rote.,ci. si adaus_ Iau .1 indepirteze

eru .,. ,1 si vadi cum pot reacţiona - totul p. computer. Aici. molecula mar. mov d. forma unei panellcl este modelul unei .n.zime HIV, În timp ce ce. albastri este ADN-ul.

CHIMIA VIRTUALĂ himiştii au trudit timp de decenii deasupra eprubetelor şi retortelor căutând metode de a ames­ teca şi a potrivi atomii în noi molecule. Dar truda lor s-ar putea sfârşi în curând, deoarece chimiştii care iubesc mai puţin retortele au creat programe de computer care pot învăţa cum pot să proiecteze reacţiile şi în final să pro­ grameze un braţ de robot să agite recipienţii de reacţie în locul lor. Chimiştii explorează puterea computerului de a lucra în ciberspaţiul abstract. În loc de a pune substanţele chimice laolaltă în eprubete, ele sunt puse la un loc într-o lume virtuală, în care timpul poate fi oprit sau dat înapoi în timp ce modelele computerizate ale moleculelor reacţionează între ele. Chimia compu­ taţională, după cum se ştie, este un domeniu nou şi interesant. Johann Gasteiger de la Institutul pentru Chimie Organică al Universităţii din Erlangen-Niirnberg din Germania este unul dintre savanţii care a u considerat că chimiştii muncesc prea mult. E l ş i colegii s ă i ş i - a u petrecut 1 5 a n i proiectând u n program d e computer care, speră e i , examinează o moleculă şi determină exact modul în care va reacţiona fără a folosi măcar o eprubetă. Acest software foloseşte informaţiile din mai multe baze de date care conţin sute de mii de reacţii chimice - fiecare cu condiţiile specifice, catalizatorii şi reactivii listaţi împreună cu parametrii fizici ai moleculelor implicate. Un chimist poate căuta manual în baza de date sau poate folosi un program de căutare pentru a alege reacţiile care îl interesează, însă o singură căutare poate duce la o listă de mai multe sute de reacţii dintr-o bază de date care poate conţine milioane de reacţii. Analiza manuală este şi laborioasă şi de durată.

1 40

Gasteiger a considerat el poate învăţa un program de computer numit reţea neurală Kohonen să facă sortarea în locul lui. Gasteiger a tras concluzia că dacă toate proprietăţile fizice şi chimice ale reac· ţiilor ar putea fi introduse în program dintr-o bad de date, ar putea fi creată o hartă completă a reac· ţiilor chimice, a naloagă reţelei de intrări senzoriale din creierul uman. Î n locu l intrărilor senzoriale, echipa lui Gasteiger a introdus toţi factorii care afectează o reacţie chimică, precum temperatura şi presiunea. Echipa lui Gasteiger a ales o singură clasă largă de reacţii chimice pentru a -şi testa ideile şi a folosit programul de căutare pentru a căuta un tip general de reactie. Ei au obţinut un set de 1 2 0 de reacţii dintr-o bază de date cu 3 70000 de intrări . Pentru a simplifica şi mai mult lucrurile, ei au ales şapte proprietăţi fizice caracteristice asociate cu centrul de reacţie al fiecărei molecule ca intrare pentru reţeaua neurală.

REACŢII CHIMICE r" ând este introdusă o reacţie, variabilele sunt x 12 de neuroni artificiali din software. Reacţiile s unt introduse secvenţial, iar după fiecare intrare poderile neuronilor sunt aj ustate pentru a-i face să semene cu variabilele de

\.-' mapate pe o grilă 12

intrare. Cu cât un neuron este atins mai aproape, cu atât este aj ustarea mai mare. Acest lucru " a ntrenează " reţeaua. D acă următoarea reacţie introdusă are variabile similare, este mapată pe un neuron apropiat de primul, dar dacă valoarea este diferită, este plasată pe un neuron mai îndepărtat iar ponderile trebuie aj ustate din nou. Procesul a creat un " peisaj " bidimensional al reacţiilor, în care reacţiile similare sunt grupate împreună, în timp ce reacţiile diferite se află departe una de alta . Capetele izolate din peisaj indică reacţii chimice neobişnuite şi rare.

N A T U R I\

BOSS ŞI SYNGEN

Ji1""" el mai interesant aspect este modul în care pot \-, fi prezise proprietăţile noilor compuşi. Când s unt introduse în reţeaua neurală cele şapte variabile pentru o nouă moleculă, aceasta le procesează şi atribuie noii molecule o a n umIta regiune. Acea sta permite chimistului să vadă - în j umătate de secundă - reacţiile posibile prin care molecula ar trece în laborator.

M A r E R I E I :

CHIM IA

•

JOS Mlcroclpul computerulul este eprubeta viitorului locul În care chlmlftll inca.rei reacţiile chimice.

William Jorgensen de la Universitatea Yale din New Haven, Connecticut, lucrează la alt program, numit BOSS ( Biochemical and Organic Simulations System - Sistem

de simulări biochimice şi

organice ) . Chimistul introduce materiile prime în computer şi adaugă condiţiile de reacţie folosind meniuri derulante . Apoi programul înearcă să anticipeze ce se va întâmpla, folosind un set de reguli bazate pe decenii de observaţii de laborator pentru

a

pune cap la cap paşii fundamentali de

creare a reacţiilor cunoscute sau poate necunoscute încă . De exemplu, regulile lui Baldwin, inventate de către un chimist pe nume Baldwin de la Universitatea Oxford, preziceau dacă o catenă de carbon cu un atom de oxigen sau de azot în capăt se va curba sau nu pentru a forma un ciclu. Regulile lui Cram - formulate de chimistul american Donald Cram - pot prezice în ce mod un reactiv va ataca o legătură dublă carbon-oxigen. Există multe

trasee

pe care le poate urma o

moleculă. James Hendrickson de la Universitatea Brandeis a imaginat alt program, numit SYNGEN - pentru generatorul de sinteză - care caută calea cea mai scurtă de montând reacţia-ţintă pe ecranul computerului. La fiecare disecţie scheletală, arată chimistului ce grupe funcţionale ar fi necesare pentru a iniţia o secvenţă de reacţii de reconstruire a scheletului şi a obţine produsul. Folosite împreună, programele de computer permit chimiştilor nu numai să clasifice tipurile de reacţii şi să prezică modul în care poate reacţiona o anumită moleculă, ci şi să determine ce tip de reacţie poate fi necesar pentru a produce o moleculă nou-creată . Reţeaua neurală clasifică reacţia, BOSS poate afla ce reacţii ar merge, iar SYNGEN optimizează ruta şi determină costurile de producţie ale substanţei.

141

•

S C U RTĂ ISTO R I E A ŞT I I NŢEI

UN COMPUTER CHIMIC

nu se mulţumesc cu simplitatea. Î n "_,," ciuda progre selor din proiectarea moleculară asistată de computer, mulţi chimişti se înde­ părtează acum de moleculele singulare şi trec la domeniul arhitecturii moleculare . Aceasta r..... himiştii

Înseamnă unirea moleculelor individuale pentru a

construi maşini moleculare sub-microscopice sau

Halatul alb de laborator va deveni În curând o caracteristică a trecutului, pe măsură ce chimiştii vor sta În hainele lor de zi cu zi, lucrând la computere.

Prin tradiţie, aII " folosite sticlă a '. experimente ,,,_

recipi"'''. pentru

"supermolecule " : cărămizile computerelor bazate pe substanţe chimice.

deoarece sticla aproape şi permite să vadă se În recipient.

Ideea construirii unui computer din componente

""

ne.re".... chi".1IfIfIII ce î""'"

la scală moleculară, în locul bucăţilor relativ mari de materiale semiconductoare precum siliconul, necesită multă muncă din partea chimiştilor. Ea le oferă oportunitatea de a crea nişte structuri chimice frumoase, de a rezolva probleme de sinteză extrem de complexe şi duce la un viitor al super-computerelor de dimensiunea unei cărţi. Un proiectant de electronice are tendinţa de a

ft

lucra de sus în jos pentru a face dispozitive tot mai mici. Această abordare ne-a dat cipul de siliciu : o secţiune de grosimea unui biscuit, din material semiconductor cristalin, cu componente micros­ copice - tranzistoare, diode şi capacitoare gravate pe suprafaţă folosind tehnici de imprimare şi substanţe chimice corozive. Pe de altă parte, chimistul are instrumentele şi tehnicile necesare pentru a lucra de j os în sus, proiectând mai întâi dispozitivul ş i apoi asam­ blându-i părţile componente . Instrumentele şi tehnicile pe care le poate folosi un chimist sunt baza dezvoltării rapide a ramurii chimiei de sinteză denumite chimie supramoleculară - un domeniu care ar putea introduce masiv chimia în industria electronicelor.

j

CHIMIA SUPRAMOLECULARĂ

ean-Marie

Lehn

de

la

Universitatea

din

Strasbourg, Franţa, a împărţit pr emi � l Nobel . . pentru chimie din anul 1 9 8 7 cu amencanll Donald Cram şi Charles Pedersen pentru munca lor de pionierat în proiectarea complecşilor moleculari. Lehn defineşte chimia supramoleculară ca fiind " chimia de dincolo de moleculă . . . chimia proiectării legăturilor intermoleculare " . Ceea ce v rea să spună este că, în timp ce reacţiile chimice

1 42

normale, de zi cu zi, presupun desfacerea şi crearea legăturilor dintre atomi, chimia supramoleculară se bazează pe crearea şi ruperea legăturilor dintre molecule întregi. Aceste aşa-numite legături noncovalente - spre deosebire de legăturile covalente obişnuite din compuşii organici - se află în centrul multora dintre reacţiile de tip computaţional desfăşurate de miloane de ori în organismele vii. Prin planificare şi proiectare, structurile elaborate pe care le face posibile chimia supramoleculară ar putea oferi cheia către construirea dispozitivelor la scală nanometrică (la nivelul miliardimilor de metru) şi ar putea duce până la urmă la crearea unei maşini computaţionale bazate pe chimie în loc de electronică. Există două principii maj ore implicate în chimia supramoleculară. Ambele se inspiră foarte mult din natură, dar lucrează per ansamblu cu sistemele sintetice.

sus Mal este inci loc pentru

chlml. tradiţionali de laborator ,1 mulţi chlmlftl inci preferi II studieze direct reacţiile ,1 lubatanţele reale.

NATURA MATERI E I :

RECUNOAŞTERE ŞI AUTOASAMBLARE

Primul dintre aceste principii este proprietatea unor compuşi de a trece prin recunoaştere moleculară. Acest proces e ste analog multor evenimente biochimice, precum situaţia în care o moleculă se leagă de un receptor sau intră în locul activ al unei enzime ca o cheie în broască . Chimiştii supramo­ leculari construiesc cicluri şi colivii, de exemplu, care pot recunoaşte şi capta în cavităţile lor moleculele sau ionii mai mici, la fel cum o moleculă de parfum intră în receptorul pentru miros. În anii 1 960 şi 1 970, Charles Pedersen a

JOS Chlml. modernl Înseamni

acum d. obicei asamblare. atomllo r ,1 a molecule lor simple

A LF R E D N O B E L

pentru a cre. noi molecul. În

A Ifred Nobel a rimas În M. memoria oamenilor mai

lum •• virtuali a computerulul. Pini la urmA. c hiar ,1 computerel. ar put•• fi cre .te

ales pentru fondarea pre­

prin asamblarea m o l ecu le lor

m IIlor care Î I poarti numele.

proiectate p. computer.

Premiile a u fost Înfiinţate pentru a-I onora pe cel care au În

mod

Ironic, banII

ajutat

umanitatea. dar,

pentru

ele

provin

din

fabricarea explozlbililor ,i a armamentului. De fapt, preocuparea lui Nobel faţi de explozlbili l-a dus la

pro iectat un grup de compuşi denumiţi eteri coroană, care au fost printre primele sisteme chimice despre care se ştia că recunosc alte specii chimice şi se leagă selectiv de ele . Unul dintre cei mai mici eteri coroană, de exemplu, recunoaşte şi captează ionii metalului alcalin litiu, preferându-l altor metale alcaline din soluţie .

C H I M IA

o tragedie per-sonall În anul 1864, când fabrica sa a Început si produci nltroB"cerlni, Iar fratele lui, Emil, a fost ucis Într-o explozie. În loc de a abandona explozibilll, Nobel a inventat o substanţl Pe computer, noile molecule pot fi triate şi testate În siguranţă, Într-o clipă.

mal sllur-l, dinamita. Zece ani mai târziu, În anul

1875,

a

inventat

fulmlcotonul,

unul

dintre

explozlbilil cel mal laI'I folosiţi Înel ,i azI. Nobel a sperat el substanţele distructive pe care le producea vor pune capit r-lzbolulul, În ace�i mod În care, un secol mal târziu, oamenII aveau si fie

Programele sofisticate de computer permit chimistului să Întoarcă m olecula şi să o vadă din toate unghiurile.

sedu,1 de armele nucleare. Faptul ci a fondat premiile Nobel a fost o Încercare de a-fi îndrepta Ire,eala.

m��l.�IDiLMf'i:B%ir�{ţl.,.rM� Al doilea principiu al chimiei supramoleculare este denumit principiul autoasamblării. Din nou, această idee are un analog natural în asamblarea părţilor unui virus care atacă plantele de tutun . Virusul este un mic cilindru proteic având în interior ARN-ul genetic. Cilindrul este alcătuit din 2 1 3 0 subunităţi proteice identice în formă de pană, care sunt puse una peste alta în spirală ca şi cărămizile unui turn. Dacă virusul şi lungul său şir de ARN (care are 6400 componente de bază ) sunt rupte chimic în părţi individuale şi apoi părţile sunt puse înapoi într-o soluţie, ele se recunosc reciproc şi se autoasamblează în laborator. Rezultatul este din nou, în mod uimitor, mozaicul infecţios complet al virusului. Autoasamblarea este strâns legată de ideea recunoaşterii moleculare: recunoaşterea reciprocă a subunităţilor ghidează construcţia supermoleculei. Eterul coroană numit 1 2-coroană-4 (un macrociclu cu 12 membri şi 4 atomi de oxigen egal distanţaţi )

1 43

', C U R

TĂ I S

T O R l E

A

ŞT I

I N

TE

I

este un bun exemplu. Nu numai că recunoaşte selectiv ionii de litiu, Însă numai amestecarea păqilor componente ale ciclului într-o soluţie care conţine ioni de litiu duce la autoasamblarea spontană a ciclului în j urul ionului metalic - care se comportă ca un fel de şablon pentru structură . Când chimiştii au început să aplice aceste două p rincipii - recunoaşterea şi autoasamblarea pentru proiectarea unor structuri chimice mai complexe, au observat că realizau de fapt planurile pentru dispozitivele care puteau forma baza

care efectuează în fiecare secundă un număr inimaginabil de calcule. Moleculele sunt cel puţin de o mie de ori mai mici decât cele mai mici componente lipite pe siliciu, deci câteva milioane de milioane ar putea încăpea pe un cip molecular. Acesta este echivalentul potenţial al unui milion de computere de birou într-o singură maşină. PROIECTANŢI

TOT

MAI MICI

xistă s ute de grupuri de cercetare care pun bazele dispozitivelor moleculare ce ar putea

computerelor moleculare.

Într-o zi să formeze baza acestui megaprocesor

LISTA DE CUMPĂRĂTURI

imaginar. Un astfel de grup este ş i cel condus de către J. Fraser Stoddart. El şi colegii lui au o meri­ tată reputaţie de experţi în proiectarea moleculelor

PENTRU UN COMPUTER MOLECULAR

n această etapă a dezvoltării ipoteticului nostru

capabile de recunoa ştere şi autoasamblare şi au făcut progrese uimitoare către dispozitivele mole­

computer molecular, nimeni nu ştie prea bine ce dispozitive şi componente vor fi necesare . S-ar putea ca toată tehnologia electronică din ultima

culare care s-ar p utea comporta precum comuta­ toarele Într-un computer integral molecular.

j umătate a secolului XX să devină irelevantă datorită unei noi abordări . Conform părerii pionierului în nanotehnologie K. Eric Drexler,

Echipa lui Stoddart a propus câteva variante pe o temă similară: unirile moleculare, care, speră ei, le vor permite să înţeleagă mecanica recunoaşterii

probabil că încercarea de a copia microelectronica la scală nanometrică nu este cea mai bună abordare a problemei. El a sugerat că maşina diferenţială a matematicianului victorian Charles

moleculare. Ei au pus la punct arta înlănţuirii

Babbage ar putea fi un prototip mai probabil al unui computer molecular, în care legăturile şi declanşatorii moleculari efectuează calculele la o scală de miliarde de ori mai mică decât şi-ar fi Închipuit vreodată Babbage. Indiferent de ceea ce face Drexler, savanţii muncesc din greu pentru a crea versiuni molecu­ lare ale dispozitivelor electronice familiare . Sunt acum cercetate intens metodele de a face ansamblurile de câţiva atomi să se comporte ca

n iş t e diode, tranzistori, comutatoare,

cabluri şi chiar ca nişte cleme crocodil . Potenţialul reducerii este enorm. Microprocesorul puternic aflat Într-un computer de birou obiş­ nuit conţine mai multe mili­ oane de dispozitive micro­ electronice pe fiecare cip de sliciu. Aceste dispozitive sunt porţi logice şi tranzistori 1 44

şi a autoasamblării şi să realizeze comutatoare moleculelor ciclice, fie pe un lanţ molecular închis fie pe alt ciclu . Ambele componente ale acestor supe rmolecule , denumite respectiv rotaxani şi catenani, au capacităţi de recunoaştere. Ele j oacă

K. ERIC D R EXLER

Pini acum. incercirlle ele • proiecta un computer moJecular o-au bazat pur ,' simplu pe Imkarea computerelor convenţionale pe o scarl lnflma. Drexler suger.azI ci ar n �I utili o abordare complet diferiti.

N ATUR A

\ ,

"

M A T E R I E I :

CHIM IA

. -tp ut căutarea

" , ! l

nanocircuite molec u l a re 1 40 n at u ra de p a rticu lă a

l uminii

56-57, 76, 78 natura p art i cul ă/undă a lumi n i i 60-6 1 , 76-77, 8 0 nebuloasă 95

Neptun 1 04, 1 07, 1 1 1 , 1 1 4

neutroni 8 0 · 8 3

m i �"'r