kazagrandy (kazagrandy) wrote,
kazagrandy
kazagrandy

Химпьютер!

Оригинал взят у westaluk в Химпьютер
Оригинал взят у evan_gcrm в Химпьютер
Оригинал взят у prosto_rgb
Оригинал взят у lexpartizan


Речь о химическом синтезе.
О молекулярном принтере.
О вычислительных технологиях, стоящих за контролем процессов и реакций.
Данные исследования ещё ведутся, и в этом направлении учёные только начали копать.

Разные учёные мечтают создать машину для синтеза сложных химических соединений из простых. Синтез молекул различных химических соединений является невероятно сложным и трудным процессом, требующим большого количества рабочего времени персонала с самым высоким уровнем квалификации. Даже у высококвалифицированных химиков в особо тяжелых случаях поиски процессов синтеза молекул определенных видов могут занять несколько лет, а выяснение и описание всех их свойств - и того больше.

Из-за трудоёмкости и сложности химического синтеза фармацевтические компании рубят бешенное бабло, фактически шантажируя попавших в беду людей, а ещё более мерзкие компании занимаются подделкой лекарств, со вкусом, идентичным натуральному.
Но, возможно, мир скоро изменится. Набор "юный химик" может скоро сравниться по доступности и универсальности с набором "юный конструктор"(3D-принтер).




Итак, познакомимся с действующими проектами:

1. Химическая машина профессора Мартина Берка (Martin Burke). 2015 год.


Ученые из Иллинойса полагают, что их изобретение, в основе которого лежит ряд новых принципов синтеза, позволит значительно увеличить скорость проведения научных исследований, стать эффективным средством при разработке новых лекарственных препаратов и принести огромную пользу в других областях, в которых требуется синтез сложных молекулярных соединений.
"Мы взяли очень сложный процесс химического синтеза и максимально упростили его за счет использования автоматизации и ряда других современных технологий" - рассказывает профессор Мартин Берк (Martin Burke), глава исследовательской группы, - "Эта простота, определяемая высоким уровнем автоматизации, позволит заниматься синтезом молекул даже неспециалистам в этой области, что в свою очередь позволит увеличить количество открытий, сделанных в самых разных областях".
Разрабатывая свою машину, исследователи начали с самых основ химического синтеза. Они "разбили" процессы синтеза сложных молекул на последовательность синтеза более мелких составляющих элементов, которые сами синтезируются достаточно простыми способами. И из этих простых заготовок производится синтез сложных молекул, который проходит при помощи одной, максимум двух химических реакций.

Процесс синтеза в новой машине напоминает нанизывание бусинок на ниточку. Взяв за основу один стандартный блок будущей молекулы, машина присоединяет к нему следующий. После этого система смывает лишние химикаты и делает следующий шаг, добавляя к молекуле еще один блок. Основным козырем исследователей является тщательно разработанная система последовательности соединений "стандартных блоков", а в роли этих блоков выступают молекулы распространенных химических соединений, большинство из которых можно просто купить в специализированных магазинах химических реактивов. В качестве демонстрации эффективности такого подхода ученые произвели синтез 14 разных типов маленьких, но сложных молекул. Некоторые из этих молекул содержали кольцевые структуры, которые достаточно тяжело синтезировать обычными методами, но которые были получены без особых затруднений в автоматическом режиме.

"Работа группы доктора Берка привела к тому, что сложнейший процесс синтеза маленьких молекул стал высокоэффективным, гибким и доступным для широких масс исследователей и ученых" - рассказывает Майлз Фабиан (Miles Fabian), ученый из института Health's National Institute of General Medical Sciences, учреждения, финансировавшего этот проект, - "И эта машина, безусловно, окажет огромное влияние на темпы продвижения, на количество новых открытий в области синтетической химии, биологии и других естественных наук".

Для практического внедрения новой технологии Мартин Берк основал компанию Revolution Medicines Inc., которая уже занялась разработкой "молекулярных конструкторов" нового поколения. Если все пойдет так, как запланировано, эти машины смогут изменить химическую отрасль так же, как 3D-печать преобразила конструкторские бюро. Revolution Medicines уже работает над совершенствованием органического соединения Amphotericin B, которое используется для лечения пациентов со смертельно опасной грибковой инфекцией.


2. Профессор Ли Кронин из Университета Глазго. Chemputer. 2012 год.


Основная идея та же - синтез сложных молекул из простых. Да и воплотил её Ли Кронин раньше Мартина Берка. Но он, в стремлении сделать химию "загружаемой из интернета" даже пошёл дальше. Он использует обычный зд-принтер для печати реакционных камер и их соединений единым блоком. Для каждого синтезируемого вещества печатается химлаборатория(реакционные камеры и соединения) на самом обычном зд-принтере. В качестве материала для печати используется обычный герметик. После его застывания в напечатанный блок впрыскиваются "химические чернила", которые в нужной последовательности проходят по реакционным камерам, синтезируя новое, более сложное вещество. Эти «чернила» будет представлять собой простые реагенты, из которых образуются более сложные молекулы. "я бы пошутил, что найти ваши чернила вы бы могли в таблице Менделеева: углерод, водород, кислород, и так далее," Кронин говорит, "но, очевидно, вы не можете обрабатывать все эти вещества очень хорошо, поэтому всё немного сложнее. Если вы хотите сделать сахар, к примеру, вы бы начать с набора базовых сахаров и смешивать их вместе. Когда мы делаем сложные молекулы традиционным способом с трубками и колбами, мы начинаем с меньшим числом более простых молекул ". Как он указывает, почти все препараты изготовлены из углерода, водорода и кислорода, а также легко доступных средств, таких как растительные масла и парафин. "С принтером это должно быть возможно, что при относительно небольшом количестве чернил вы можете сделать любую органическую молекулу," говорит он.

Честно говоря из разных перводов и упоминаний так и не понятно, создал ли он ибупрофен на своём Chemputer или только намерен создать.



3.DrugPrinter.

Технологию молекулярной 3D-печати описал в своем труде исследователь из Тайваня Кэлвин Ю-Чань Чень. Его статья под названием «DrugPrinter: print any drug instantly» была на днях опубликована в журнале Drug Discovery Today. Однако, статья уже удалена автором.
Машина с помощью облачных вычислений автоматически выведет нужные условия для реакции. Соединение будет тот час же произведено многими крошечными реакторами.

Принтер для печати лекарств будет поделен на четыре части.

(a) – хранилище элементов (аналог картриджа в любом другом принтере), поделенное на три части согласно классификации элементов в периодической таблице.
(b) – конвеер для трансфера атомов.
(c) – оптический пинцет, в который с помощью плазмы, лазера, сопла или электромагнитного поля будут «толкать» нужный атом.
Конструкция предусматривает шесть оптических пинцетов для управления атомами в трехмерном пространстве.
(d) – крошечный нанореактор, в котором и будет происходить синтез согласно заданной структуре.



Для позиционирования атомов в матрице, Чен предлагает четыре способа:



Идея, изложенная в удалённой статье, выглядит интересно, но остается неясным, каким образом DrugPrinter будет строить связи между компонентами молекулярной модели, не описаны механизмы проведения химических реакций и масса других важных деталей.
Имхо, это просто концепт.

Но химического 3D-принтера мало.

Нужен и химический 3D-сканер.

Чтобы можно было определить состав таблетки и её молекулярную структуру.
К счастью в 2015 году с помощью графена учёные получили датчик, определяющий состав и структуру молекул.

«Вначале мы выстраиваем наноструктуры на поверхности графена, бомбардируя его электронами и вытравливая ионами кислорода,- поясняет Дэниель Родриго, соавтор работы. — В ответ на приходящий свет электроны в наноструктурах графена начинают колебаться. Этот эффект, называющийся локализованным поверхностным плазмонным резонансом, и позволяет концентрировать свет в небольших точках, сравнимых по размеру с нужными молекулами». Этот метод позволяет определить не только саму молекулу, но и состав связей между её атомами. Разные молекулы испускают отличающиеся наборы вибраций, каждая из которых характерна для определённых связей. Для этого графеновый датчик «настраивается» на эти колебания путём подачи на него электрического напряжения различной величины. В результате становится возможным получить полную информацию об исследуемой молекуле. Учёные тестировали этот метод на белковых молекулах и получили исчерпывающее описание их структур.

Конечно, не всякое государство может преодолеть фармацевтическое лобби и внедрить подобную технологию. Впрочем, проблемы фармамафии меня не сильно волнуют. А вот то, что на этом принтере можно создать любую наркоту - да. Это опасность. Но перспективы завораживают...






Топливо за бортом! Свистать всех наверх!

США, решили применить новую концепцию флота.
А именно, синтезировать топливо из морской воды прямо на месте. Это позволит Флоту США свободно действовать на дальних дистанциях, без ограничений по радиусу действия и без нужды в снабжении топливом. А военных танкеров у США всего 15 штук. Посему пиндосы решили черпать топливо за бортом, разлагая воду на углекислый газ и водород. А углекислого газа в воде много. Концентрация углекислого газа в морской воде приблизительно в 140 раз выше, чем в атмосфере и всего лишь в 3 раза меньше, чем, к примеру, в дыме труб работающей ТЭЦ. Так что это вполне промышленный источник.

«Сердцем» установки, которая была продемонстрирована 7 апреля 2014 года, является специальный модуль E-CEM – модуль электролитического катионного обмена, который, по словам разработчиков, в состоянии выделять из морской воды CO2 и H2 с очень высокой эффективностью 92%.



Полученные таким образом газы в дальнейшем превращаются в жидкие углеводороды. В обычных условиях это был бы метан (CH4), однако благодаря применению специально подобранных катализаторов (авторы держат химическую формулу в секрете) на выходе удается получить сравнительное длинные алкены (этиленовые углеводороды) в 60% случаев. Такие углеводороды уже можно применять в современной химической промышленности, а также в некоторых видах топлива. В дальнейшем с помощью контролируемой полимеризации они преобразуются в длинные цепочки, которые содержат уже от 9 до 16 атомов углерода. Такие показатели близки к топливу, которое сегодня применяется в ДВС – двигателях внутреннего сгорания. К примеру, бензин содержит фракции углеводов в диапазоне C5-C12, керосин – C9-C17, дизельное топливо – C8-C24.

Прогнозируемая стоимость реактивного топлива с использованием данной технологии составляет 3-6 доллара за галлон (0,8-1,6 долларов за литр), говорят эксперты из Военно-морской исследовательской лаборатории США, которые тут же испытали самолет, работающий на топливе из морской воды.

Конечно, производство топлива из воды требует энергозатрат, как мне правильно указали в комментах. Я погуглил чуть больше и выяснил, что тактика применения данной технологии такова - авианосец с атомной силовой установкой снабжает сопровождающие корабли и своё авиакрыло.

Но не только вояки интересуются топливом из воды.

Специалистам немецкой автомобилестроительной компании Audi удалось ещё на один шаг приблизиться к своей заветной мечте – создать синтетическое дизельное топливо из экологически чистых составляющих: воды и углекислого газа. Новое топливо получило название E-Diesel, а федеральный министр образования Германии Йохана Ванка даже заправила этим топливом свою служебную машину Audi A8 под аплодисменты журналистов и представителей автомобильной компании. Электричество от солнечных батарей используется для получения водорода из воды с помощью обратимого электролиза. Водород смешивают с CO2, который был преобразован в CO при помощи двух химических процессов. В результате получается жидкость из длинноцепочечных углеводородов – это и есть «голубая нефть». Именно из неё и производится синтетическое топливо E-Diesel. Общая энергетическая эффективность создания топлива при помощи возобновляемой энергии составляет около 70%, согласно информации, опубликованной представителями Audi. Ожидаемая рыночная стоимость такого топлива составит от 1 до 1,5 евро за литр, что, в принципе, не намного дороже традиционных видов топлива.

Пару месяцев назад (8 января 2016) исследователи из университета Индианы смогли создать биовещество, которое выступает эффективным катализатором при получении водорода из воды. Учёные заявляют, что это открытие значительно приблизило нас к получению дешёвого водородного газа из воды. Вещество, получившее название P22-Hyd, использует гидрогеназу в качестве фермента. Гидрогеназа была заключена в капсид (протеиновую оболочку) от бактериофага P22, в результате чего её эффективность повысилась в 150 раз. Производится же она в процессе брожения при комнатной температуре двумя генами широко распространённой кишечной палочки. В настоящий момент в большинстве концептов автомобилей на водородном топливе для генерации водорода используется дорогая платина. P22-Hyd очень дёшев и экологически чист в производстве. Это вещество не только сравнимо с платиной по эффективности, но также является возобновляемым, ибо это просто выращенная кишечная палочка, Карл!

Думаю, это относится к стадии разложения морской воды на водород и углекислый газ.

А буквально неделю назад (26 февраля 2016) исследователи Техасского Университета (Арлингтон, ЮТА) продемонстрировали прямое, простое и недорогое преобразование СО2 и воды в жидкое топливо с помощью высокого давления, интенсивного излучения и сконцентрированного подогрева.

Американские химики провели работу, которая упростила получение нового углеводородного топлива из парниковых газов. Это принципиально новый метод, в котором используют водяной пар, солнечный свет и углекислый газ. Впервые процесс получения нового топлива стал одноступенчатым. Американские же химики смогли превратить процесс в одноступенчатый и менее затратный. Для этого был создан проточный химический реактор, внутри которого под давление в 1-6 атмосфер смешивались водяной пар и углекислый газ, при участии концентрированного солнечного света.
Для инициации процесса фото- и термохимической реакции используется фотокатализатор из диоксида титана, который очень эффективен в UV-спектре, но неэффективен в видимом. Для повышения эффективности исследователи собираются создать фотохимический катализатор, лучше соответствующий солнечному спектру. Согласно исследованиям, команда предполагает, что кобальт, рутений или даже железо можно рассмотреть как хороших кандидатов на новый катализатор.

В будущем исследователи предполагают, что параболические зеркала могли также использоваться, чтобы сконцентрировать солнечный свет на катализаторе в реакторе, таким образом обеспечивая и необходимое нагревание, и фотоинициацию реакции без других источников внешнего питания.
Американские ученые объявили о создании принципиально нового метода получения топлива из солнечного света, водяного пара и CO2. Об этом сообщает издание Proceedings of the National Academy of Sciences. Разработанный группой исследователей одноступенчатый процесс преобразования CO2 и воды в жидкие углеводороды и кислород может осуществляться в фототермохимическом реакторе проточного типа при температуре 180-200 градусов и давлении до 6 атмосфер.

Это я к тому, что "пик нефти" пройден и мы все "скоро умрём" без энергии. Не умрём.
Есть гидраты. Есть морская вода. Есть водоросли. Есть солнечные батареи.






Кстати, о солнечных батареях...

Компания heliatek в очередной раз побила рекорд по органическим солнечным батареям, выпустив батареи с КПД 13,5%. Эти батареи производятся крайне дешёвым методом печатной электроники, они легки, гибки, хорошо работают в пасмурную погоду. Однаго, проблема деградации органических фотоэлементов при долгом воздействии ультрафиолета так пока и не решена.

Впрочем, возможно, органические батареи не успеют родиться. Ведь им на смену уже приходит графен.

Графен обладает превосходными электрическими и механическими свойствами, но из-за слабого (2,3%) поглощения падающего света до сих пор считался неэффективным для оптических приложений. Новое исследование, опубликованное вчера в Science Advances, предлагает способ увеличить поглощение этим 2D-материалом света до 95% в широкой полосе частот от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов.

В своих поисках решения британские учёные руководствовались подсказками природы. Микроскопический рельеф на поверхности глаз ночных бабочек пропускает внутрь больше света, улучшая зрение в условиях слабого освещения. Уменьшение количества отражённого света имеет дополнительное преимущество, помогая бабочкам скрываться от хищников.

Авторы применили так называемую технику нанотекстурирования, которая заключалась в выращивании графена на металлической поверхности с объёмной текстурой. Узкие промежутки между элементами текстуры служат для локализации света и увеличения его поглощения.



Tags: интересное, техника
Subscribe
Buy for 100 tokens
Buy promo for minimal price.
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment