Categories
Podcasts SciCast Stiinta

Tehnocultura SciCast 003 – Tirania electronului + Vulkan, AM vs FM, HTTP/2 vs HTTP/1.1, doxing, patent trolls, structura ADN-ului [show notes]


Tehnocultura SciCast 003 a fost înregistrat duminică, în data de 1 mai 2016, în Londra, Marea Britanie.

Subiectul principal al acestui episod: electronul și utilizările lui.

Audio podcast pe iTunes:
https://itunes.apple.com/ro/podcast/tehnocultura/id929951093?mt=2

Video pentru electroni:

Nu poți subestima importanța electronilor în toate procesele vieții și în existența Universului însuși.

De exemplu, electronii sunt folosiți în ceea ce se numește în lumea chimiei reacție redox sau reducere și oxidare. Oxidare înseamnă că se pierd electroni în rea©tia chimică iar reducere înseamnă că se primesc electroni. Denumiri ciudate, dar asta avem, cu asta defilăm.

Acest redox are loc în corpul nostru, atunci când topim metale sau în cazul fotosintezei. Redoxul nu este decât unt ermen care ne spune că electronii sunt transportați de la un atom la altul. In lumea planetelor cel mai cunoscut proces redox este chiar fotosinteza. Enciclopedia Britannica are un video simpluț despre cum are loc fotosinteza.

Desigur, procesul este mult mai complicat și trebuie văzut în filmul de făcut de cei de la Encliclopedia Medicală din Franța:

Practic, plantele au în celule din frunze organite celulare numite cloroplaste. Cloroplastele au fost la origine cianobacterii care au intrat în simbioză cu organisme celulalre eucariote. Cloroplastele sunt asemeneni mitocondriilor, care au fost la rândul lor bacterii care au intrat în simbioză cu celulele eucariote animale. Evoluția nu ar fi putut eista dacă nu ar fi existat acea simbioză petrecută în urmă cu miliarde de ani. Dar despre evoluție vom vorbi într-un episod viitor.

Revenind la operatiile de schimb de electroni în cadrul fotosintezei, în interiorul cloroplastelor exista niște discuri numite tilacoide în membrana cărora are loc acel schimb de electroni. Atunci când lumina lovește anumite părti ale membranei tilacoidelor numite fotosistemul 1 și 2, care conțin molecule de clorofilă. Lumina este absorbită de electronii din clorofilă, apoi acei electroni cu surplus de energie sunt expulzați din clorofilă și din fotosistemul 2 și transportati către fotositemul 1. Energia lor este folosită pentru a aduce ioni de hidrogen din celulă în interiorul acestor tilacoide și pentru a fi “donați” către o moleculă numită NADP, care va deveni NADPH și va ajuta în cadrul fotozintezei la un moment ulterior.

Și aici vine procesul interesant: dat fiind că electronii sunt pierduți din clorofilă în felul acesta ei trebuiesc recuperati de undeva. Din interiorul tilacoidelor, pline, de altfel cu apă, se aduc molecule de apă în zona fotosistemului și are loc procesul de fotoliză, adică apa este descompusă în oxigen și hidrogen. În acest fel atomul de oxigen rezultat se unește cu un alt atom de oxigen și obtinem molecula atât de necesara respiratiei noastre. Electronii sunt furati, în cadrul fotolizei, de la atomii de hidrogen care, devin, în acest fel ioni pozitivi folosiți pentru rearea unei proteine numite ATP care va ajuta în crearea de fructoză și amidon înspre finalul fotosintezei.

După cum se poate observa din procesul fotosintezei, electronii sunt furati de la clorofilă, sunt folosiți apoi pentru a aduce ioni de hidrogen în tilacoide și pentru a crea NADPH iar apoi sunt recuperați prin fotoliză, în urma căreia se creează moleculele de oxigen de care avem atât de multă nevoie.

E simpatică melodia făcută de cei de la Science Music Videos despre lanțul de transport de electroni ce are loc în cadrul cloroplastelor din plante sau din mitocrondiile din celulele animale.

Despre operațiile redox poți afla mai multe și din filmul făcut de cei de la Crash Course Chemistry:

Reținem redox folosing acronimul englez: OILRIG:
– OIL = oxidation is losing (electrons)
– RIG = reduction is gaining (electrong)

Tot așa am ținut minte care base se potrivesc cu care în cadrul ADN-ului: AT cu CG sau adenină cu timină și citozină cu guanină:
– AT = Apple in Tree
– CG = Car in Garage

Fun is fun 😀

Desigur, electronii sunt mult mai atractivi atunci când te uiți la tehnologia din jur. Un documentar făcut prin anul 1943 explica modul de functionare a diodelor care erau la începuturi create din tuburi vidate. Cu asemenea tuburi vidate numite diode poți rectifica AC->DC, poți aomplifica semnalele radio, poți genera curent alternativ și semnale radio, poți controla curgerea curentului electric în funcție de parametri aleși de tine, poți transofrma lumina în curent electric, poti transofrma curentul elecric în lumină și este vorba aici de bine-cunoscutul tub catodic din televizoarele ce le aveam noi prin anii 90.

Ori poate fi folosita pentru a genera raze X: electronii sunt accelerați la viteze mari de la catodul fierbinte și lovesc anodul, proces prin care se generează raze X.

Ce știm despre electroni

– particule elementare cu volum zero, dar care nu se pot pune în contact unii cu alții (Veritasium), trebuie energie foarte mare pentru a pune 2 electroni în contact unul cu altul
– electronii sunt indestructibili, viață mai lungă decât cea a universului (6,6 * 10^28 ani)
– eV = 1,6 *10^-19 Jouli, cu V mare ( Celsius, Kelvin, se scriu cu litere mari pentru ca sunt create în onoarea oamenilor de știință)
– absorb și emit lumină, exemplu fiind fotoelectronii, generarea de lumină în multe benzi
– electronii se comporta ca particule, dar și ca unde (Sixty Symbols – electron)
– are frați: muon, tau
– spin 1/2h (moment unghiular)
magnetismul este generat de electroni
chiraliatea sau helicitatea electronilor, dacă sunt strângaci sau dreptaci (Sixty Symbols – Left handed electrons)
– masa de 9,1 * 10^-31 kg
– este lepton (fermion = leptoni si barioni, barioni = protoni, neutroni ). Fermionii nu pot ocupa același loc în spațu, dar bosonii pot ()exemplul luminii)
– antiparticula este pozitronul (folosit în PET scans)
electronul este sferic
– electronii pot fi creati din raze gamma de 1 MeV atunci când acele raze lovesc o folie de aur și se generează perechi electroni-pozitroni
– electronii se resping într-atât de mult încât în piticele albe ei se opun compirmării stelei la dimensiuni mai mici
– electronii se învârt în jurul nucleului cu o viteză de 2000 km/s și fac 6,5 * 10^15 rotatii într-o singură secundă
– corpul uman are undeva pe la 21 de grame de electroni în el (doar un mic procent din masa noastră ine de la bosonul Higgs)
– raza electronului este de 2,8 femtometri sau 2,8 * 10^-15 m (video Tehnocultura)
principiul excluziunii al lui Pauli: doi electorni nu pot ocupa aceeași stare cuantică, adică pe aceeași obită nu pot fi doi electroni cu acelasi spin (unul trebuie să aibă 1/2 și celălalt trebuie să fie – 1/2)
– folosind explicația particulelor virtuale aflăm că electronul se învărte în jurul axei proprii, dar și că are loc o precesie, o schimbare a unghiului axei de rotatie a elecronului (cum face și planeta noastră: se rotește în jurul axei proprii, dar axa proprie își schimbă unghiul în mod constant și descrie un cerc complet odată la 26 000 de ani)
– generează un câmp electric și, dacă este în mișcare, generează și un câmp magnetic (electronii în mișcare elibereaza unde electromagnetice, generează fotoni, legea lui Wein), materia în sine genereaza unde electromagnetice (black body radiation)
– electronii au fost generați în Big Bang prin procesul de producere de perechhid e aprticule electron-pozitron. Evenimentul nuit asimetria barionică a facut ca să existe mai multa materie decât anti materie atât în cazul electronilor, cât și în cazul protonilor. Sarcina electrică totală rezultața a este zero. Electronii mai sunt generați și azi din unde gamma sau din descompunere radioactivă beta minus prin care un neutron se transofrmă într-un proton prin eliberarea de un electron și un electron antineutrino. Razele cosmice, la contactul cu atmosfera, generează muoni care apoi de descompun în electroni, electron antineutrini și în neutrini miu

Istorie

Aristotel credea că poți divia materia la infinit, pe când Democritus zicea că poți ajunge doar până la o bucațică de bază numită de el atom.

Apoi John Dalton a zis că materia este compusă din atomi indivizibili și indestructibili, dar și că toți atomii aceluiași element se comporta exact la fel și că poți folosi atomi de la elemente diferite pentru a crea substanțe compuse.

Pholosoful naturalisl britanic Richard Laming a imaginat exitența unei sarcini electrice fundamentale, indivizibilă prin 1838 iar fizicianul irlandes George Johnstone Stoney a numit acea sarcină fundamentală “electron” prin 1891.

Termenul de “electron” provine de la grecescul elecktron care înseamnă “chihlimbar”, acea rășină fosilizată care putea fi electrificată prin frecare și unde s-a descoperit pentru prima dată efectul triboelectric, adică transferul de sarcini electrice prin frecare. Prin frecare u lână sau blană de animal chihlimbarul atrage bucăți mici de material. Același lucru îl putem face cu un liniar de plastic frecat de păr care apoi atrage bucăți mici de hârtie.

Legat de electron, prin 1600 William Gilbert a inventat termenul electricus pentru a explica efectul triboelectric.

J. J. Thompson, 1896, a făcut un experiment cu un tub vidat la care a adăugat două placi metalice pozitive. Atunci când electornii ieșeau din catod ei erau atrași de către plăcile cu sarcină pozitivă. Așa și-a dat seama că avem de-a face cu o nouă unitate indivizibilă care are sarcină negativă și care este de 2000 de ori mai ușoară decât un ion de hidrogen care, știm azi, e compus doar dintr-un proton.

J. J. Thompson credea, de fapt, că atomul este compus din electroni care sunt înconjurati peste tot de ceva pozitiv. De ce așa? Pentru că atomul este neutru din punct de vedere electric, așa ca daca avem electroni în atomi, în mod sigur trebuie să avem și ceva pozitiv. Modelul lui era greșit pentur ca presupunea ca electronii sunt înconjurati de ceva pozitiv.

Ernest Rutherford, unul dintre studenții lui Thompson, a fost cel care a dovedit ca modelul atomic al profesorului său este incorect. Rutherford a făcut un experiment prin care particule alpha, adică nuclee de heliu, loveau o foița de aur. După aceste experiemnte concluzia lui, prin 1911, a fost că atomul trebuie să aiba particule pozitive în nucleul sau iar acel nucleau va contine, cel mai probabil, cea mai mare parte a masei atomului.

Robert Andrews Milikan a fost cel care a descoperit care este sarcina electrică a unui electron și anume 1,6*10^-19 Coulombi în urma multor experimente cu aparatul inventat de el. A decoperit că oricât de multe experimente face sarcina calculată era un multiplu de 1,6*10^-19 Coulmbi. Niciodată mai puțin. Și-a dat seama că aceea este o sarcină fundamentală numită azi sarcina electrică a electronului.

Niels Bohr a venit cu ideea, în 1913, că atomul este ca un sistem planetar în care electronii obitează în jurul nucleului. A fost cunoscut drept modelul Bohr at atomilor și este un model învechit.

Erwin Schrodinger este cel care a dus știința electronilro ami departe si a specificat faptul că electronii sunt niște unde stationare plasate la anumite distanțe față de nucleul atomului. Acest lucru înseamnă că electronii pot fi găsiți, cu o anumită probabilitate, doar în anumite zone în jurul nucleului.

Utilizări:

cristalografie cu raze X
– radioterapie, unde tumorile sunt lovite cu fascule de electroni
– microscopul cu electroni prin care putem vedea atomii
– tuburi catodice, cum s-au folosit la TV-uri, și tuburi vidate pentru manipulare și amplificare de semnale radio
– curent electric, of course
– dispozitive electronice

Întrebarea săptămânii: de ce nu pot trece mâna prin perete?

În episodul 8 al emisiunii Tehnocultura, de la TVS Brașov, am avut chiar întrebarea aceasta.

Lumina este undă electromagnetică și, ca orice undă, poate trece prin alte unde sau chiar se poate combina cu alte unde.

In cazul materiei nu este la fel de simplu. Avem cazul gazelor și lichidelor care se pot amesteca. Este un mod de a spune că trec unele prin altele. In situația solidelor, precum este mâna ta, întrebarea ta se poate pune și în alt mod: de ce nu poate trece un atom prin alt atom?

Mâna ta este formată din atomi care sunt foarte apropiați unii de alții forțele intermoleculare nu permit mâinii să se descompună iar, la contactul cu peretele, au loc forțe de atracție și de respingere dintre atomii din mâna ta și cei din perete.

Forțele de respingere câștigă și astfel tu nu poți trece cu mâna prin perete. La întrebarea “poate trece atom prin atom” răspunsul este: nu. Datorită faptului că întregul spațiu din atom este umplut de câmp electrostatic prin care electronii sunt atrași de protonii din nucleu, nici o particulă cu sarcină electrică nu poate trece prin atom fără să interactioneze cu electronii de pe ultimul strat.

Spațiul mare pe care ni-l imaginăm între electroni și nucleul atomului este, de fapt, plin cu linii de câmp. Nu este gol. Singurele particule care pot trece printr-un atom sunt neutrinii care au masă foarte mică, de 1,5 milioane de ori mai mică decât electronii, și nu au sarcină electrică.

Ca și curiozitate, pentru a reuși să treci un atom prin altul tu fie ai nevoie de temperaturi de milioane de grade Celsius, specific reacției de fuziune din Soare, fie ai nevoie de forța unei stele neutronice în care atomii sunt zdrobiți până când neutronii sunt înghesuiți unii în alții.

Minutul de tehnologie

GameRanx: ce este API-ul Vulkan pentru lumea gamerilor?
Fully charged: Review autoturism electric BMW i3
Amazon are probleme din cauza cumpăraturilor făcute de copii ce folosesc aplicatiile pentru Kndle
TechQuickie: Cum funcționează AM și FM din lumea radio
Tehnocultura.ro: Conversia analogic-digitală fără de care telefoanele ar fi inutile
Mnot.net: diferenta dintre Http/2 și HTTP/1.1
Microsoft testează stocarea datelor în ADN. Ar putea stoca un miliard de TB într-un gram de ADN.
HomeCyberDefence: ce este doxingul și care sunt riscurile unui asemenea procedeu de a face rău?
Techquickie: ce fel de SSD să cumperi?

Știri din lumea științei

WhyEvolution is True: un website care prezintă copacul vieții în mod interactiv. / OneZoom.org
TechCrunch: O istorie scurtă a companiei spatiale private numită SpaceX
TWIS: soarecii de laborator sunt ținuți la temperaturi de 18-20 de grade pe când temepratura în care ei trăiesc în mod normal este de 28 de grade
PNAS: pelvisul femeilor se micșoreaza odată cu trecerea anilor / PNAS doi: 10.1073/pnas.1517085113
Mai mult CO2 duce la generarea de mai multa vegetație via Vocativ
TVRplus.ro: Cristian Român și prof. dr Adrian Restian vorbesc despre lumea geneticii
Hubble a descoperit că planeta pitică Makemake din centura Kuiper, zona Pluto, are un saltelit. Satelitul a fost numit MK2. / Sound of science
– Naure: a fost realizată o hartă a cuvintelor în interiorul creierului nostru. Video / Harta interactivă / Text
ScienceMag: poveștile au mai mult de 6000 de ani vechime
WhyEvolutionITrue: viața ar putea să fi început în urmă cu 4,1 miliarde de ani, nu cu 3,8 miliarde de ani conform unei noi analize a unei robe de zirconiu, cel mai vechi mineral de pe Terra
ScienceAlert: când spermatozoidul se unește cu ovulul are loc o mică explozie
Science Mag Podcast: despre patent-trolls
NASA are o metodă prin care clădirile pot fi protejate în timpul cutremurelor prin folosirea de lichid poziționat în partea de sus a clădirilor
TWIV: învața despre retrovirusuri și despre dispersia de bacterii prin folosirea uscătoarelor de mâini din toalete

Despre ce se mai discută în lumea pseudoștiinței?

Chiropractician rupe spatele unui copil
Părinții canadieni care nu au dus copilul la doctor și l-au tratat cu lucruri naturiste au fost condamnați pentru neglijență în a oferi îngrijiri copilului. Copilul a murit de meningită și avea numai 19 luni.

Bonus

Fizică, animație: Cum funcționează condensatorii electrici?
Aurora văzută din spatiul cosmic
5 lucruri pe care nu le știi despre Cernobâl
Darwiniana.org: Metode de datare care confirmă existența evoluției
– Conpound chem: structura ADN-ului / premiile Nobel 2015
Ce se întâmplă atunci când ești împușcat? Testat pe porci și filmat.
Retraction Watch: anumite lucrări nu trebuie retrase, ci trebui prezentat mesaj de corectare
TED, Tony Buffington: de ce se comporța pisicile într-un mod așa de ciudat?
De ce există organisme multicelulalre?
Experiment: care dintre becurile ce le folosim are lumină mai apropiata de cea a Soarelui?
Unde se poate învăța comunicarea științei în lume

Vizitează

Tehnocultura pe Facebook
Grupul știința pe Facebook și Știința pe Facebook
Grupul Știința, candelă în întuneric
Grupul Pseudoștiința pe Facebook

Categories
Stiinta Tehnologie

Cum afli structura 3D a moleculelor? Un veac de cristalografie cu raze X


Așa cum am scris și în primul articol despre cristalografia cu raze X, trebuie să cunoaștem structura 3D a moleculelor ca să știm ce substanțe pregătim să interacționeze cu respectivele molecule. Una este să ai formula chimică a unei substanțe, dar alta este să ai în față structura tridimensională.

Cristalografia, termen ce s-ar traduce prin “desene cu ajutorul cristalelor”, este exact acest lucru: se obțin anumite puncte pe plăci fotografice, puncte care, după o procesare îndelungă, relevă structura cristalului.

Cristalografia se folosește de faptul că anumite substanțe, pe cum sunt proteinele, pot fi transformate în cristale. Acele cristale sunt apoi puse în calea unui fascicul de raze X care este reflectat în mod precis la contactul cu atomii din cristal. Cristalul este rotit pe toate părțile și pus în calea fasciculului de raze X astfel că se obțin sute de imagini cu punctele în care razele X au atins placa fotografică.

De vreme ce acele puncte sunt clar determinate de pozițiile atomilor în cristal se poate calcula, pe baza unor tabele complexe, structura moleculei din care provine cristalul. Pe la începuturi cercetătorii petreceau ani grei ca să calculeze structurile moleculelor și erau luați în râs mai ales de chimiști. De exemplu, pentru aflarea structurii lisozinei, proteină din cadrul albușului de ou, cercetătorii din anii 60 au lucrat timp de 5 ani. Molecula respectivă are mii de atomi în componență. Pentru aflarea structurii insulinei Dorothy Crowfoot Hodgkin a petrecut mai bine de 30 de ani calculând pozițiile pe baza fotografiilor iar structura hemoglobinei a fost calculată într-un răstimp de 20 de ani.

Cei 5 ani petrecuți pentru aflarea structurii lisozinei reprezintă o veșnicie față de cele 5 minute în care se poate face același lucru astăzi. Avansul în domeniul calculatoarelor și al acceleratoarelor de particule a dus cristalografia în noul mileniu. Sursele de raze X de azi sunt de miliarde de ori mai puternice iar calculele care luau zeci de ani întrecut iau acum numai câteva minute.

Importanța cristalografiei nu trebuie subestimată tocmai pentru faptul că, știind structura, știm cum reacționează substanța respectivă și știm cu ce substanțe reacționează. Astfel evităm ani întregi de bâjbâială cu o mulțime de teste și combinări de substanțe. Datorită cristalografiei cu raze x putem crea azi medicamente mult mai eficiente.

Cui îi putem mulțumi pentru acest domeniu fașcinant? Unui duo, tată și fiu, William Henry Bragg și William Lawrence Bragg, primii care și-au dat seama că reflexiile razelor X ne pot da indicii despre structura moleculelor. De asemenea, azi avem o tehnologie mult mai puternică decât ce aveau ei atunci și aici este vorba de acceleratorul de particule, sincrotronul Diamond Light Source, din Anglia.

Diamond Light Source accelerează electroni la viteze aproape de viteza luminii în cadrul acceleratorului cu circumferința de 450 de metri și, în zone speciale unde sunt plasați ondulatori, electronii sunt excitați astfel că eliberează raze X foarte puternice în exact acele zone.

Vezi, mai jos, și alte două filme despre cristalografia cu raze X.
Partea I

Partea II

Categories
Stiinta Tehnologie

Cristalografia cu raze X: cum aflăm structura 3D a moleculelor


Cei de la The Royal Institution au mici documentare interesante despre lumea științei și tehnologiei. În filmul de mai sus profesorul Stephen Curry ne explică metoda prin care putem afla structura 3D a moleculelor. De ce am dori șă știm structura 3D sau geometria moleculară a unor substanțe ca proteinele? Avem nevoie să știm cum sunt aranjale moleculele în sațiu pentru a pregăti substanțe care interacționează mai bine cu acele molecule și pentru a afla, mai bine, modul lor de funcționare.

Pentru construirea modelului 3D al moleculelor se folosesc raze X, care au lungimi de undă între 0,001 și 10 nanometri, adică suficient de mici încât să înteracționeze cu atomii individuali din moleculă. Un atom poate avea și 0,5 nanometri în diametru, pe cum este cel de fosfor.

Razele X se obțin în acceleratorul Diamond Light Source, din Marea Britanie, loc unde electroni sunt accelerați aproape de viteza luminii și, pe alocuri, pe unde sunt ondulatoarele, electronii sunt obligați să oscileze, lucru ce determină apariția undelor electromagnetice în spectrul rezelor X. Aceste raze X sunt de 10 ori mai strălucitoare decât Soarele.

Odată ce acele raze sunt create ele sunt dirijate către laboratoarele situate în interiorul inelului acceleratorului. În acele laboratoare molecule cristalizare sunt ținute în vârful unui ac sub curenți de azot lichid. Din lateral vin raxele X care se reflectă la întâlnirea cu atomii din moleculă. Razele reflectate ajung la un ecran în partea opusă unde lasă urme.

Acele urme sunt analizate prin computer și apoi calculatorul generează o imagine 3D cât se poate de exactă a moleculei. Prin procedeul acesta pot fi analizate numai moleculele care pot fi cristalizate, adică ordonate într-un mod foarte precis.

Via Tehgeektive.