Современные достижения и открытия в области химии

Современные достижения и открытия в области химии

Автор: Петрова О.В., преподаватель, мастер производственного обучения ГБПОУ ВО «СИГК»

Химия-наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Основная задача (проблема) химии: получение веществ с заданными свойствами  ( на достижение чего направлена производственная деятельность человека) и выявления способов управления свойствами веществ (на реализацию чего направлена научно-исследовательская деятельность).

Химия — поистине универсальная наука, обобщающая все отрасли промышленности и сферы жизни человека. Мы живем в мире, пропитанном химической наукой и сотканном из химических веществ. Она присутствует в любых технологических процессах, будь то книгопечатание или производство смартфонов, пищевая или автомобильная промышленность, медицина, космос, электроника, биотехнологии, фармацевтика. Все высокотехнологические отрасли базируются на химических процессах и материалах. Химия в настоящее время становится метанаукой, и, несмотря на то, что приставка “мета” для химиков носит вполне определенный смысл, “метапредметность” химии важна и видна. И значение химии как науки в экономике страны будет только расти.

Иерархия общих проблем химии может быть представлена в следующем виде:

1.                 Искусство химического синтеза,

2.                 Химическая структура и функция,

3.                 Управление химическими процессами,

4.                 Химическое материаловедение,

5.                 Химическая технология,

6.                 Химическая энергетика,

7.                 Химическая аналитика и диагностика,

8.                 Химия жизни.

Это главные направления современной химии, по которым она развивается. Они отражают её движение и прогресс.

Основные направления развития химии в 21 веке:

1.                 Компьютерная химия, компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций,

2.                 Спиновая химия,

3.                 Синтез и исследование наноструктур, развитие и применение нанотехнологий, синтез полимерных полупроводников,

4.                 Синтез фуллеренов и нанотрубок,

5.                 Развитие химии одиночной молекулы,

6.                 Развитие электроники на молекулярном уровне,

7.                 Создание «молекулярных машин»,

8.                 Электроразрывная активация пульпы и растворов,

9.                 Создание и развитие «химической медицины», решение проблемы «химического бессмертия».

Наиболее перспективные, устремленные в будущее, химические технологии:

Современные достижения и открытия в химии

Современная химия является динамичной и быстро развивающейся наукой. В последние десятилетия было сделано множество значительных открытий и достижений, которые имеют важное значение для нашей жизни и промышленности. Вот некоторые из них:

Разработка новых материалов

Химики разрабатывают новые материалы с уникальными свойствами, которые находят применение в различных областях. Например, были созданы новые полимеры, которые обладают высокой прочностью и гибкостью, что делает их идеальными для использования в авиационной и автомобильной промышленности. Также были разработаны материалы с особыми свойствами, такими как суперпроводимость или фотоэлектрическая активность, что открывает новые возможности в энергетике и электронике.

Открытие новых элементов

Химики продолжают исследовать и открывать новые элементы, расширяя периодическую систему. Недавно были открыты элементы с атомными номерами 113, 115, 117 и 118. Эти открытия позволяют лучше понять структуру и свойства атомов и элементов, а также имеют значение для разработки новых материалов и технологий.

Развитие нанотехнологий

Нанотехнологии – это область, связанная с изучением и использованием материалов и устройств на наномасштабе. Химики активно работают в этой области, создавая наноматериалы с уникальными свойствами.

Следует ожидать, что российские научные школы и научные коллективы, работающие в области химии и физики твердого тела, материаловедения, электроники, биотехнологии, будут все более широко вовлекаться в орбиту синтеза и  исследования наноструктурированных материалов. Тенденции развития различных направлений нанонауки позволяют утверждать, что значение нанохимии в ближайшем будущем усилится, а ее вклад в науку и технологию  21-го века будет непрерывно расти[3].

Например, наночастицы золота могут использоваться в медицине для доставки лекарственных препаратов в организм, а нанотрубки углерода могут быть использованы в электронике и энергетике.

Следует ожидать, что российские научные школы и научные коллективы, работающие в области химии и физики твердого тела, материаловедения, электроники, биотехнологии, будут все более широко вовлекаться в орбиту синтеза и  исследования наноструктурированных материалов. Тенденции развития различных направлений нанонауки позволяют утверждать, что значение нанохимии в ближайшем будущем усилится, а ее вклад в науку и технологию  21-го века будет непрерывно расти[3].

Супрамолекулярная химия

Еще одной новой научной парадигмой, оформившейся в конце 20-го века, следует назвать супрамолекулярную химию, которую ее творец Жан-Мари Лен определил как химию межмолекулярных ансамблей и межмолекулярных связей[4].  Хотя молекулярные ассоциаты были давно известны в химии, а роль супрамолекулярной организации была хорошо известна в биологии, возникновение и развитие новой научной дисциплины, по словам Ж.-М. Лена, стало возможным при сочетании трех условий: во-первых, признания новой парадигмы, показывающей значение разрозненных и, на первый взгляд, несвязанных наблюдений, во-вторых, наличия необходимых инструментов для изучения объектов данной области, в-третьих, готовности научного сообщества воспринять новую парадигму. Супрамолекулярные ансамбли представляют собой сложные конструкции заданной архитектуры. Они строятся самопроизвольно из большого числа комплементарных компонентов, хранящих на молекулярном уровне информацию о конкретных селективных взаимодействиях. Удивительный феномен такой самоорганизации сравним со сборкой сложнейших структур в живой клетке. Не исключено, отмечает Ж.-М. Лен, что однажды в лаборатории будет создана жизнь, основанная на других принципах, чем созданная природой. Значение супрамолекулярной химии состоит не только в том, что она наводит мост между живой и неживой природой, но и в том, что на основе ее принципов (распознавание, самосборка, самоорганизация) возможно создание супрамолекулярных систем и устройств, обладающих практически ценными свойствами, в том числе самособирающихся наноструктурированных материалов. Здесь супрамолекулярная химия смыкается с нанохимией.

Разработка новых лекарственных препаратов

Химики играют важную роль в разработке новых лекарственных препаратов. Они изучают химические свойства веществ и их взаимодействие с организмом, чтобы создать более эффективные и безопасные лекарства. Например, были разработаны новые противораковые препараты, противовирусные средства и антибиотики, которые способны бороться с определенными заболеваниями и улучшать качество жизни пациентов.

Фармацевтические химические технологии

Основная цель медицины и фармацевтики — лечить болезни, увеличивать продолжительность жизни и повышать ее качество. На сегодняшний день науке известно многое о человеческом организме, мы обладаем мощными инструментами для борьбы с разными болезнями. Результаты лечения станут еще лучше, когда ученые смогут минимизировать побочные эффекты лекарств, выявлять болезни раньше и точнее определять круг пациентов, которые с наибольшей вероятностью получат пользу от конкретной схемы лечения.

К неотложным задачам фармацевтики относятся создание и производство высоко эффективных, селективно действующих и безопасных лекарств и диагностических препаратов. Персонализированная медицина, новые иммунотерапии рака, генная терапия, big data, удаленный мониторинг и искусственный интеллект (ИИ) — это технологические достижения, создающие благодатную почву для расцвета фармацевтических и медицинских технологий.

Цифровые технологии в фармацевтике

Для рационального создания лекарств необходимо использовать многочисленные источники научных и медицинских данных. Длительный и трудоемкий процесс дизайна и разработки лекарств можно ускорить и усовершенствовать с помощью суперкомпьютеров, которые позволяют обрабатывать огромные массивы данных. Искусственный интеллект моделирует взаимодействие мишени и потенциальных лекарственных веществ и способен быстро генерировать тысячи потенциально активных химических структур, многократно ускоряя процесс открытия эффективных лекарств.

Квантовые вычисления в фармацевтике

Применение вычислительных методов для поиска лекарств само по себе не новость. Но использование сверхэффективных квантовых компьютеров для выявления ранее неизвестных соединений только недавно стало перспективной областью. В то время как классические компьютеры используют биты, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут быть либо включены, либо выключены, либо и то, и другое, что известно как суперпозиция. Это свойство позволяет значительно ускорить и оптимизировать тестирование и прогнозирование, и это делает технологию особенно перспективной для поиска лекарств.

Нанофармацевтика

Актуальность создания принципиально новых препаратов, отличающихся более высокой селективностью, послужила стимулом для разработки подходов к созданию систем направленной доставки лекарственных веществ на основе разнообразных наноносителей. Использование наноносителей позволяет существенно изменять профиль распределения лекарства в организме и оптимизировать его действие — в частности, получить препараты с улучшенным профилем безопасности. Сейчас наночастицы используют также в производстве вакцин. Нанофармацевтика будет играть все более важную роль и в лечении онкологических заболеваний.

Биотехнологии

Особая роль в развитии химических технологий — у перспективных биотехнологических направлений. Редактирование генов (вставка, удаление, модификация или замена ДНК в геноме) является многообещающим и относительно новым подходом к лечению генетических заболеваний. Огромный потенциал содержит изучение микробиома и его роли в здоровье человека. Это знание позволит разработать множество новых способов лечения или выявить новые мишени для малых молекул. В частности, речь идет об установлении связей между деятельностью мозга и кишечником, а также между сердечными заболеваниями и кишечником. Открытия в этой области могут привести к прорыву в лечении желудочно-кишечных заболеваний, неврологии и сердечно-сосудистой терапии.

Пробиотические функциональные напитки и ингредиенты на основе зернового сырья

Разработка предназначена для пищевой и фармацевтической биотехнологии и относится к способам получения пробиотиков на основе растительного сырья. Технология позволяет производить функциональные напитки на основе молочнокислых бактерий с содержанием живых пробиотических микроорганизмов не менее 100 млн живых клеток в 1 мл и лиофилизат бифидобактерий с содержанием не менее 10 млрд живых клеток в 1 г.

Перевязочные материалы, содержащие белковые лекарственные препараты

Для лечения гнойно-некротических и ожоговых ран различного происхождения разработана технология получения новых перевязочных материалов — ранозаживляющих биодеградируемых на основе модифицированных полисахаридов, различных полиферментных комплексов и терапевтических агентов.

Выпускаемые медицинские изделия — раневые покрытия нового типа. Они позволяют снизить лекарственную нагрузку до 10–30 раз, сокращают сроки заживления ран в 1,5–2 раза, не вызывая аллергических реакций. Виктор Панфилов отмечает, что прямых мировых аналогов такое изобретение не имеет.

Соевые изофлавоноиды

Предназначены в качестве вспомогательного средства для увеличения костной прочности и профилактики остеопороза. При недостатке эстрогена изофлавоноиды оказывают заместительное действие, а при избытке, наоборот, могут ингибировать биологические эффекты эстрогена, снижая, таким образом, его уровень в тканях. Соевые изофлавоноиды снижают уровень холестерина в крови и препятствуют развитию атеросклеротических бляшек и образованию тромбов. Эта разработка предполагает получение очищенной фракции изофлавоноидов совместно с получением по той же технологической схеме изолята белка сои, тогда как существующие технологии предполагают раздельное получение данных целевых продуктов.

Комплексная переработка клубней топинамбура с получением фруктанов и пробиотического продукта для животных

Концепция функционального питания с каждым годом приобретает все большее распространение.

«Среди других к группе пребиотиков относят фруктаны — инулин и фруктоолигосахариды, которые входят в состав таких растений, как девясил, цикорий, топинамбур, чеснок, эхинацея и ряд других. Предлагаемая технология, в отличие от большинства известных ранее, является комплексной, причем позволяет получить сразу два функциональных продукта — пищевой пребиотик и кормовой пробиотик с лактобациллами.

Сверхкритические технологии

Сверхкритические технологии являются энерго- и ресурсосберегающими, соответствуют основным принципам зеленой химии и представляют собой экологически чистые технологии с замкнутым циклом. Вещества в сверхкритическом состоянии обладают управляемой растворяющей способностью, низкой вязкостью, высоким коэффициентом диффузии веществ в них, отсутствием поверхностного натяжения, высокой проникающей способностью.

К таким технологиям относятся сверхкритическая флюидная экстракция (извлечение экологически чистых экстрактов без остаточного содержания органических растворителей), сверхкритическая сушка (получение аэрогелей), микронизация (получение аморфных нано- и микрочастиц) и импрегнация (получение веществ в аморфном состоянии, новых систем доставки активных веществ).

Материалы для микроэлектроники

 Переход на моноизотопные соединения произойдет через много лет, но это направление является очень перспективным. В этом случае флуктуации кристаллической решетки будут меньше. Для моноизотопного кремния было показано, что он дает выигрыш в 30% по теплопроводности относительно обычного кремния. Это хороший показатель, так как в подобных технологиях имеет значение каждый процент. Еще можно использовать карбид кремния, теплопроводность которого на порядки выше, а также алмаз — минерал, форма углерода, которая может существовать неограниченно долго. Такие технологии можно уверенно назвать технологиями будущего.

К топовым технологиям в микроэлектронике относятся именно те решения, которые связаны с качественными изменениями характеристик материалов, с переходом от кремниевых к углеродным структурам. Углерод — источник неиссякаемый, а сам алмаз выигрышно отличается от кремния. При сохранении прежних размеров мощность вырастет на порядки, к тому же за счет качественного изменения характеристик материалов будет практически решена проблема перегрева электронных устройств.

Клик-химия

Клик-химия — это химические реакции, позволяющие всегда и в любых условиях с высокой эффективностью получать необходимые молекулы. Соединять ранее не соединяемые вещества.

Клик-химия подарила возможность создавать сверхпрочные материалы или, например, крайне эффективные лекарства.

Искусственный фотосинтез для получения энергии

Сотни миллионов лет природного фотосинтеза подарили человечеству огромные залежи ископаемого топлива, используемого для получения энергии. Однако запасы горючих веществ не безграничны и негативно влияют на климат Земли, провоцируя глобальное потепление. Как быть?

Возобновляемые источники энергии — это хорошо, а еще лучше освоить процесс фотосинтеза. В отличие от природного процесса, в ходе которого из углекислого газа и воды получается кислород и водород, искусственный аналог может производить метан, этан и прочие виды топлива. Искусственный фотосинтез поможет избежать дефицита топлива, очистить планету от углекислого газа, а еще окажется полезным в фармацевтике.

Все возрастающее внимание привлекает к себе химия жизненных процессов: химия белков, углеводов, аминокислот, механизмы передачи и реализации генетической информации, генетическая и белковая инженерия, химия ферментов и ферментативный катализ, медицинская химия.

Инновационная технология переработки пластика от российских ученых

То, что наша планета утопает в пластике, а микропластиком заражена даже наша кровь, давно не секрет. Первый порождает второй, который в свою очередь провоцирует онкологические заболевания. Бороться с засильем пластика, отравляющего и Землю, и наши тела, нужно немедленно, пока не поздно.

Использованные пластиковые бутылки могут выступать в качестве сырья для изготовления тепло- и звукоизоляционных материалов.

Это предотвращение экологической угрозы и улучшение условий жизни всех живых существ, а также замещение части импортных компонентов, используемых отечественной химической промышленностью.

Исследование экологически чистых технологий

Современная химия также активно работает над разработкой экологически чистых технологий. Химики ищут способы снижения загрязнения окружающей среды и разработки устойчивых и энергоэффективных процессов. Например, были разработаны новые катализаторы, которые позволяют проводить химические реакции с меньшими выбросами отходов и энергии.

Среди тенденций развития химических наук необходимо также отметить необычайное расширение пределов энергетических воздействий на вещества: сверхвысокие энергии, сверхвысокие давления, сверхглубокий вакуум, сверхнизкие температуры и т.д. Интенсивно развивается химия высоких энергий, включая фотохимию, лазерную химию, радиационную химию, плазмохимию, химию ударных волн, химию молекулярных и ионных пучков.

Это лишь некоторые из современных достижений и открытий в химии. Благодаря этим открытиям и разработкам, химия продолжает играть важную роль в нашей жизни и промышленности, способствуя развитию новых материалов, лекарств и технологий.

Наличие у химии развитого теоретического фундамента стимулирует её практические возможности и даёт надёжную основу для прогнозирования.

Прогностическая задача химии состоит в предсказании условий синтеза веществ с заранее заданными свойствами, причём основные количественные характеристики этих свойств могут быть рассчитаны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.                 Приказ Минобрнауки РФ № 1938 от 30.09.2005 «Об утверждении показателей деятельности и критериев государственной аккредитации высших учебных заведений.

2.                 Kuhn Th.S. The structure of scientific revolutions.- International enzyklopedia of unified science: Chicago, 1962.- V. I, II.

3.                 Сергеев Г.Б. Нанохимия.- М.: Изд-во МГУ, 2003.- 288 с.

4.                 Супрамолекулярная химия: Концепции и перспективы/ Ж.-М. Лен. Пер. с англ.- Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1998.-     334 с.

5.                 Скачано с www.znanio.ru