Вселенная наполнена миллиардами химических веществ, каждое из которых представляет собой крошечный кусочек потенциала. И мы определили только 1% из них. Ученые полагают, что неоткрытые химические соединения могут помочь удалить парниковые газы или вызвать прорыв в медицине, как это сделал пенициллин. Но давайте сначала выясним следующее: дело не в том, что химики не любопытны. С тех пор как русский химик Дмитрий Менделеев в 1869 году изобрел периодическую таблицу элементов, которая по сути представляет собой аптечную коробку из конструктора Lego, ученые начали открывать химические вещества, которые помогли определить современный мир. Нам нужен был ядерный синтез (обстрел атомов друг друга со скоростью света), чтобы создать последнюю горстку элементов. Таким способом в 2010 году был синтезирован элемент 117 — теннессин. Но чтобы понять весь масштаб химической вселенной, вам необходимо также понимать химические соединения. Некоторые из них встречаются в природе — вода, конечно, состоит из водорода и кислорода. Другие, такие как нейлон, были обнаружены в лабораторных экспериментах и производятся на заводах.
Элементы состоят из атомов одного типа, а атомы состоят из еще более мелких частиц, включая электроны и протоны. Все химические соединения состоят из двух или более атомов. Хотя возможно, что еще остались неоткрытые элементы, это маловероятно. Итак, сколько химических соединений мы можем получить из 118 различных типов кубиков Lego, которые мы знаем в настоящее время? Мы можем начать с создания всех двухатомных соединений. Их много: N2 (азот) и O2 (кислород) вместе составляют 99% нашего воздуха. Химику, вероятно, потребовалось бы около года, чтобы создать одно соединение, а теоретически существует 6903 двухатомных соединения. Итак, это деревня химиков, которые целый год работают только над тем, чтобы создать все возможные двухатомные соединения. Существует около 1,6 миллиона трехатомных соединений, таких как H20 (вода) и C02 (диоксид углерода), что составляет население Бирмингема и Эдинбурга вместе взятых. Как только мы достигнем четырех- и пятиатомных соединений, нам понадобится, чтобы каждый житель Земли создавал по три соединения каждый. И чтобы создать все эти химические соединения, нам также придется несколько раз переработать все материалы во Вселенной.
Но это упрощение, конечно. Такие вещи, как структура соединения и его стабильность, могут сделать его более сложным и трудным в изготовлении. Самое большое химическое соединение, созданное на данный момент, было получено в 2009 году и содержит почти 3 миллиона атомов. Мы пока не уверены, что оно делает, но подобные соединения используются для защиты лекарств от рака в организме, пока они не попадут в нужное место. Но подождите, у химии есть правила. Неужели не все эти соединения возможны? Это правда, что существуют правила, но они довольно гибкие, что открывает больше возможностей для химических соединений. Даже одиночные «благородные газы» (в том числе неон, аргон, ксенон и гелий), которые обычно ни с чем не связываются, иногда образуют соединения. Гидрид аргона, ArH+, не существует в природе на Земле, но был обнаружен в космосе. Учёным удалось создать в лабораториях синтетические версии, имитирующие условия глубокого космоса. Итак, если вы включите в свои расчеты экстремальные условия, количество возможных соединений увеличится.
Обычно углероду нравится присоединяться к одному-четырем другим атомам, но очень редко, на короткие периоды времени, возможно присоединение к пяти. Представьте себе автобус максимальной вместимостью четыре человека. Автобус стоит на остановке, люди входят и выходят; Короче говоря, пока люди движутся, в автобусе может находиться более четырех человек. Некоторые химики всю свою карьеру пытаются создать соединения, которых, согласно правилам химии, не должно существовать. Иногда они успешны. Еще один вопрос, над которым предстоит разобраться ученым, заключается в том, может ли соединение, которое они хотят, существовать только в космосе или в экстремальных условиях – подумайте об огромном тепле и давлении, обнаруженных в гидротермальных источниках, которые похожи на гейзеры, но находятся на дне океана. Часто ответом является поиск соединений, родственных уже известным. Есть два основных способа сделать это. Можно взять известное соединение и немного изменить его — добавив, удалив или поменяв местами некоторые атомы. Другой вариант — взять известную химическую реакцию и использовать новые исходные материалы. Это когда метод создания один и тот же, но изделия могут быть совершенно разными. Оба эти метода являются способами поиска известных неизвестных.
Возвращаясь к Lego, это все равно, что построить дом, а затем немного другой дом, или купить новые кирпичи и добавить второй этаж. Многие химики проводят свою карьеру, исследуя один из этих химических предприятий. Но как нам искать по-настоящему новую химию, то есть неизвестное неизвестное? Один из способов, с помощью которого химики узнают о новых соединениях, — это посмотреть на мир природы. Пенициллин был открыт таким образом в 1928 году, когда Александр Флеминг заметил, что плесень в его чашках Петри предотвращает рост бактерий. Более десяти лет спустя, в 1939 году, Говард Флори придумал, как выращивать пенициллин в полезных количествах, все еще используя плесень. Но Дороти Кроуфут Ходжкин потребовалось еще больше времени, до 1945 года, чтобы определить химическую структуру пенициллина. Это важно, потому что часть структуры пенициллина содержит атомы, расположенные в форме квадрата, а это необычное химическое расположение, о котором немногие химики догадываются, и которое трудно создать. Понимание структуры пенициллина означало, что мы знали, как он выглядит, и могли искать его химические аналоги. Если у вас аллергия на пенициллин и вам нужен альтернативный антибиотик, вам следует поблагодарить Кроуфута Ходжкина.
Сегодня гораздо проще определить структуру новых соединений. Рентгеновский метод, который Кроуфут Ходжкин изобрела на пути к определению структуры пенициллина, до сих пор используется во всем мире для изучения соединений. И тот же метод МРТ, который больницы используют для диагностики заболеваний, также можно использовать для исследования химических соединений, чтобы выяснить их структуру. Но даже если химик догадается о совершенно новой структуре, не связанной ни с одним известным на Земле соединением, ему все равно придется ее создать, а это самая сложная часть. Выяснение того, что химическое соединение может существовать, не говорит вам о том, как оно структурировано или какие условия необходимы для его образования. Многие полезные соединения, такие как пенициллин, проще и дешевле «вырастить» и извлечь из плесени, растений или насекомых. Таким образом, ученые, ищущие новую химию, по-прежнему часто ищут вдохновение в самых крошечных уголках окружающего нас мира.
