Комбинированные приборы — хроматомасс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации од­ного из самых ядовитых веществ — изомеров диоксина.

Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром — лучший аналитический прибор для работы со сложными смеся­ми, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биоло­гии, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора огра­ничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработ­кой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бом­бардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спектроскопии значительно расши­рились. Существенно увеличились предельные молекулярные массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопии. Например, плазменная десорбция с применением бомбарди­ровки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и про­извести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные харак­теристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестного вещества методом масс-спектроскопии достаточно всего 10-10 г соединения. В плазме крови масс-спектрометр регистрирует ак­тивное вещество марихуаны в концентрации 0,1 мг на кило­грамм массы тела.

Современные электрохимические методы в сочетании с вы­сокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри клетки.

Для определения строения молекул необходимо знать про­странственное расположение атомов. Зная молекулярную струк­туру, легче понять физические и химические свойства соедине­ния, механизмы химических реакций и идентифицировать но­вые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур — рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции, позволяет изучать все те соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают рентге­нограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентге­ноструктурный анализ способствовал получению феромонов на­секомых, применяемых для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для увели­чения производства пищи и биомассы.

Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, ос­нованная на дифракции нейтронов. Для нейтронографии необ­ходимы потоки нейтронов, которые получаются в ядерных реак­торах, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии — высокая точ­ность определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при определении структур сверхпровод­ников, рибосомы и других сложных молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в образовании водо­родных связей, определяющих строение белков.

4.3 Важнейшие достижения современного естествознания в практической области

Несмотря на отставание экспериментальных исследований от теоретических, в естествознании второй половины XX столетия благодаря развитию экспериментальной базы достигнуты значи­тельные успехи. Невозможно перечислить все достижения во всех отраслях естествознания, но можно однозначно утверждать, что большинство из них воплотилось в современных наукоемких технологиях. Высокотемпературная сверхпроводимость, молеку­лярные пучки, химические лазеры, достижения ядерной химии, химический синтез ДНК, клонирование и т.п. — вот некоторые очень важные достижения современного естествознания.

4.3.1 Высокотемпературная сверхпроводимость.

История сверхпро­водимости начинается с 1911 г, когда датский ученый X. Камерлинг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия, составляющей около 4,2 К, электрическое со­противление этого металла скачком уменьшается до нуля. А это означает, что металл при данной температуре переходит в сверхпроводящее состояние. По мере синтеза новых материалов сверхпроводников температура перехода их в сверхпроводящее состояние неуклонно повышалась. В 1941 г. для бинарного сплава NвN была установлена температура сверхпроводящего перехода около 15 К, а в 1973 г. — примерно 23 К для другого бинарного сплава — NвGe.

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпрово­димости, положивший начало высокотемпературной сверхпро­водимости: был синтезирован четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода которых состав­ляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное вре­мя температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и да­же выше 100 К. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что четырехкомпонентные оксиды меди, об­ладающие сложной кристаллической структурой, переходят и сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.

В 1992 г. синтезирован материал, переходящий в сверхпро­водящее состояние уже при 170 К. Такое сверхпроводящее со­стояние можно реализовать при охлаждении не жидким азотом, а более дешёвым охладителем — жидким ксеноном. Этот сверхпроводящий материал состоит из оксида меди, стронция и кальция; структура его относительно проста.

Широкое применение сверхпроводников позволит сущест­венно сократить рассеяние энергии в различного рода элек­трических цепях, и особенно при электропередаче, потери в которой составляют около 20% при использовании обычных проводников.

4.3.2 Химические лазеры.

Экспериментальное исследование сме­шивания двух газообразных соединений, проведенное более 10 лет назад, позволило установить распределение энергии между мо­лекулами. Например, в результате реакции атомного водорода с молекулярным хлором в газовой форме образуется хлороводород и атомарный хлор, которые излучают инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показывает, что существенная часть энергии (около 40%) представляет собой энергию колебательного движе­ния молекулы НС1. За открытие такого рода явлений Джону Поляни (Университет Торонто) присуждена Нобелевская премия по химии. .Данные исследования привели к созданию первого химического лазера — лазера, получающего энергию от взрыва смеси водорода с хлором. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энер­гию электрического источника, а энергию химической реакции. Открыты десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (йодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер).

4.3.3 Молекулярные пучки.

Молекулярный пучок представляет со­бой струю молекул, образующуюся при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, форми­рующее пучок в камере, в которой поддерживается сверхвысо­кий вакуум, исключающий межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пупса на реагенты — соединения, вступающие в реакцию, — при низком давлении (10-10 атм.) каждая молекула может участвовать не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Для осуществления такого сложного экс­перимента требуется установка сверхвысокого вакуума, источ­ник интенсивных сверхзвуковых пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свобод­ного пробега молекул. За проведение этих экспериментов Юан-Чен Ли (Калифорнийский университет Беркли) и Дадли Херм-баху (Гарвардский университет) присуждена Нобелевская пре­мия по химии. Опыты с молекулярными пучками позволили оп­ределить, например, ключевые реакции при горении этилена, при котором в реакции этилена с кислородом образуется короткоживущая молекула.