Linus Pauling

Linus Carl Pauling (28. února 1901v Portlandu , Oregon , Spojené státy americké -19. srpna 1994v Big Sur v Kalifornii ) je chemik a fyzik USA .

Byl jedním z prvních kvantových chemiků a v roce 1954 získal Nobelovu cenu za chemii za práci popisující povahu chemických vazeb . V roce 1939 vydal významné dílo The Nature of the Chemical Bond, ve kterém vyvinul koncept hybridizace atomových orbitalů . Jeho práce na náhražkách krevní plazmy (s Harveyem Itanem) během druhé světové války , stejně jako jeho výzkum srpkovité anémie (nebo srpkovité nemoci, které nazývá revoluční termín „molekulární nemoc“), významně ovlivnily biologický výzkum pro druhé poloviny XX -tého  století . Zejména objevil strukturu alfa šroubovice (vzor sekundárního vinutí proteinů ) a těsně minul objev struktury dvojité šroubovice deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Ve skutečnosti navrhl strukturu trojité šroubovice, strukturu, jejíž zlepšení podle studia DNA radiokrystalografií ho pravděpodobně mohlo vést k vývoji modelu dvojité šroubovice popsaného Jamesem Dewey Watsonem a Francisem Crickem. V roce 1953, ale navržený proti proudu fyzikou - chemik a krystalograf Rosalind Franklin .

Byl zakladatelem ortomolekulární medicíny , pseudo-vědecké a popularizoval použití praxe vitamínu C .

V roce 1962 obdržel Nobelovu cenu za mír za kampaň proti jaderným zkouškám a stal se jedním z pouhých dvou lidí, kteří obdrželi Nobelovu cenu ve dvou různých kategoriích (druhou je Marie Curie ).

Mládí

Pauling se narodil v Portlandu v Oregonu ,28. února 1901. On je syn Herman Henry William Pauling ( je 1876 - 1910 ) z Concordia v Missouri (původem z Německa ), a Lucy Isabelle Darling ( 1881 - 1926 ) ze dne Lonerock v Oregonu . Jeho otec, neúspěšný lékárník, přesune svou rodinu do různých měst v Oregonu. Když v roce 1910 zemřel na perforovaný vřed , zjistila, že Linusova matka byla sama a vychovávala jej a jeho dvě sestry, Pauline Paulingovou ( 1901 - 2003 ) a Frances Lucille Paulingovou ( 1904 - 1992 ). Rodina se vrací žít v Portlandu.

Jako dítě byl Linus Pauling nenasytným čtenářem, a to až do té míry, že jeho otec kdysi napsal do místních novin a žádal o návrhy knih, které by ho zaměstnaly. Jeho přítel Lloyd Jeffress má ve své ložnici malou chemickou laboratoř a díky malým experimentům v této laboratoři se Pauling chce stát chemickým inženýrem.

Na střední škole Pauling pokračoval v provádění chemických experimentů a půjčil si většinu materiálů a zařízení z opuštěné ocelárny poblíž místa, kde jeho dědeček pracoval jako noční hlídač.

Pauling neúspěšně získal titul kvůli nedostatečným výsledkům v historii Spojených států . Jeho škola mu nakonec o 45 let později udělil diplom, poté, co získal dvě Nobelovy ceny .

Studie

V roce 1917 vstoupil Pauling na zemědělskou univerzitu v Oregonu v Corvallis (OAC, nyní Oregonská státní univerzita ). Vzhledem ke svým finančním potřebám musel souběžně se studiem pracovat na plný úvazek, zejména jako distributor mléka, promítač a dokonce i v loděnici. Na konci svého druhého ročníku plánuje hledat práci v Portlandu na podporu své matky, ale univerzita mu nabízí výuku kvantitativní analýzy (kurz, který sám právě dokončil), který mu umožní pokračovat ve studiu na OAC.

Během posledních dvou letech studia na OAC, Pauling dozvěděl o práci Gilbert Newton Lewis a Irving Langmuir na elektronické konfigurace z atomů a, jak se vážou jak k vytvoření molekul . Poté se rozhodl zaměřit svou výzkumnou kariéru na porozumění vztahu mezi strukturou atomů tvořících hmotu a jejími fyzikálními a chemickými vlastnostmi, což by ho později vedlo k tomu, aby se stal jedním z průkopníků nové disciplíny, kvantové chemie . Na OAC měl příležitost provést svůj první výzkum prací na vlivu magnetického pole na orientaci železných krystalů .

V roce 1922 Pauling získal bakalářský titul na OAC v oboru procesního inženýrství a pokračoval v doktorském studiu na Kalifornském technologickém institutu (Caltech) v Pasadeně pod vedením Roscoe Dickinsona a Richarda Tolmana . Jeho výzkum se týká použití rentgenové difrakce pro stanovení struktury z krystalů . Během tří let na Caltech vydal sedm publikací o krystalové struktuře minerálů , z nichž první byla publikována v časopise Journal of the American Chemical Society o struktuře molybdenitu MoS 2 . Získal titul Ph.D. z chemie v roce 1925 summa cum laude .

The 17. června 1923Pauling se oženil s Avou Helen Millerovou (1903-1981), setkal se během svého posledního roku v OAC, se kterým měl tři syny a dceru.

Začátek vědecké kariéry

Po jeho Ph.D. , Pauling získal stipendium od nadace Guggenheim která mu umožnila cestovat do Evropy , kde pracoval pod vedením Arnold Sommerfeld v Mnichově , se krátce setkal Niels Bohr v Kodani , ale nesplnily Erwin Schrödinger v Curychu , všichni tři zakladatelé a průkopníci kvantové mechaniky, které Pauling měl příležitost objevit během svých studií na OAC. To má také možnost sledovat jeden z prvních studií o vazbu na molekuly z vodíku pomocí kvantové mechaniky, hotový Walter Heitler a Fritz Londýn . Pauling této práci věnoval své dva roky v Evropě a rozhodl se, že se stane hlavním předmětem jeho budoucího výzkumu. V roce 1927 se vrátil do Spojených států a získal post asistenta profesora teoretické chemie na Kalifornském technologickém institutu .

Pauling zahájil svou kariéru na Caltechu pěti velmi produktivními lety, při kterých použil kvantovou mechaniku ke studiu atomů a molekul a pokračoval ve studiu krystalů rentgenovou difrakcí . Za pět let vytvořil kolem padesáti publikací. V roce 1929 byl jmenován docentem, poté v roce 1930 získal titul profesora .

V létě 1930 Pauling podnikl novou cestu do Evropy, během níž pracoval zejména v institutu Arnolda Sommerfelda , a naučil se možnosti použití elektronů pro difrakční studie , stejně jako se do té doby používaly rentgenové paprsky . Po svém návratu sestrojil elektronový difrakční přístroj, za pomoci jednoho ze svých studentů, LO Brockwaye, a pomocí něj studoval molekulární strukturu velkého množství chemikálií. V roce 1931 mu Americká chemická společnost udělila Langmuirovu cenu za nejvýznamnější vědeckou práci prováděnou výzkumným pracovníkem do 30 let.

V roce 1932 představil Pauling pojem elektronegativity . Pomocí několika vlastností molekul, včetně jejich dipólového momentu a energie potřebné k rozbití vazeb, stanoví stupnici elektronegativity (nyní známou jako Paulingova stupnice elektronegativity , která je užitečná pro predikci přírody). Chemických vazeb ) a přiřadí hodnotu elektronegativity k většina chemikálií . Ten stejný rok, Pauling vydával co on považuje za svůj nejdůležitější publikací, ve kterém on vyvinutý poprvé koncept hybridizace z atomových orbitalů a provedla analýzu čtyřmocného charakterem uhlíkového atomu . Tyto výsledky prezentuje zejména na kongresu, na kterém se setkává s Albertem Einsteinem .

Na Caltechu se Pauling spřátelí s Robertem Oppenheimerem, který pracuje v Berkeley a pravidelně chodí do Pasadeny dělat výzkum a učit. Oba muži plánují, aby se spojili, aby studovali povahu chemické vazby: Oppenheimer provede matematické výpočty a Pauling interpretuje výsledky. Tento vztah však končí, když Pauling začne podezřívat Oppenheimera, že je příliš blízko své manželce Avě Heleně. Jednoho dne, když Pauling pracuje, Oppenheimer navštíví domov páru a upustí pozvání na Avu Helenu na rande v Mexiku . Odmítá, ale ohlásí incident svému manželovi. Toto pozvání souviselo s nonvacionalitou Avy Helen ohledně incidentu znepokojuje Paulinga, který okamžitě přerušil svůj vztah s Oppenheimerem a vytvořil mezi nimi rýmu, která bude trvat až do konce jejich života. Oppenheimer mu přesto navrhl, aby se ujal vedoucího chemického oddělení projektu na Manhattanu , což Pauling odmítl a představil se jako pacifista.

Smrt

V roce 1993 podstoupil radioterapii pro rakovinu prostaty a na tuto nemoc zemřel v srpnu 1994 .

Povaha chemické vazby

Na počátku třicátých let začal Pauling publikovat svou práci o povaze chemické vazby , která vyvrcholila jeho slavnou knihou Povaha chemické vazby v roce 1939 . Tato kniha je pravděpodobně jednou z nejdůležitějších knih o chemii, jaké kdy vyšly. Pro představu o jeho vlivu stačí poznamenat, že za 30 let, které následovaly po jeho prvním vydání v roce 1939 , byl citován více než 16 000krát, což z něj činí nejčastěji citovanou práci v literatuře. Na začátku XXI th  století , více než šedesát let po jeho vyhlášení, četné vědecké práce ještě citovat. Je to hlavně jako odměna za tuto práci, že v roce 1954 obdrží Nobelovu cenu za chemii , „svůj výzkum povahy chemických vazeb a jejich aplikací při určování struktury komplexních látek“ .

Během svého působení na povaze chemické vazby, Pauling zejména představil koncept hybridizace z atomových orbitalů . Zatímco elektrony v atomech jsou popsány orbitály s, p, (…), ukazuje, že pro popis vazeb uvnitř molekul je výhodnější konstruovat funkce, které jsou směsí těchto orbitalů. Například orbitaly 2p a 2s atomu uhlíku se mohou spojit a vytvořit čtyři ekvivalentní orbitaly (nazývané sp³ hybridní orbitaly), které lépe popisují sloučeniny jako metan , s čtyřboká geometrie. Podobně může být orbitál 2s kombinován se dvěma orbitály 2p za vzniku tří ekvivalentních orbitalů (sp² hybridní orbitaly), zatímco třetí orbitál 2p nehybridizuje, což lépe popisuje nenasycené sloučeniny , jako je ethylen .

Jednou z dalších oblastí, které ho zajímá, je porozumění vztahu mezi iontovými vazbami , ve kterých jsou elektrony přenášeny z jednoho atomu na druhý, a kovalentními vazbami , ve kterých jsou elektrony spojeny atomy. Ukazuje, že tyto dva typy vazeb jsou ve skutečnosti extrémními případy a že většina vazeb je ve skutečnosti směsí iontové vazby a kovalentní vazby. Právě v této oblasti je nejvhodnější pojem elektronegativity , který vyvine: rozdíl v elektronegativitě mezi dvěma atomy se ukazuje jako nejrelevantnější veličina pro predikci stupně ionicity vazby.

Třetím předmětem, na který Pauling pracuje v oblasti chemických vazeb, je pochopení struktury aromatických sloučenin , a zejména nejjednodušší z nich, benzenu .

Do té doby nejlépe popsal strukturu benzenu německý chemik Friedrich Kekulé von Stradonitz . Popsal tuto strukturu jako výsledek rychlého přechodu mezi dvěma strukturami, ve kterých by se střídaly jednoduché a dvojné vazby, přičemž jednoduché vazby nahradily dvojníky a naopak. Pauling ukazuje, že mezilehlý popis mezi těmito dvěma strukturami, založený na kvantové mechanice , je důležitější: spíše než dvě struktury v rychlém přechodu, je to spíše superpozice dvou struktur. Tento jev bude později pokřtěn jménem rezonance . Na jedné straně je tento jev analogický s fenoménem hybridizace atomových orbitalů, protože se skládá z kombinace několika elektronických struktur: atomové orbitaly různých atomů uhlíku se navzájem kombinují a tvoří molekulární orbitaly .

Výzkum molekulární biologie

V polovině třicátých let se Pauling rozhodl zaujmout nový vědecký obor. Na začátku své kariéry zmínil nedostatek zájmu o studium biologických molekul . Ale Caltech, který vyvinul solidní dovednosti v biologii, měl Pauling příležitost potřít se renomovanými biology, jako jsou Thomas Hunt Morgan , Theodosius Dobzhansky , Calvin Bridges nebo Alfred Sturtevant, a začal se zajímat o studium biologických molekul, zejména díky grantu od Rockefellerovy nadace . Jeho první práce v této oblasti se týkala struktury hemoglobinu . Podaří se mu ukázat, že tato struktura se mění když molekula zvedne nebo ztrácí molekulu s kyslíkem . Na základě tohoto výsledku se rozhodl přesněji studovat strukturu proteinů pomocí rentgenové difrakce . Struktura proteinů se však ukázalo být mnohem obtížnější určit touto technikou než struktura krystalických minerálů, o které se dříve zajímal. Ve 30. letech pořídil nejlepší rentgenové snímky proteinů britský krystalograf William Astbury , ale když se Pauling v roce 1937 pokusil interpretovat svá pozorování pomocí kvantové mechaniky , neuspěl.

Paulingovi trvá jedenáct let, než pochopil původ problému. Jeho matematická analýza je správná, ale snímky Astbury byly pořízeny tak, že proteiny jsou nakloněny z očekávaných pozic. Pauling formuluje model struktury hemoglobinu, ve kterém byly atomy umístěny ve šroubovici, a tento koncept správně aplikoval na proteiny.

V roce 1951 Pauling a jeho kolegové na základě struktury aminokyselin a peptidů a plochosti peptidové vazby navrhli alfa helix a beta list jako hlavní strukturální motivy sekundární struktury proteinů. Tento výsledek ilustruje Paulingovu schopnost myslet netradičním způsobem: na základně struktury je myšlenka, že jedno otočení šroubovice může odpovídat nečíselnému počtu aminokyselin.

Pauling poté navrhl spirálovitou strukturu pro DNA , ale v popisu této struktury udělal několik chyb. William Lawrence Bragg byl zklamaný, že Pauling vyhrál závod o objev alfa šroubovice  : jeho tým udělal zásadní chybu tím, že vytvořil model proteinů, aniž by vzal v úvahu plochost peptidové vazby . Když se v Cavendishově laboratoři dozvěděl, že Pauling pracuje na molekulárních modelech struktury DNA, dovolil Watsonovi a Crickovi navrhnout molekulární model pomocí nepublikované práce Maurice Wilkinse a Rosalind Elsie Franklin z King's College of London . V roce 1953 , James Dewey Watson a Francis Crick navrhoval správnou strukturu pro dvoušroubovice DNA, což jim získal Nobelova cena ve fyziologii nebo medicínu v roce 1962 . Jednou z překážek, kterým Pauling v průběhu své práce čelil, byla neschopnost zobrazit kvalitní difrakční snímky DNA pořízené Rosalind Elsie Franklinovou, ke kterým měli Watson a Crick přístup. Měl v plánu jít na kongres v Anglii, kde je mohl vidět, ale nemohl tak učinit, protože mu ministerstvo zahraničí odmítlo cestovní pas kvůli podezření ze sympatií komunistů.

Během tohoto období, kdy McCarthyism začal ve Spojených státech, Pauling také studoval enzymatické reakce . Je jedním z prvních, kdo ukázal, že enzymy působí stabilizací přechodových stavů během reakcí, což je chování, které je základem jejich mechanismu působení. Je také jedním z prvních, kdo navrhuje, že vazba mezi protilátkami a antigeny může být způsobena komplementárními strukturami. Ve stejném duchu podepisuje publikaci s biologem Maxem Delbrückem, která naznačuje, že replikace DNA nachází svůj zdroj spíše ve strukturálních komplementaritách než v podobnostech, jak naznačují někteří vědci. Watson a Crickův model tento návrh potvrdí. Kromě toho se spolu s dalšími vědci podílí na výrobě umělých protilátek a náhražek krevní plazmy .

Méně známá a méně slavná pozice Linuse Paulinga se týká lidí heterozygotních pro gen srpkovitých buněk (zdravý nosič nemoci); Linus ve skutečnosti napsal článek v právnickém deníku v roce 1969 a řekl: „ Navrhuji, aby každému mladému člověku nesoucímu gen byl na čelo připevněn vytetovaný symbol ... ten, u kterého ho máme. Nalezen v jedné dávce ... Pokud by to bylo provedeno, dva mladí lidé nesoucí stejný gen, opravdu škodliví, byli by na první pohled informováni o situaci a upustili by od vzájemné lásky ... Legislativa v terénu, předmanželský screening a musí být přijata nějaká forma veřejné nebo poloveřejné známky tohoto charakteru “

Politický závazek

Až do druhé světové války neměl Pauling žádnou politickou účast. Během války se podílel na vývoji výbušnin a raketového paliva. Vyvíjí také detektor kyslíku pro ponorky . Na začátku projektu Manhattan , Robert Oppenheimer mu nabídl převzít vedoucí katedry chemie projektu, návrh odmítl. V důsledku těchto příspěvků k americkému válečnému úsilí obdržel v roce 1948 prezidentskou medaili za zásluhy od Harryho Trumana . Bombardování Hirošimy a Nagasaki ho však hluboce poznamenalo. V roce 1946 nastoupil do pohotovostního výboru atomových vědců v čele s Albertem Einsteinem , jehož cílem je varovat veřejné mínění před nebezpečím spojeným s vývojem jaderných zbraní . Jeho politický aktivismus vedl americké ministerstvo zahraničí k tomu, že mu v roce 1952, kdy byl pozván na vědecký kongres v Londýně, odepřel cestovní pas . Jeho pas mu byl vrácen v roce 1954 , krátce před slavnostním ceremoniálem udělování Nobelovy ceny za chemii ve Stockholmu . V roce 1955 podepsal manifest Russell-Einstein spolu s Einsteinem, Bertrandem Russellem a osmi dalšími předními vědci a intelektuály.

V roce 1957 zahájil Pauling ve spolupráci s biologem Barrym Commonerem petici , která zkoumala přítomnost radioaktivního stroncia 90 v dětských zoubcích dětí a dospěla k závěru, že jaderné testy v atmosféře představují riziko pro veřejné zdraví kvůli spadu . Rovněž se účastní veřejné debaty s atomistickým fyzikem Edwardem Tellerem o reálných rizicích mutací způsobených spadem. V roce 1958 Pauling a jeho manželka předložili Organizaci spojených národů petici podepsanou více než 11 000 vědci požadující ukončení jaderných zkoušek. Veřejný tlak vedl k moratoriu na zkoušení povrchu, následuje podepsání částečného zákazu jaderných zkoušek smlouvy ze strany Johna Fitzgeralda Kennedyho a Nikity Chruščova . V roce 1963 , v den, kdy smlouva vstoupila v platnost, Nobelov výbor udělil Paulingovi Nobelovu cenu za mír za rok 1962 (do té doby drženou v záloze) a popsal jej jako „Linuse Paulinga, který od roku 1946 bez přestání bojuje, nejen proti jaderné testy, nejen proti šíření jaderných zbraní, nejen proti jejich použití, ale proti použití válek jako prostředku řešení mezinárodních konfliktů. Caltechovo chemické oddělení, opatrné vůči svým politickým závazkům, mu oficiálně blahopřeje. Na druhé straně mu biologické oddělení dává malou recepci a projevuje sympatie k jeho práci na mutacích vyvolaných zářením.

V roce 1964 musel pod tlakem správní rady, která nesouhlasila s jeho politickými závazky, opustit své místo v Caltechu. Poté pracoval postupně v San Diegu v letech 1967 až 1969 a na Stanford University v letech 1969 až 1973 .

Mnoho Paulingových kritiků, včetně vědců, kteří oceňují jeho práci v chemii, nesouhlasí s jeho politickými postoji a vidí ho jako naivního mluvčího sovětského komunismu . V roce 1955 byl Pauling povolán, aby vystoupil před Senátním podvýborem pro vnitřní bezpečnost, který ho popsal jako „vědeckou osobnost číslo jedna ve všech hlavních aktivitách komunistické mírové ofenzívy v zemi“. Před tímto výborem bude předvolán několikrát, zejména po petici proti jaderným zkouškám. Časopis Life popisuje Nobelovu cenu za mír jako „podivnou urážku z Norska“ („podivnou urážku z Norska  “). V roce 1970 Pauling vyhrál SSSR Leninovu cenu za mír .

Prohlašuje se za „  občana světa  “. Až do konce svého života používal svou proslulost k vystoupení proti ozbrojenému konfliktu, od protestů proti válce ve Vietnamu , až po „výzvu k míru v Chorvatsku  “ v roce 1991 . Rovněž je prudkým kritikem amerického intervencionismu v Latinské Americe , zejména v Nikaragui .

Další díla

Elektrické auto

Na konci 50. let se Pauling začal zajímat o problém znečištění ovzduší , zejména kvůli rostoucímu fenoménu smogu v Los Angeles . V té době většina vědců věřila, že smog byl způsoben vypouštěním z chemických továren a rafinerií . Práce Paulinga, Arie Haagen-Smitové a dalších vědců z Caltech ukazuje, že je to kvůli znečištění automobilů. Krátce po tomto objevu zahájil Pauling práce na vývoji elektromobilu, který měl být funkční a levný. Za tímto účelem spojil své síly s inženýry ze společnosti Eureka Williams při vývoji prvního elektrického automobilu s regulovatelnou rychlostí Henney Kilowatt . Poté, co pracoval na pohonném systému, Pauling ukazuje, že baterie konvenční olověné kyseliny nemohou poskytnout dostatečný výkon, aby výkon elektromobilu mohl konkurovat těm z automobilů na benzín . Předpovídá, že díky nízké maximální rychlosti a nízkému dojezdu Henneyho Kilowatta bude neefektivní a nepopulární. Vyzývá Eureku Williamsovou, aby počkala s vývojem funkčnějšího vozu, než jej nabídne veřejnosti, a doporučuje zastavit projekt, dokud nebudou na trhu k dispozici účinnější baterie. Společnost však dává přednost zahájení výroby automobilu, což vede ke komerčnímu selhání.

Léky a vitamíny

V roce 1941 Pauling, tehdy 40 let, zjistil, že má těžkou formu Brightovy choroby, život ohrožujícího onemocnění ledvin, které lékaři v té době považovali za nevyléčitelné. Pomocí D r Thomas Addis  (ne) Stanfordu, se mu podaří kontrolovat průběh nemoci podle následujících strava s nízkým proteinu bez soli , neobvyklý pro čas. Stejně jako všem Addisovým pacientům je také předepisován vitamin a minerály .

Na konci 50. let Pauling studoval působení enzymů na funkci mozku . Věří, že duševní nemoci mohou být částečně způsobeny enzymatickými dysfunkcemi. Při čtení publikace Abram Hoffer  (in) 1965 Využití vitaminu B3 v psychiatrii si uvědomuje, že vitamíny by mohly ovlivňovat biochemický význam kromě těch, které souvisejí s prevencí nemocí souvisejících s jejich nedostatkem. V roce 1968 vydal v časopise Science jeho nejdůležitější publikaci v této oblasti: ortomolekulární psychiatrie. […] ( PMID 5641253 ), ve kterém vytvořil slovo „  orthomolekulární  “, aby popsal koncept řízení koncentrace sloučenin přítomných v lidském těle za účelem prevence a léčby nemocí.