Что такое фуллерены?

Химия четко делится на две неравные части. Органическая химия — она вся о соединениях углерода, а неорганическая — о соединениях всех прочих элементов в таблице Менделеева. И органических соединений гораздо больше, чем неорганических!

Необычность углерода имеет свое объяснение. Химическая природа этого элемента позволяет его атомам объединяться друг с другом, образуя длинные полимерные цепочки. Причем цепочки эти могут иметь самую разнообразную форму. Молекулы бензола, например, образуют замкнутые кольца, а молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), ответственной за передачу наследственной информации, представляют две связанных между собой спирали.

Другое важное следствие особых химических свойств углерода состоит в том, что этот элемент существует в природе в самых разных модификациях, совершенно не похожих друг на друга. Такие модификации называются аллотропическими формами. В переводе с древнегреческого «аллотропия» означает «другая форма».

Так вот, среди всех элементов в настоящее время больше всего аллотропических форм (а именно — 9) известно у углерода. Две из них знакомы всем. Это графит и алмаз. Оба вещества по химическому составу идентичны и представляют собой чистый углерод. Но из-за того, что атомы углерода в этих веществах расположены по-разному, их физические свойства тоже совершенно различны. Крошащийся при легком усилии черный, как ночь, графит и сверкающий солнцем алмаз, самый твердый минерал в мире! Почувствуйте разницу!

Фуллерен — это одна из аллотропических форм углерода, открытая относительно недавно. Впервые его обнаружил в середине 1970-х годов английский ученый-химик Гарольд Кро́то (Harold Walter Kroto; 1939 — 2016 гг.) при изучении спектров звезд. Расшифровка данных спектрального анализа показала в атмосфере крупных стареющих красных звезд, которые называют углеродными, и в межзвездной среде наличие больших молекул углерода, включающих 60, а иногда и 70 атомов.

В середине 1980-х годов пришла пора спуститься с небес на землю. В этом время в университете Райса, который находится в Техасе Ричард Смолли (Richard Smalley; 1943 — 2005 гг.) создал установку для исследования поведения металлов, испаряемых с металлической поверхности с помощью лазерного луча, а затем очень быстро охлаждаемых. При этом, как оказалось, металлы не кристаллизовывались, а образовывали длинные цепочки особой структуры — кластеры.

Работавший вместе со Смолли, Роберт Кёрл (Robert Floyd Curl Jr., род. 1933), встретившись с Крото на одном из семинаров, рассказал ему об установке Смолли и пригласил промоделировать на ней то, что происходит в атмосфере далеких звезд.

В августе—сентябре 1985 года была поставлена серия экспериментов. Обнаружилось, что в результате испарения графита лазерным лучом при быстром охлаждении пара образуются аллотропические формы углерода, содержащие 60 и 70 атомов. Химическая формула этих веществ должна была быть C60 или C70.

Ученые также определили, какую структуру имеют эти молекулы. Оказалось, что они могут быть только выпуклыми замкнутыми многогранниками, состоящими из пятиугольных или шестиугольных граней. Такой многогранник называется усеченным икосаэдром и обладает наивысшей симметрией.

В реальной жизни усеченный икосаэдр встречается довольно часто. Футбольный мяч, который принято считать круглым, на самом деле — это усеченный икосаэдр.

Кстати, именно футбольный мяч иллюстрировал первую статью об открытии новой аллотропической формы углерода. Там же впервые появилось ее название. Первооткрыватели назвали открытую ими молекулу углерода Бакминстерфуллереном (Buckminsterfullerene).

Откуда взялось такое длинное слово? От фамилии американского инженера, архитектора, дизайнера и изобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера (Richard Buckminster Fuller; 1895 — 1983 гг.). Как архитектор, он стал знаменит сооружениями куполообразной формы, которые называются геодезическими куполами.

Главное свойство геодезических куполов состоит в том, что их можно собирать из относительно коротких, скрепленных между собой, прямых стержней. Таким образом, возведение таких куполов относительно недорого.

Такие купола являются устойчивыми структурами. Они сами поддерживают себя. Очень легкий по весу геодезический купол может перекрывать огромные пространства. Кроме того, геодезический купол, благодаря своей почти шарообразной форме, хорошо выдерживает напор даже ураганных ветров. Невысокие сферические конструкции можно построить едва ли не вручную, без помощи строительного крана. Но все же строительство больших куполов гораздо выгоднее, потому что они будут состоять из большего числа деталей. В результате нагрузка на каждый стержень будет меньше.

Простой математический расчет показывает, что по мере увеличения диаметра сферы объём пространства, заключаемого этой сферой, будет расти быстрее, чем масса оболочки этой архитектурной структуры. Таким образом, появляется реальная техническая возможность перекрыть сферическим куполом гигантское пространство. Речь идет уже не о строительстве зданий, а о целых городах под куполом.

Считаем дальше. Допустим, мы построили купол-сферу диаметром 1,5 километра. Масса воздуха, заключенного в такую сферу, будет во много раз больше массы всей сферы. «Прекрасно!» — рассуждал Фуллер. Если весь воздух в такой сфере нагреть всего на один градус по сравнению с температурой окружающего пространства, возникнет значительная подъемная сила. Сфера взлетит! И не только взлетит сама, но сможет поднять вверх большой груз.

Что из этого следует? Можно строить летающие города, в каждом из которых будут проживать несколько тысяч человек! Такие города, могли бы находиться на якоре и свободно парить или, подобно дирижаблям, лететь, подгоняемые ветром!

Ну, а если все же спуститься из поднебесья на твердую землю, сферические сооружения Фуллера были и очень функциональны, и попросту красивы. В 1959 году в Москве состоялась Американская национальная выставка, которую разместили в так называемом «золотом куполе» — огромной сетчатой конструкции, собранной из легких стальных труб, которые удерживали на себе такой же легкий потолок из золотистого алюминия.

В 1967 году Р. Фуллер спроектировал павильон США на Всемирной выставке в Монреале. После закрытия выставки огромную сферу Фуллера не разобрали. Это строение осталось в Монреале. Сейчас в нем размещается музей «Биосфера».

Что же касается фуллеренов, то Нобелевский комитет признал открытие этой аллотропической формы углерода выдающимся. Гарольд Кро́то, Ричард Смолли и Роберт Кёрл в 1996 году получили за научное открытие Нобелевскую премию по химии.

Следует сказать, что теоретики предсказали существование молекул углерода, имеющих замкнутую и устойчивую, почти «шарообразную» структуру задолго до того, как экспериментаторы эти молекулы синтезировали.

В конце 1960-х годов японский химик Эйдзи Осава (Eiji Osawa, род. 1935) опубликовал статью, в которой изобразил структуру молекулы C60 в виде усеченного икосаэдра. Еще раньше советские ученые Д. А. Бочвар, Е. Г. Гальперн и И. В. Станкевич посредством компьютерных расчетов показали, что такая молекула будет стабильной.

Выбрать в качестве основы для расчетов усеченный икосаэдр предложил завзятый футболист Станкевич. Рассуждал он просто: 22 здоровых парня в течение двух часов непрерывно пинают футбольный мяч, а ему хоть бы что. Следовательно, такая форма будет чрезвычайно прочной.

Это в самом деле оказалось так. Но директор академического института, в котором тогда работали ученые, не разрешил опубликовать результаты в научном журнале, и работа в этом направлении застопорилась до публикации работы Э. Осавы.

Изучение фуллеренов уже давно перешло из области чистой науки в область технологических и нанотехнологических разработок. Применение фуллеренам найдено и в материаловедении, где был создан сверхтвердый материал фуллерит, который тверже даже алмаза. У фуллеренов обнаружены сверхпроводящие свойства.

Очень перспективно применение фуллеренов в медицине. Фуллерены — самые мощные антиоксиданты, а следовательно, на их основе можно сделать лекарства, очищающие организм и продлевающие срок жизни. Фуллерены также могут быть одним из возможных лекарств против ВИЧ.