Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Присоединяя к себе радикалы (группы связанных между собой атомов, которые характеризуются наличием неспаренных электронов и переходят без изменения из одного соединения в другое), фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так были получены пленки полифуллерена, которые обладают пластическими свойствами и являются новым типом полимерного материала. Интересные результаты достигнуты в синтезе полимеров, когда фуллерен С 60 служит основой полимерной цепи, а связь между молекулами осуществляется посредством бензольных колец. Такая структура получила образное название «нить жемчуга».

Полимеризация фуллерена приводит к появлению необычных эффектов, перспективных для технологий. Например, фуллерены внутри углеродных нанотрубок образуют «гороховые стручки», которые могут использоваться в лазерах, одноэлектронных транзисторах, спиновых кубитах (технологиях, основанных на встраивании в кремний электронов, которые занимали бы так называемую суперпозицию) для квантовых компьютеров, при этом воздействие электронного пучка способно привести к полимеризации фуллерена во внутреннюю углеродную трубку. С другой стороны, присоединение фуллерена к поверхности нанотрубки создает «нанопочку», которая легко сцепляется с литым пластиком, что дает возможность наносить сенсорную поверхность на материал любой формы.

В 1993 г. В. Бланк, М. Попов и С. Бугой получили новый материал на основе фуллеренов — ультратвердый фуллерит, или тиснумит, который обладает рекордной упругостью и твердостью и даже способен царапать алмаз. Уникальные свойства этого материала связаны, вероятно, с тем, что полимеризованный фуллерит в его составе находится в сжатом состоянии, значительно повышая жесткость и твердость всего материала.

Получая Нобелевскую премию за открытие фуллерена, Крото сказал: «История открытия С 60 не может быть правильно оценена без учета его красоты, обусловленной невероятной симметрией этой молекулы. Другой важный факт, создающий ауру вокруг молекулы, связан с ее названием — бакминстерфуллерен. Все это придает ей харизму, которая очаровала ученых, привела в восторг обывателей, добавила энтузиазма молодым в их отношении к науке и, в частности, привнесла в химию свежее дыхание».

В 1972 г. П. Уокер, редактор книг «Химия и физика углерода», заявил, что новая глава в истории материалов не завершена: человечеству еще предстоит открыть удивительные свойства углерода ― «старого, но в то же время нового материала». Это высказывание оказалось пророческим.

Абсолютно все растения и животные (в том числе человек) состоят из углерода, который является неотъемлемой частью структуры жиров, белков и углеводов. В нашей галактике углерод содержится не только в чистом виде — в форме пара, но и в соединениях с водородом и азотом, и даже в составе метеоритов. В космосе его чуть меньше, чем кислорода, водорода и гелия. А вот в земных породах углерода относительно мало — 0,15 %, которые распределяются между кристаллами лонсдейлита, алмаза и графита, а также угля и шунгита.

Кроме того, углерод объединяет в себе совершенно противоположные свойства. Он может притягиваться к магниту и отталкиваться, хорошо или плохо проводить ток, пропускать либо не пропускать тепло, проявлять признаки идеально прозрачного и абсолютно черного тела, максимально твердого и очень мягкого материала и пр.

Одна из модификаций углерода — графен, который представляет собой тонкий слой атомов, расположенных в форме шестиугольных ячеек, и является составной частью более сложного кристалла графита, — была известна химикам уже в ХIX в. Так, в 1859 г. британский ученый Бенджамин Броуди обработал графит сильными кислотами, в результате чего образовался оксид графена. Проблема была в том, что в позапрошлом веке никто еще не умел проводить детализованный анализ двумерных кристаллов. Долгое время ученые вообще сомневались, что подобные атомные конструкции могут существовать в свободном виде: даже в 1930-х советский физик Л. Ландау и его английский коллега Р. Пайерлс заявляли, будто плоские кристаллы вроде графена слишком нестабильные и хрупкие.

В 1948 г. Дж. Руесс и Ф. Фогт исследовали графен просвечивающим электронным микроскопом и увидели, что толщина этого кристалла не превышает нескольких нанометров. Впрочем, объект исследования был не чистым графеном — истинные габариты этой структуры измерила другая пара ученых, У. Хоффман и Х.-П. Бем, которые восстановили оксид графита и получили отдельные слои толщиной в атом. А в 1970 г. Дж. Грант и Блэкли впервые вырастили графеновые решетки на металлических пластинах.

Однако лишь в 2004 г. русским физикам Константину Новоселову и Андрею Гейму, работавшим тогда в Британии, удалось получить чистый графен. Для этого им понадобились кремниевая подложка, кусок графита и… скотч. Графит расплющивался прессом на подложке, а затем слой за слоем «отшелушивался» скотчем, пока на пластине не оставался всего один слой. Этот слой и был графеном. В 2010 г. Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике, а в следующем году королева Елизавета пожаловала им титул рыцарей-бакалавров.

Впоследствии выяснилось, что двумерные кристаллы углерода имеют уникальные свойства и могут стать основой для материалов будущего. Во-первых, графен — суперпрочный и почти невесомый: при толщине в атом он не пропускает пули (потому подойдет для бронежилетов и обшивки космических челноков) и выдерживает вес взрослого крупного человека. Во-вторых, он является отличным проводником электричества и предупреждает ржавление железа.

С открытиями фуллерена и графена тесно связано наблюдение углеродных нанотрубок — одно- или многослойных графеновых решеток, «скрученных» валиком. Официально эти трубки обнаружил японский физик С. Иидзима в 1991 г., хотя в действительности впервые их заметили советские ученые, причем почти на полвека раньше. В 1952 г. Л. Радушкевич и В. Лукьянович с помощью электронного микроскопа сделали снимок углеродных наноструктур. Подобные снимки как простых, так и сложных трубок в 1976 г. получили японские ученые под руководством Моринобу Эндо. В конце 1970-х академики из Института катализа СССР исследовали образование углерода в железохромовых ускорителях реакций отщепления воды, как вдруг заметили «пустотелые углеродные дендриты». Понаблюдав за образованием этих структур, ученые детально описали сам процесс, а также строение трубок.

Пятью годами позже вышла статья А. Нестеренко с фотографиями многостенных кристаллических трубок, которые впервые были представлены в виде скрученной рулоном графеновой решетки. Увы, в то время разрешение микроскопов было недостаточно высоким для подробного изучения наноструктур, поэтому «первооткрыватели» не смогли по достоинству оценить их свойства.