Олег Сизоненко - Фуллерен, вода, долголетие. Рекордное долголетие с самой красивой молекулой нашей Вселенной

Какие это должны быть молекулы? По форме они должны быть близки к сфере с диаметром около одного нанометра. Для того чтобы «вписаться» в водный кластер – повторять его икосаэдрическую структуру. Икосаэдр – один из пяти правильных многогранников. Древнегреческий философ Платон сопоставлял их с природными стихиями. Примечательно, что икосаэдр соответствовал стихии Вода.

Обтекаемый икосаэдр можно ещё больше приблизить к сфере. Такая фигура называется усечённый икосаэдр. И всем она хорошо знакома. Потому, что напоминает покрышку футбольного мяча из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Похожие молекулы были открыты в 1985 году.

Английский химик Гарольд Крото изучал далёкий Космос. Его интересовал состав газа вблизи больших углеродных звёзд. Эти звезды называют красными гигантами, они в сотни раз больше нашего Солнца. Для проверки своих предположений ему нужно было провести эксперимент, моделирующий космические условия. От своего гостя Роберта Керла, он узнал о подходящем приборе. В лаборатории Ричарда Смолли, в университете Райса, была возможность испарить твёрдое вещество и изучить структуры, которые образуются при охлаждении газа. Смолли и Керл испаряли тугоплавкие металлы. Приехавший к ним Крото, предложил испарить графит.

При его испарении были обнаружены молекулы, которые состояли из 60 и 70 атомов углерода. И редакция журнала Nature получила статью с заголовком «Бакминстерфуллерен» 3 3 C 60 : Buckminsterfullerene . Nature 1985 , 318:162—3, H. W. Kroto at al. https://doi.org/10.1038/318162a0 . Так за десять дней сентября 1985 года были открыты фуллерен С 60, похожий на футбольный мяч и фуллерен С 70, похожий на мяч для регби. Футбольный мяч меньше нашей планеты во столько раз, во сколько раз фуллерен С 60меньше футбольного мяча.

Сферические куполаБакминстера Фуллера, натолкнули на мысль о форме новых образований. Новые молекулы назвали в честь человека, который решил превратить свою жизнь в эксперимент. С целью ответа на вопрос: «Что может один-единственный человек сделать на благо мира и всего человечества?». Он надеялся, что его инновационные проекты позволят человечеству выжить в будущем и рассматривал нашу планету как космический корабльс ограниченными ресурсами.

Один из его проектов назывался «Девятое небо». Он предложил строить сферические города, диаметром несколько километров. Если воздух в такой сфере будет на один градус теплее окружающего пространства, она сможет взлететь. Такие города, по желанию своих жителей, могут мигрировать, подобно перелётным птицам, или «парить на привязи» в любимом месте.

В 1996 году Крото, Керл и Смолли получили Нобелевскую премию по химии. В Нобелевской лекции 4 4 Symmetry, Space, Stars and C 60 . Sir Harold Kroto, Nobel Lecture, 1 996 , https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/kroto-lecture.pdf Крото отметил: «История открытия С 60не может быть правильно оценена без учёта красоты формы этой молекулы, которая обусловлена её невероятной симметрией…». В дальнейшем были открыты молекулы углерода, образованные различным количеством атомов углерода. Самой распространённой является молекула с 60 атомами углерода. Её полное имя – бакминстерфуллерен, но в тексте ниже мы будем называть её фуллереном.

Впервые синтезированные молекулы имеют очень причудливые формы. Раньше никогда не было, чтобы форма новой молекулы была знакома каждому жителю нашей планеты. Кроме фуллерена нет ни одной молекулы столь близкой к сфере. Его форма – уникальна.

В статье «Красота и изящество в мире молекул 5 5 Красота и изящество в мире молекул . Вестник РАН, 2006 , 76 (12):1115—22, Воронков и др. http://www.ras.ru/FStorage/download.aspx?Id=1c8972cc-a3a6-4b75-a7b1-ba74bcf1d143 » химики выбирали молекулу с самой яркой харизмой 6 6 The Charisma of C 60 Buckminsterfullerene. MRS Bulletin 1994 , 19 (21):21—27, Kroto H. W. https://doi.org/10.1557/S0883769400048351 . Титул «Самая красивая молекула Вселенной» получила молекула фуллерена. После её открытия многие учёные долго не могли поверить, что такая молекула вообще может существовать – в ней есть симметрия, которая встречается только в живой природе!

Как отличить живое от неживого? На данный момент, биология не может дать полного и исчерпывающего ответа на этот вопрос. Одно из отличий – поворотная симметрия пятого порядка. Если цветок с пятью лепестками повернуть на угол 72 градуса (360/5), силуэт цветка не изменится. Считалось, что такая симметрия присуща только живому. В неживой природе такая симметрия не встречается 7 7 За исключением квазикристаллов . Это экзотическое состояние образуется при охлаждении жидкой фазы со скоростью примерно миллион градусов в секунду. . Цветы с пятью лепестками, морские звёзды, биомолекулы тела человека симметричны относительно одной оси. В молекуле фуллерена – шесть осей такой симметрии. Это единственная молекула в Природе, обладающая столь уникальной симметрией.

Через 25 лет после открытия на Земле, фуллерен был найден в Космосе 8 8 Detection of C 60 and C 70 in a Young Planetary Nebula . Science 2010 , 329 (5996):1180—2, Cami et al. https://doi.org/10.1126/science.1192035 . Используя возможности космического телескопа Spitzer, астрономы исследовали более 250 ближайших планетарных туманностей. Масса фуллеренов, рассеянных вокруг одной из звёзд Малого Магелланова облака, более чем в 15 раз превышает массу нашей Луны. Твёрдые фуллерены были обнаружены вокруг двойной звезды XX Змееносца 9 9 Solid-phase C60 in the peculiar binary XX Oph? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters. 2011 , 421 (1): L92—6, Evans et al. https://academic.oup.com/mnrasl/article/421/1/L92/989294 .

Наша звезда, как и все другие звёзды, возникла из тёмной ледяной бездны, которую называют межзвёздной средой. Анализ излучения космических объектов – единственная возможность сделать вывод об их составе. Однако не только о нем: межзвёздная среда поглощает часть света, и по этому поглощению можно узнать, из чего она состоит.

Учитывая, что всё во Вселенной возникло из межзвёздной среды, важно было понимать её состав. В 1919 году были обнаружены первые диффузные полосы межзвёздного поглощения. В 1987 году Гарри Крото предположил, что ионы фуллерена могут быть носителями диффузных межзвёздных полос. Но не хватало их спектров при низкой температуре и давлении, таких как в Космосе. В 2015 году, после 20 лет усилий, спектры были получены 10 10 Laboratory confirmation of C 60 + as the carrier of two diffuse interstellar bands . Nature. 2015 , 523, 322—3, Campbell et al. https://doi.org/10.1038/nature14566 .

В апреле 2019 года были опубликованы результаты наблюдений, с использованием новой методики сканирования космического телескопа Hubble, предоставивших убедительное доказательство того, что фуллерен входит в состав межзвёздной среды 11 11 Confirming Interstellar C 60 + Using the Hubble Space Telescope . The Astrophysical Journal Letters. 2019 , 875 (2), Cordiner et al. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab14e5 . Это значит, что свет от далёких звёзд, идущий до нас миллионы световых лет, на своём пути постоянно встречает молекулы углерода.