Петр Образцов - Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

Но все это — об органических соединениях элемента углерод. А сам по себе элемент углерод образует неорганические модификации, иначе называемые аллотропическими. Еще не так давно признавали только три аллотропические модификации — алмаз, графит и аморфный углерод. Но в 60-е годы прошлого века был получен (кстати, советскими учеными) так называемый карбин, представляющий собой чистые цепочки из атомов углерода, без дополнительных атомов других элементов. Соединены атомы в карбине двойными или тройными плюс одинарными связями — так, чтобы каждый из атомов был четырехвалентным. Углерод практически во всех своих соединениях имеет валентность, равную четырем.

Алмаз построен совершенно по-другому. Каждый из атомов углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре ближайших атома. Связь углерод-углерод очень прочная, именно поэтому алмаз обладает самой высокой из всех минералов твердостью и самым низким коэффициентом сжатия. Алмаз действительно почти невозможно сжать, но его легко разбить, алмаз довольно хрупок. Да, самое главное — не с точки зрения химии, конечно: специальным образом обработанный алмаз называется бриллиантом и очень ценится девушками. Любовь проходит, а бриллианты остаются.

Графит, тот самый, что в карандаше, в отличие от алмаза, легко истирается и превращается на бумаге в буквы — к примеру, в рукописи великих романов или письма с фронта. Говорят, что специалисты американского космического агентства НАСА якобы потратили несколько миллионов долларов на разработку ручки для письма в космической невесомости. Оканчивается история ударной фразой: «А русские космонавты пользовались карандашом». Свойство графита истираться и оставлять следы на бумаге связано с тем, что графит представляет собой стопку слоев из шестигранников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Сами слои между собой связаны слабо, и графит легко расслаивается — это и есть следы на бумаге. Графит можно сравнить с тортом «Наполеон», где коржи не очень прочно склеены кремом.

Но графит, как и алмаз, состоит только из атомов углерода. Поэтому всегда было заманчивым как-то превратить графит в алмаз, что и было сделано. При огромном давлении и определенной температуре сейчас алмазы получают из графита тоннами. Правда, бриллианты из таких алмазов выходят не очень красивые, зато поверхности всяких буровых инструментов и обычных сверл, утыканные этими недорогими искусственными алмазами, работают просто великолепно.

А аморфный углерод — это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структуры у него нет. Строго говоря, аморфный углерод даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа, а также активированный уголь — его приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления того самого напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Ивановичу Менделееву.

В 1985 году химики сделали потрясающее открытие: была обнаружена принципиально новая модификация углерода — фуллерен. Исследователи изучали пары графита, испаренного лазерным лучом, и нашли в них молекулы, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. После многочисленных экспериментов было установлено, что С 60представляет собой трехмерное тело икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников — точно как сшитый из разных кусков кожи футбольный мяч. В более крупном С 70в середину «мяча» врезан пояс из 10 атомов углерода — такая молекула напоминает удлиненный мяч для регби. Эти молекулы первооткрыватели назвали бакминстерфуллеренами в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который строил здания именно из подобных структурных элементов — шести- и пятиугольников. Вскоре, впрочем, название сократили до фуллеренов. Через 11 лет после открытия ученые получили Нобелевскую премию по химии, и все эти годы обнаружились все новые и новые фуллерены.

Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, таких конструкций даже Фуллер не делал.

Как мы уже говорили, простейший фуллерен С 60в точности похож на футбольный мяч, а следующий С 70— уже на мяч для регби. Если продолжить эту операцию и вставлять все новые углеродные пояса в фуллереновый «мяч», то мы в какой-то момент получим трубку. Оканчиваться трубки будут как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения этих нанотрубок, или тубулен: представьте себе, что мы ухватились за два противоположных края фуллерена и начали его растягивать. Если откуда-то будут постоянно поступать атомы углерода, то мы создадим такую трубу, цилиндр с округлыми краями.

Не мысленно, а на практике нанотрубки были получены в 1990-е годы то ли японцем Иидзимой, то ли еще кем-то одновременно с ним. А то и раньше. Но самое главное, что теперь их научились получать килограммами, и это еще одна аллотропическая модификация нашего многоликого углерода. Из нанотрубок делают сверхпрочные нити, используемые для композиционных материалов, в электронике, в медицине. В качестве экзотического, но еще нереализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому будет ездить лифт с грузом или людьми. Все это гораздо дешевле использования ракет, и нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса. Но пока, правда, длинных нанотрубок никто не получал.

И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новосёлов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода — одномерные пленки под названием «графен». Этот графен не что иное, как один корж из того самого торта «Наполеон», один слой в графите. Есть такое выражение: в мире нет ничего более плоского, чем графен. За открытие этого поразительного по своим свойствам вещества Гейм и Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Графен прочнее стали в 200 раз, обладает необычными электрическими свойствами и в перспективе сможет заменить дорогой кремний при производстве электронных компонентов. Из графена уже научились делать прозрачные ленты, и революция в электронике не за горами.

Графен был теоретически предсказан еще в 1950-е годы, но получить его никак не удавалось. Удивительно, но Гейм и Новосёлов сделали это, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. В массе кусочков попадались и двухслойные, и однослойные пленки, которые наши соотечественники и исследовали.