Генрих Эрлих - Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Смолли очень тепло вспоминал об этих годах, говоря, что это было “живое” дело и он очень многому научился. Тем не менее в начале 1968 года он дозрел до мысли, что пора продолжить образование. Это стремление окрепло после женитьбы на очаровательной девушке – секретаре в компании “Shell”. У нас в стране все сейчас происходит наоборот: стоит молодому человеку жениться, как он бросает занятия наукой и переходит на какую-нибудь фирму, где платят существенно больше. Впрочем, есть между нашими странами и много общего. Так, летом 1968 года правительство США отменило для студентов отсрочку по призыву в армию, который тогда практически неизбежно приводил к отправке во Вьетнам. Для работавших на производстве отсрочка сохранялась, так что Смолли благоразумно решил немного повременить с возвращением в университет.

Лишь в конце 1969 года Смолли с женой и новорожденным сыном перебирается в Принстон. К своему главному открытию он приближался методично, географически и идейно. В магистратуре и аспирантуре Смолли занимался микроволновой спектроскопией чистых и смешанных молекулярных кристаллов при температуре жидкого гелия. Постдоковскую стажировку проходил в Чикагском университете, где объектом исследований стали уже газы. Их охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю, достигалось за счет сверхзвукового расширения, а для получения спектров применяли новейшее достижение того времени – перестраиваемые лазеры на красителях. Все это требовало создания сложнейших экспериментальных установок, в этом Смолли проявил себя истинным виртуозом. Разработанные методы позволили получать информацию о характеристиках многоатомных молекул с такой степенью точности, которая была доступна ранее только для атомов и двухатомных молекул. Это был переворот в молекулярной физике, понятный и интересный, впрочем, только узким специалистам. И уже тогда были обнаружены совершенно необычные соединения, например, пары, состоящие из атома натрия и атома аргона, то, чего не может быть согласно “школьной” химии.

В 1976 году Смолли получает место ассистента-профессора химии, физики и астрономии на химическом факультете Университета Райса в Хьюстоне и перебирается в Техас. Университет был небольшой и малоизвестный, это в будущем и в значительной мере благодаря Смолли он превратится в Мекку нанотехнологий, тем не менее выбор Смолли определили все же профессиональные соображения – там работал Роберт Кёрл, один из крупнейших специалистов в области лазерной спектроскопии. Смолли собрал усовершенствованный вариант своей чикагской установки, снабдив ее дополнительно масс-спектрометром для измерения массы молекул, образующихся в газовой фазе (нечто подобное сделал незадолго до этого Эрвин Мюллер со своим ионным микроскопом).

За несколько лет Смолли с Кёрлом научились испарять с помощью лазерного луча практически любое вещество, превращая его в газ, состоящий из атомов, и охлаждать этот газ до сверхнизких температур; они смотрели, как атомы взаимодействуют между собой, образуя кластеры – агрегаты, состоящие из нескольких атомов, и определяли их строение. Все это представляло, конечно, большой интерес для теоретической химии, но мир, скорее всего, никогда бы не услышал о Смолли, если бы в один прекрасный день об этих работах не узнал английский химик Гарольд Крото. Он изучал в то время возможность образования простейших соединений углерода и мельчайших углеродных частиц в межзвездном пространстве. Установка Смолли позволяла в какой-то мере смоделировать эти условия, и Крото обратился за помощью в Университет Райса.

В Хьюстоне все немного помешаны на космосе, ведь там располагается штаб-квартира Национального аэрокосмического агентства США (NASA), так что Смолли с Кёрлом с готовностью откликнулись на это предложение. В сентябре 1985 года в ходе нехитрого, по сравнению с предыдущими, эксперимента они испарили углерод и стали изучать масс-спектры, ожидая увидеть целую россыпь кластеров, содержащих два, три и более атомов углерода, соединенных в цепочки. Но вместо этого обнаружили кластер, состоящий из шестидесяти атомов углерода, – C60.

Факт удивительный, но не беспрецедентный. Вот и на страницах этой книги я уже рассказывал о чем-то подобном. Помните спонтанную самосборку молекул поверхностно-активных вещества в мицеллу? Ну а тут атомы углерода самоорганизуются в некую структуру, которая с энергетической точки зрения намного выгоднее других возможных структур. Самое поразительное, что и эту структуру вы знаете, этот объект вы держали в руках, пинали ногами или, в крайнем случае, видели, как это делают другие, на экране телевизора. Это – со временный футбольный мяч, склеенный из пяти-и шестиугольных фрагментов, в нем ровно шестьдесят “вершин”, точек соединения трех фрагментов.

Ничего более совершенного и симметричного, чем этот многогранник, из шестидесяти атомов составить просто невозможно, поэтому обнаруженному кластеру приписали именно эту структуру. И то, что она не противоречила полученным спектральным данным, лишь укрепило уверенность исследователей. Никакими другими доказательствами они не располагали, они не могли даже выделить и “подержать в руках” это вещество, потому что их эксперимент по сути своей выполнялся в очень разреженных условиях, а выход вещества был мизерным. Тем не менее они послали статью в Nature, она вышла 14 ноября 1985 года. Так началась новая эпоха в науке. У нее еще не было названия, но был символ – завораживающе красивый объект, то ли органическая молекула, то ли неорганическая частица размером ровно в один нанометр!

Смолли с Кёрлом и несколькими студентами и аспирантами выполнили серию экспериментов, в ходе которых было обнаружено еще более экзотическое соединение. Представьте себе, что в футбольный мяч при изготовлении вложили теннисный мяч. Тут произошло то же самое, только вложили атом лантана. Причем новое соединение образовывалось “само собой” при одновременном испарении углерода и лантана под действием лазера. Это составило предмет второй опубликованной статьи, ну а третья была посвящена роли кластеров углерода в образовании сажи. За эти три статьи в 1996 году Смолли, Кёрлу и Крото была присуждена Нобелевская премия по химии.

Полагаю, что осенью 1985 года они не задумывались ни о Нобелевской премии, ни о том, что открывают новую страницу в развитии науки, и даже приблизительно не предполагали, какое будущее ждет их детище. Иначе бы не дали ему такое несуразное имя – бакминстерфуллерен. Согласно канонической версии, его структура напоминает купол павильона США на выставке EXPO-67 в Монреале, сконструированный американским архитектором и дизайнером Ричардом Бакминстером Фуллером (1895–1983), отсюда и название. Но в том-то и дело, что лишь напоминает, ведь тот купол Фуллер собрал из тетраэдров, а наш красавец состоит из пяти– и шестиугольников. Скорее всего, первооткрыватели хотели просто почтить память Фуллера, скончавшегося незадолго до того. Фуллер был в США культовой фигурой, не только архитектором и дизайнером, он написал много книг, и ему принадлежит, в частности, такой прекрасный образ, как “Космический корабль Земля”. Так что в Хьюстоне культ Фуллера должен был быть особенно силен.