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

Научное сообщество быстро сократило название до фуллерена. Интересно, что сам Смолли по возможности избегал пользоваться этим вариантом и предпочитал свой – баки-бол, а открытые позднее углеродные нанотрубки (о них – ниже) именовал баки-трубками.

После открытия фуллерена научные интересы Смолли стали постепенно смещаться от теории к практике. Он разработал один из первых полупромышленных методов получения углеродных нанотрубок и изучал возможности их применения в энергетике. Например, при изготовлении проводов для линий электропередачи. Смолли полагал, что более легкие и хорошо проводящие электрический ток нанотрубки вытеснят в будущем алюминий и медь. Он предлагал также использовать углеродные нанотрубки как наноконтейнеры для хранения водорода, решая таким образом самую больную проблему водородной энергетики. Для внедрения своих разработок Смолли основал компанию “Carbon Nanotechnologies”, а для интенсификации научных исследований – Центр нанонауки и технологии Университета Райса.

А еще он был одним из отцов-основателей Национальной нанотехнологической инициативы США, которая быстро переросла во всемирный нанотехнологический проект. О перипетиях этой долгой истории я поведаю чуть позже, пока же скажу, что одним из ее ключевых моментов стало выступление Смолли в Конгрессе США. В Америке, в отличие от современной России, принято консультироваться с учеными при обсуждении практически любого вопроса, тем более имеющего отношение к технологическому развитию страны. Процедура эта не формальная, к мнению ученых прислушиваются, рекомендации экспертов ложатся в основу принимаемых решений. Конечно, без шарлатанов и проходимцев дело, как и в любой стране, не обходится, но большинство ученых-экспертов выполняют свою работу добросовестно, имея в виду в первую очередь интересы страны, а не пытаются урвать от будущей программы увесистый кусок для своего института или университета и для себя лично. Лучшими экспертами считаются Нобелевские лауреаты, – как люди, достигшие материального благополучия и пика славы и пекущиеся разве что о своей репутации, они могут говорить без оглядки на кого бы то ни было и посему объективны.

Так что Смолли конгрессмены слушали очень внимательно. Блестящий лектор, он доходчиво объяснил этим далеким от науки людям, что могут принести в будущем нанотехнологии. Он проиллюстрировал это, в частности, описанными выше примерами потенциального применения нанотрубок в энергетике. Закончил же медициной – созданием методами нанотехнологий “волшебных пуль”, способных избирательно поражать раковые клетки без побочных эффектов. “Возможно, я уже не увижу этого, – сказал он в заключение, – но я уверен, что с вашей помощью это обязательно произойдет. Рак навсегда останется в прошлом”.

Многие конгрессмены знали, что Смолли болен лейкемией, – в Америке об этом объявляют незамедлительно и говорят открыто. А кто не знал, тот догадался по явным последствиям химиотерапии. Так что эмоциональная концовка выступления произвела вдвойне сильное впечатление. Конгрессмены одобрили проект.

Вернемся к фуллерену. Неужели никто никогда не предполагал существование такой молекулы? Конечно, предполагали, ученые – большие фантазеры. Такую идею высказал, например, японец Еижи Осава в 1970 году. Но статья была опубликована на японском языке, еще менее понятном для научного сообщества, чем русский. Возможно, эту структуру рисовали на бумаге и другие ученые, но потом отвергали как невозможную. Дело в том, что каждый атом углерода в ней соединен с тремя соседями и больше ни с кем, так устроены ароматические соединения, ароматические соединения – плоские. Согласно традиционным воззрениям, молекула фуллерена не имеет права на существование. Это утверждение проверили советские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин в 1973 году. Выполненные ими квантово-химические расчеты указывали, наоборот, на высокую стабильность структуры, составленной из шестидесяти атомов углерода. Но все это было чистым теоретизированием, лишенным практического основания.

Открытие Смолли подхлестнуло фантазию ученых. Фуллерен был сложен из двенадцати пятиугольников и двадцати шестиугольников. Почему именно из них, было понятно, это вытекало из свойств атома углерода: наибольшей устойчивостью обладают циклические структуры, составленные из пяти и шести атомов. Но откуда следует, что соотношение между многоугольниками может быть только таким? Ведь великий математик Эйлер еще в середине XVIII века доказал, что из пяти– и шестиугольников можно составить множество различных многогранников. И ученые принялись увлеченно складывать эти структуры. Сейчас аналогичную задачу предлагают решить школьникам во многих американских школах с помощью специального конструктора. Они довольно быстро обнаруживают, что минимальная структура складывается из двенадцати пятиугольников и двух шестиугольников и содержит, таким образом, двадцать четыре атома углерода, верхнего же предела фантазии нет, размер многогранника можно увеличивать до бесконечности. И каждая из этих структур имела не меньшее право на существование, чем открытый Смолли и Кёрлом фуллерен, хотя и не была такой изысканно красивой.

Когда ученые знают, что и где искать, они находят это с поразительной быстротой. Следуя путем, проложенным Смолли, варьируя условия синтеза, исследователи за десятилетие получили множество различных молекул углерода, дойдя до отметки в 960 атомов. Это был уже целый класс родственных соединений, который назвали обобщенно фуллеренами, а для обозначения каждой отдельной структуры стали добавлять число, указывающее на количество атомов углерода, так что молекула, впервые полученная Смолли, обрела свое окончательное название – фуллерен С60.

Посмотрим на фуллерены под другим углом зрения. Все они состоят только из атомов углерода, химики называют такие соединения простыми. Из школьного курса все мы помним, что у углерода есть два простых соединения – алмаз и графит [36] . И тут вдруг ученые получили целую россыпь – несколько десятков – новых простых соединений углерода, каждое из которых обладало своими, уникальными свойствами.

Феноменальный прогресс был достигнут и в методах получения фуллеренов. Как вы уже поняли, ученым стоит только намекнуть, что какое-то вещество можно получить в принципе, и вскоре они будут синтезировать его в своих лабораториях граммами и килограммами и доведут дело, если потребуется, до промышленного производства. То же случилось и с фуллеренами. Оказалось, что они образуются при дуговом разряде на графитовых электродах, просто раньше никому в голову не приходило искать их в образующейся при этом саже.