Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Впрочем, бриллианты все же не вечны, во всяком случае на нашей планете. Есть более стабильная форма углерода – это родной брат алмаза графит. Поэтому все алмазы, включая «Большую Звезду Африки» в лондонском Тауэре, на самом деле медленно превращаются в графит. Удручающая новость для владельцев бриллиантов. Впрочем, их можно утешить: до появления первых признаков вырождения камня пройдут миллиарды лет.

Структура графита радикально отличается от алмазной. Слои атомов углерода в ней расположены шестиугольником. Каждый слой представляет собой чрезвычайно прочное и устойчивое образование с более крепкими, чем в алмазе, межатомными связями. Факт весьма удивительный, если вспомнить, что из рыхлого графита делают смазку и карандашные грифели.

Кристаллическая структура графита

Парадокс, возможно, объясняется тем, что у каждого атома углерода внутри графитового слоя имеется три соседа, с которыми он делит четыре своих электрона. В алмазной же структуре каждый атом углерода делит свои четыре электрона с четырьмя атомами. Отсюда иная электронная структура и более сильные химические связи внутри слоев графита по сравнению с алмазными. В то же время у атомов графита не остается электронов, чтобы образовать прочные связи между слоями. Слои скрепляет универсальный клей, совокупность слабых взаимодействий, вызванных флуктуациями в электрическом поле молекул, – силы Ван-дер-Ваальса. Это те самые силы, которые делают липким офисный пластилин ( Blu-Tack ). Поэтому, когда графит подвергается механическому давлению, первыми рвутся слабые связи Ван-дер-Ваальса, и графит становится очень мягким. Именно так «работает» карандаш: прижимая его к бумаге, вы разрываете эти связи, и слои графита соскальзывают на бумагу. Если бы не слабые связи между слоями, графит был бы прочнее алмаза. Этот факт послужил одной из отправных точек для Андрея Гейма и его команды.

Взгляните на темно-серый, с металлическим отливом, карандашный грифель. Тысячелетиями этот материал ошибочно принимали за разновидность свинца и называли плюмбаго, или черным свинцом. Путаница была вполне понятной, поскольку и графит, и свинец – это мягкие металлы (впрочем, графит сегодня считается полуметаллом). Рудники плюмбаго приобретали все большую ценность по мере того, как графиту находили новые сферы применения. Оказалось, например, что из него выходят отличные пушечные ядра и мушкетные пули. В XVII–XVIII веках в Англии материал так сильно вырос в цене, что воры приноровились рыть тайные ходы в рудники или же нанимались рабочими и скрытно выносили плюмбаго под одеждой. Дороговизна подстегивала этот промысел, пока в 1752 году парламент не принял закон, объявлявший кражу графита из рудников тяжким уголовным преступлением, наказуемым годом каторжных работ или семилетней ссылкой в Австралию. К 1800 году добыча графита стала настолько прибыльным предприятием, что повсюду у ворот рудников стояла вооруженная охрана.

Причина того, что у графита, в отличие от алмаза, металлическая природа, кроется все в той же шестиугольной атомной структуре. Как мы уже знаем, в структуре алмаза все четыре электрона каждого атома углерода связаны с такими же электронами других атомов. Таким образом, все атомы пространственной решетки крепко взаимосвязаны, и «свободных» электронов нет. Вот почему алмазы не проводят электричество, ведь в их структуре отсутствуют электроны, которые могли бы свободно перемещаться, производя электрический ток. В то же время в структуре графита внешние электроны не просто связаны с парными электронами соседнего атома, скорее они образуют море электронов внутри материала. Одним из последствий этого является электропроводность графита – ведь электроны в нем могут перемещаться подобно жидкости. Нить накаливания в электрических лампочках Эдисона была из графита: за счет высокой температуры плавления он под действием тока раскаляется добела, но не плавится, излучая сильный свет. И кроме того, бесчисленные электроны служат чем-то вроде электромагнитного батута для света – именно отраженный свет придает графиту свойственный металлам блеск. Впрочем, команда Андрея Гейма получила Нобелевскую премию не за это лаконичное объяснение металлических свойств графита, это было для нее лишь отправной точкой.

Углерод – основа жизни на Земле, любой ее формы, и хотя различные углеродные соединения на первый взгляд совсем не похожи на графит, им легко придать шестиугольную структуру путем сжигания. При сильном нагреве дерево превращается в уголь, кусок хлеба – в сгоревший тост; да и мы сами почернеем и обуглимся, если подвергнуть нас воздействию пламени. Ни один из этих процессов не приводит к образованию чистого блестящего графита, поскольку шестиугольные слои углерода перемешаны, а не плотно уложены в аккуратном порядке. Тем не менее существует огромное разнообразие черных сажистых материалов с общим свойством: все они содержат углерод в его наиболее стабильной форме – в форме шестиугольных слоев. Каменный уголь, очередная разновидность черного сажистого углерода, стал широко применяться в XIX веке. Шестиугольные пласты атомов в угле образуются не за счет нагрева, как в случае с подгоревшим тостом, но вследствие геологических процессов, миллионы лет воздействовавших на останки растительных организмов. Первоначально уголь – это форма торфа, которая под воздействием высокой температуры и давления трансформируется в лигнит (бурый уголь), потом в битуминозный уголь, в антрацит и, наконец, в графит. В процессе этих трансформаций уголь теряет летучие соединения азота, серы и кислорода, присутствующие в первоначальном растительном материале, постепенно превращаясь в почти чистый углерод. По мере формирования гексагональных слоев материал приобретает все более выраженный металлический блеск, особенно заметный на зеркальных черных гранях некоторых углей, например антрацита. Однако уголь редко является чистой формой углерода. Вот почему при горении он довольно неприятно пахнет.

Среди всех сортов наиболее ценится за внешний вид уголь из ископаемых остатков чилийской араукарии. Это твердая порода (ее можно резать и полировать до зеркального блеска) насыщенного черного цвета с чудесным глянцем. Иногда этот уголь называют черным янтарем, поскольку он обладает похожими трибоэлектрическими свойствами: рождает при трении статический заряд и топорщит волоски на теле. Чаще он встречается под именем «гагат». В Англии он вошел в моду в XIX веке благодаря королеве Виктории, которая в знак траура по супругу принцу Альберту всю жизнь носила черную одежду и гагатовые украшения. По всей империи спрос на гагаты был так велик, что население йоркширского городка Уитби, в котором Брэм Стоукер позднее написал свой готический шедевр, роман «Дракула», внезапно бросило топить печи местным гагатом и перешло на производство знаменитых траурных украшений. Мысль о том, что у алмаза есть нечто общее с углем или графитом, была чистой фантазией, пока химики его не нагрели. В 1772 году это сделал Антуан Лавуазье и обнаружил, что раскаленный докрасна алмаз горит и сгорает дотла. После него совсем ничего не остается, как если бы он растворился в воздухе. Удивительный эксперимент. Прочие драгоценные камни, такие как рубин и сапфир, оказались невосприимчивы к нагреву. Их нельзя было довести не то что до красного, но даже до белого каления. Они не горели. У алмаза же, короля драгоценных камней, обнаружилась ахиллесова пята. Душа поет, когда я думаю про следующий опыт Лавуазье, настолько это было красиво. Химик нагрел алмаз в вакууме, чтобы там, в отсутствие необходимого для реакции горения воздуха, достичь более высокой температуры. Это один из тех экспериментов, которые легче предложить, чем выполнить, что особенно верно для XVIII столетия, когда создать вакуум само по себе было нелегкой задачей. Результат поразил Антуана Лавуазье. Как и в прошлый раз, камень раскалился докрасна, однако в ходе начавшейся реакции превратился в чистейший графит. Так было доказано, что оба материала состоят из одного и того же вещества – углерода.