Петр Образцов - Удивительные истории о веществах самых разных

Доказательство того, что алмаз – одна из форм углерода, принадлежит английскому химику Смитсону Теннанту. Решающий эксперимент был выполнен в 1797 году, когда Теннант сжег алмаз в закрытом золотом сосуде и установил, что вес образовавшейся двуокиси углерода точно такой, каким он и должен быть, если алмаз состоит из чистого углерода. С тех пор ученые постоянно мечтали превратить углерод в алмаз, что в конце концов удалось. При огромном давлении и определенной температуре сейчас алмазы получают из графита тоннами. Правда, бриллианты из таких алмазов получаются достаточно неказистые, зато ими утыканы рабочие поверхности всяких буровых инструментов и обычных сверл.

Аморфный же углерод – это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структурой он не обладает. Строго говоря, его даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа и активированный уголь, который приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления народного напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Менделееву.

В 1985 году было сделано потрясающее открытие принципиально новой модификации углерода – фуллерена. Исследователи изучали пары графита, испаренного лазерным лучом, и обнаружили в них молекулы, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. После многочисленных экспериментов было установлено, что С 60представляет собой икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников – 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 таких структурных элементов, как шести– и пятиугольники. Вскоре, впрочем, название было сокращено до фуллеренов. Через одиннадцать лет после открытия ученые получили за это Нобелевскую премию по химии, и все эти годы открывались все новые и новые фуллерены. Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, такие конструкции даже Фуллеру были не по плечу.

Если в вышеупомянутый футбольный мяч вставлять все новые углеродные «пояса», постепенно получится трубка, оканчивающаяся как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения таких 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 и получим такую трубу, цилиндр с округлыми краями. Получены нанотрубки, чья длина превышает диаметр в 132 тысячи раз.

На практике нанотрубки были обнаружены в 1991 году японцем Иидзимой, а может быть, и раньше (когда они не вызывали ни у кого интереса). В сущности, это еще одна аллотропическая модификация многоликого углерода. Из нанотрубок изготовляют сверхпрочные нити, их в ничтожных количествах добавляют в углепластики для бейсбольных бит, клюшек для гольфа, структурных элементов автомобилей. Нанотрубки обнаружены в дамасской стали, хотя как они там оказались – остается загадкой. Видимо, с помощью машины времени.

В качестве экзотического, но еще не реализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому ездит лифт с грузом или людьми. (Тут почему‐то вспоминается помещик Манилов: «Иногда, глядя с крыльца на двор и на пруд, говорил он о том, как бы хорошо было, если бы вдруг от дома провести подземный ход или чрез пруд выстроить каменный мост, на котором бы были по обеим сторонам лавки, и чтобы в них сидели купцы и продавали разные мелкие товары, нужные для крестьян».) Впрочем, подобный космический транспорт был бы куда дешевле ракет, а нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса.

И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новоселов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода – одномерные пленки под названием «графен» (не путать с графином, хотя по‐английски он звучит именно как графин – английская «Е» читается как русская «И») – не что иное, как один корж из того самого торта «Наполеон», один слой в графите. За открытие этого поразительного вещества Гейм и Новоселов 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. Продолжаются исследования о его применении в электрических аккумуляторах и много в чем еще.