Мир, созданный химиками. От философского камня до графена

перейти на «современную» технологию, придуманную им сто лет назад.

Дмитрий Иванович Менделеев не получил Нобелевской премии, что больше говорит о премии, чем о великом ученом. Из российских ученых этой премии по химии удостоился (в 1956 году) только Николай Николаевич Семенов. Зато в 2010 году стали лауреатами Нобелевской премии, правда, не по химии, а по физике, два экс-российских ученых за открытие новой модификации углерода — графена. Кстати, именно углерод оказался одним из тех элементов, неестественное положение которого в предыдущих системах элементов привело Менделеева к мысли о смелом изменении атомных весов некоторых элементов. И вообще, углерод настолько важный элемент, что он вполне достоин отдельного рассказа.

Глава 3 Углеродная жизнь

Элемент углерод находится ровно посередине второго периода Таблицы Менделеева, образует неорганические и органические соединения и способен реагировать со множеством других веществ и элементов. Но главное свойство углерода — это возможность связывания самих атомов углерода друг с другом, то есть образование углеродных цепочек. Именно это свойство сделало углерод «элементом жизни» — из таких цепочек построены и наследственные молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), и белки, из которых состоят наши мышцы, и все ферменты и углеводы, которые входят в состав множества наших органов, и жиры, из которых сделаны мембраны наших клеток (а также, увы, и наши животы). На углеродные цепочки нанизаны атомы и других элементов — азота, водорода, кислорода. Эти цепочки являются основным структурным элементом клеток растений, которыми мы питаемся, а также древесины, из которой мы изготавливаем стулья и обеденные столы, а также шкафы и кресла. То же самое относится, как это ни жутковато звучит, к клеткам съедобных и несъедобных животных, которые тоже состоят в основном из веществ с цепочками углерода.

Сажа и бриллианты

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.

Мячи и плоскости

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 С₆₀ представляет собой трехмерное тело икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников — точно как сшитый из разных кусков кожи футбольный мяч. В более крупном С₇₀ в 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 С₆₀ в точности похож на футбольный мяч, а следующий С₇₀ — 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,