Фуллерен: история открытия и многообещающие свойства молекулы

Фуллерен — это молекула, которая представляет собой замкнутую сферу, состоящую из 60 атомов углерода. Теоретически фуллерены были предсказаны задолго до их экспериментального получения.

В 1966 г. Дэвид Джонс предположил, что внедрение пятиугольных дефектов в графитовый слой, состоящий из правильных шестиугольников, может превратить этот плоский слой в полую замкнутую структуру. В 1971 г. японский физик Э. Осава исследовал возможность существования такой структуры, однако результаты опубликовал лишь в журнале Kagaku («Химия»), который выходит исключительно на японском языке. Именно из-за языкового барьера его работа не была известна научному сообществу вплоть до экспериментального открытия С60.

В СССР в 1971 г. впервые был проведен квантово-химический расчет стабильности и электронной структуры фуллерена. Директор Института элементоорганических соединений РАН, академик А. Несмеянов, предложил заведующему лабораторией квантовой химии Д. Бочвару исследовать полыеуглеродные замкнутые структуры, в которые могут быть помещены атомы металлов, и тем самым изолировать их от воздействия окружающей среды. Бочвар подключил к этой работе своих сотрудников Е. Гальперн и И. Станкевича и первым делом исследовал стабильность молекулы C20, которая имеет форму додекаэдра и носит название «карбододекаэдр». Однако размер такой молекулы оказался настолько мал, что внедрить в нее атомы металла было просто невозможно. К тому же результаты расчетов показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа приостановилась, и Станкевич, будучи заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С60, форма которой — симметричный усеченный икосаэдр — очень напоминает футбольный мяч. Притащив в лабораторию такой вот мяч, Станкевич заявил Гальперн: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой».

Квантово-химический расчет крошечной, но сложной по структуре молекулы оказался почти непосильной задачей для компьютеров того времени, однако ученые все-таки провели его и убедились, что С60 является стабильной молекулой. Тем не менее убедить других химиков в возможности существования такой молекулы оказалось непросто, и только в 1972 г., с появлением краткой заметки американских ученых о молекуле-додекаэдре С20, Бочвар представил работу о С60 в АН СССР. К его разочарованию, химики-экспериментаторы не захотели синтезировать эту структуру, и вплоть до синтеза в 1985 г. она считалась теоретической выдумкой.

Между тем в середине 1970-х британский химик Харольд Крото обнаружил по спектральным данным из космоса длинные углеродные молекулярные цепочки и загорелся идеей получить их в лабораторных условиях. В начале 1980-х в техасском Университете Райса, в лаборатории Ричарда Смолли, была разработана аппаратура для исследования соединений и кластеров (промежуточных между молекулой и объемным твердым телом), образующихся из тугоплавких элементов. Затем американский химик Роберт Кёрл приехал в лабораторию Крото и предложил ему посетить лабораторию Смолли. Впечатленный установкой, Крото предложил заменить металлический диск графитовым, чтобы получать не металлические кластеры, а углеродные цепочки, моделируя условия звездных оболочек.

В августе 1985 г. Крото стал участником описанного им же эксперимента и вскоре увидел непонятные пики в спектрах зарядов и масс частиц, соответствующих структурам из 60 и 70 атомов углерода. Изучив находку, ученый интерпретировал ее как замкнутую структуру, имеющую форму футбольного мяча и мяча для регби. А 13 сентября редакция журнала Nature получила статью под заголовком «С60: Buckminsterfullerene», где молекула фуллерена была изображена с помощью фотографии футбольного мяча — видимо, у авторов просто не хватило времени на постройку понятной атомарной модели.

Почему авторы предположили, что полученная молекула С60 представляет собой именно замкнутую сферу, а не цепочку? Природа любит симметричные структуры, а усеченный икосаэдр (форма футбольного мяча) — это образец высшей симметрии. Крото писал: «Я думал — такая форма молекулы настолько прекрасна, что должна быть верной». На мысль об этой форме ученого натолкнул купол, построенный для выставки выдающимся изобретателем Бакминстером Фуллером, потому новая молекула была названа его именем.

Присоединяя к себе радикалы (группы связанных между собой атомов, которые характеризуются наличием неспаренных электронов и переходят без изменения из одного соединения в другое), фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так были получены пленки полифуллерена, которые обладают пластическими свойствами и являются новым типом полимерного материала. Интересные результаты достигнуты в синтезе полимеров, когда фуллерен С60 служит основой полимерной цепи, а связь между молекулами осуществляется посредством бензольных колец. Такая структура получила образное название «нить жемчуга».

Полимеризация фуллерена приводит к появлению необычных эффектов, перспективных для технологий. Например, фуллерены внутри углеродных нанотрубок образуют «гороховые стручки», которые могут использоваться в лазерах, одноэлектронных транзисторах, спиновых кубитах (технологиях, основанных на встраивании в кремний электронов, которые занимали бы так называемую суперпозицию) для квантовых компьютеров, при этом воздействие электронного пучка способно привести к полимеризации фуллерена во внутреннюю углеродную трубку. С другой стороны, присоединение фуллерена к поверхности нанотрубки создает «нанопочку», которая легко сцепляется с литым пластиком, что дает возможность наносить сенсорную поверхность на материал любой формы.

В 1993 г. В. Бланк, М. Попов и С. Бугой получили новый материал на основе фуллеренов — ультратвердый фуллерит, или тиснумит, который обладает рекордной упругостью и твердостью и даже способен царапать алмаз. Уникальные свойства этого материала связаны, вероятно, с тем, что полимеризованный фуллерит в его составе находится в сжатом состоянии, значительно повышая жесткость и твердость всего материала.

Получая Нобелевскую премию за открытие фуллерена, Крото сказал: «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учета его красоты, обусловленной невероятной симметрией этой молекулы. Другой важный факт, создающий ауру вокруг молекулы, связан с ее названием — бакминстерфуллерен. Все это придает ей харизму, которая очаровала ученых, привела в восторг обывателей, добавила энтузиазма молодым в их отношении к науке и, в частности, привнесла в химию свежее дыхание».