Удивительные истории о веществах самых разных. Тайны тех, что составляют землю, воду, воздух... и поэзию - Петр Образцов

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 С60 представляет собой икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников – 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 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.

Забавно, что Гейм и Новоселов получили графен, теоретически предсказанный еще в 1950‐е годы, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. Рассказывая эту историю, грех не упомянуть физика Сергея Дубоноса. Он работал в группе Гейма, защитил кандидатскую диссертацию, но главное – лучше всех и даже первым сумел отшелушить графен от графита. А потом бросил физику и уехал в Заокский район Тульской области выращивать коз. Лучший друг Гейм звал его в Стокгольм на церемонию вручения премии, но Сергей Дубонос хотел поехать с детьми – им это было бы интересно, а ему не очень. Но столько билетов на церемонию не было, вот он и остался у себя на ферме.

Ну вот, рассказав об аллотропических модификациях, уместно остановиться на том, почему вещества с одним и тем же количеством атомов (и не только углерода) проявляют разные, часто даже абсолютно разные свойства. Объяснил это знаменитый русский химик Александр Бутлеров, до которого ученые не слишком интересовались вопросами строения молекул. Считалось, что вещество (точнее, молекула вещества) – нечто вроде мешка, куда насыпали столько‐то атомов углерода, столько‐то азота, столько‐то кислорода и так далее.

И только Бутлеров сумел разобраться в этом вопросе и объяснил явление изомерии, пояснить которое проще всего на примере углеводорода бутан (не путать со страной Бутан, где повсюду на стенах домов изображены разноцветные веселые фаллосы, а табак строго запрещен законом). Простейший углеводород – метан СН4. За ним следует этан С2Н6, за ним пропан С3Н8, бутан С4Н10 и так далее, вплоть до углеводородов с числом атомов углерода 100 и более. Так вот, формулу пропана можно записать только так: СН3‐СН2‐СН3, у него изомеров нет. А вот у бутана C4H10 уже два изомера: СН3‐СН2‐СН2‐СН3 (линейный изомер) и СН3‐СН2 (СН3) – СН3. Скобка означает, что метильная группа СН3, как ветка у дерева, направлена в сторону от главной цепи. Обладая одинаковым составом, изомеры имеют разное строение и соответственно разные химические и физические свойства. Например, тот же линейный изомер бутана (нормальный, н-бутан) имеет температуру плавления –138oС, а изобутан плавится при –160oС.

Со времен Бутлерова открыт целый ряд других видов изомерии, в частности утонченная цис-транс-изомерия. Представим себе молекулу этилена CH2=CH2. Теперь по одному атому водорода у каждого из углеродов заместим на какую‐нибудь группу, хоть на тот же простейший метил CH3-. Получим CH3‐CH=CH-CH3. Эти группы, как и оставшиеся атомы водорода, лежат в одной плоскости, по оси которой расположена двойная связь. И у метильных групп появляется возможность расположиться либо по одну, либо по разные стороны от этой двойной связи. Вокруг одинарной связи группы CH3– могут «вращаться», а для двойной связи так не проходит, и мы получаем два изомера диметилэтилена. Если по разные стороны – это транс-изомер. Если по одну сторону – это цис-изомер («транс» на латыни – «через», «цис» – по одну сторону). Раньше ближневосточная страна Иордания называлась Трансиорданией, то есть «за рекой Иордан», но после первой войны с Израилем она захватила кусок Палестины за рекой Иордан, и старое название потеряло смысл. Эти территории называются сейчас Западным берегом или Палестинской автономией, а изредка используется термин Цисиордания.