МНОГОГРАННЫЙ МИР

fuleren metal
Фулерен

Формотворчество природы поистине превосходит человеческие возможности.

Изучение абстрактных многогранников не только увлекательно само по себе, но и приносит человеку пользу. Многогранники известны издавна, однако очевидная целесообразность их обнаружилась совсем недавно.На рубеже XIX-XX вв. наблюдался бурный научный и промышленный прогресс. Мир упивался новыми техническими возможностями. Заводы, фабрики, автомобили, самолёты, корабли, радио, телефон… И рядом со всем этим – почти незаметные научные океанографические экспедиции. Среди прочего их результатом явилось первое микроскопическое исследование глубоководных илов, открывшее фантастический мир ажурных скелетов радиолярий, населяющих толщу Мирового океана. Благодаря Э. Геккелю, издавшему кроме научных трудов и красочные альбомы зарисовок, публика вскоре была зачарована невиданными картинами. Кстати, в 1902 г. 18 брошюр, содержащих около сотни красочных таблиц, были изданы в Санкт-Петербурге товариществом “Просвещение” под общим названием “Красота форм в природе”.В 1928 г. изучением скелетов радиолярий занялся советский математик и механик Д.Д. Мордухай-Болтовской. В результате в 1936 г. в “Записках Ростовского-на-Дону госуниверситета” им была издана обширная работа под громким, но заслуживающим того названием “Геометрия радиолярий”. По систематичности и тщательности проработки проблемы она не превзойдена до сих пор. Впрочем, правильнее будет сказать, что она практически забыта вместе с именем автора. Для нас здесь важно то, что на рисунках среди прочих форм можно видеть всё те же фуллерены. Работа начинается словами “правильные формы в природе объясняются экономией материала”. К этой мысли мы ещё вернёмся.Проблемы таксономии (классификации) и филогении (эволюционного родства) радиолярий далеко не исчерпаны. И если изучение сложных форм скелетов этих “простейших” организмов поможет хоть немного их прояснить, то это позволит продвинуться в расчленении и корреляции разрезов погребённых и современных океанических осадков, реконструкции палеогеографических обстановок и, в конечном счёте, прогнозировании минеральных ресурсов.

Примерно в то же время в прудах в окрестностях Харькова проводил изучение микроскопических колониальных зелёных водорослей семейства вольвоксовых советский учёный А.Б. Коршиков. Было бы неправильно сказать, что до него ими никто не интересовался. Но его зарисовки были настолько детальными, что до сих пор кочуют буквально по всем отечественным учебникам, каталогам и монографиям, относящимся к проблеме. По-видимому, благодаря ему удалось выяснить о видах Pandorina morum (Mull.) Bory, Volvox aureus Ehr., Volvox polychlamys Korsch. и Volvox globator (L.) Ehr. следующее любопытное обстоятельство.Они образуют колонии клеток в виде однослойных сфер диаметром от долей до первых миллиметров.

При этом клетки так плотно стянуты тяжами-плазмодесмами, тянущимися от ядра к ядру, что колонии при ближайшем рассмотрении оказываются многогранниками. Теоретический расчёт последних оказался возможным лишь для колоний Pandorina morum (Mull.) Bory, образованных 16 клетками. Автором этой статьи недавно было показано, что для них возможны всего три комбинаторно различные формы, две из них являются фуллеренами, один из которых не имеет плоскости симметрии и потому обладает энантиоморфным (зеркально-симметричным) двойником. Аналогичный расчёт для других перечисленных видов, образующих колонии с числом клеток от 100 до 20 000, наталкивается на вычислительные трудности, непреодолимые за разумное время для современных компьютеров.

Формотворчество природы поистине превосходит человеческие возможности!Человек, как известно, уже превратился в геологическую силу, большей частью разрушающую. При чём здесь это? А при том, что с помощью тех же водорослей мы пытаемся определить степень нашего воздействия на природу. Идея проста. Начиная с некоторого предела, организмы становятся чувствительными к отравлению среды обитания, что позже проявляется в потомстве. Этот рубеж мы и пытаемся установить для Pandorina morum (Mull.) Bory, анализируя частотный спектр их морфологических разновидностей при разных типах и интенсивностях загрязнения. Если это удастся, то мы получим новый индикатор экологического стресса. Параллельно решается вопрос об учёте биологического разнообразия вольвоксовых. Заметим, что вольвоксы широко распространены в южных и средних широтах нашей страны, а встречаются вплоть до Арктики. Это усиливает наш интерес к их возможной биоиндикаторной роли в районах интенсивной горнодобывающей, металлургической и сельскохозяйственной деятельности.

Самостоятельное значение имеет анализ распространённости в природе и биоиндикаторной роли энантиоморфов. Известно, что в неорганическом мире такие двойники встречаются одинаково часто, а в мире органическом их распределение резко асимметрично. Пример – закрученность всех молекул ДНК и почти всех раковин улиток в одну сторону. Эта проблема тесно связана с нашими представлениями о происхождении самой жизни. В разное время к ней обращались Л. Пастер, П. Кюри, В.И. Вернадский. Энантиоморфы Pandorina morum (Mull.) Bory – ещё один удобный объект для исследования.Перенесёмся в совсем другую область – архитектуру. Как сказано классиком, в своих лучших проявлениях это “музыка, запечатлённая в камне”. И вы уже догадались – там, где речь зашла о гармонии, не обойтись без фуллеренов. Верно. Как, не прибегая к опорам, надёжно и эстетично защитить крышей большие пространства?

Например, футбольный стадион или выставочный зал. Этот вопрос волновал многих архитекторов. В 60-х-70-х гг. прошлого века американца Р. Фуллера осенила идея строить полусферические куполы с минимумом балок, обеспечивающих прочность конструкции. Как вы думаете, что получилось в результате многочисленных инженерных расчётов? Половинка огромного футбольного мяча, если представить его швы и кожаные лоскутки в виде балок и дырок. Сам же футбольный мяч, как вы теперь видите, есть всё тот же фуллерен. Именно такой павильон был выстроен Р. Фуллером для Всемирной выставки ЭКСПО-67 в Монреале. Кстати, он любил спрашивать у своих коллег: “Сколько весит ваша конструкция?” Не правда ли, очень похоже на высказанную ранее мысль Д.Д. Мордухай-Болтовского об экономии материала в природных реализациях фуллеренов?

В начале 80-х гг. прошлого века американец Г. Крото изучал методами микроволновой спектроскопии состав газа в атмосферах звёзд и межзвёздных облаках. В атмосфере звёзд-гигантов он обнаружил цепочечные молекулы, состоящие из атомов углерода и азота. В это же время англичане Р. Смолли и Р. Керл проводили исследования в кластерной химии с помощью аппарата, позволявшего превращать в плазму практически любое вещество. Счастливый случай свёл их вместе. В 1985 г. был выполнен модельный эксперимент по лазерному испарению графита с его последующим охлаждением в сверхзвуковой струе гелия. Масс-спектрометрический анализ показал, что в продуктах преобладали кластеры с чётным от 30 до 100 числом атомов, причём в подавляющем большинстве – С60 и С70.Их структурный анализ составил самостоятельную проблему. К счастью, удалось установить, что полученный порошок растворяется в бензоле. И в согласии с известным химическим принципом “похожее растворяется в похожем” было решено, что в структуре кластеров принимают участие типичные для бензола 6-членные кольца.

Но свойства порошка не походили на свойства известных кристаллических модификаций углерода: графита, алмаза и карбида. Счастливая идея состояла в том, чтобы попытаться замкнуть на себя плоскую графитовую сетку, составленную из шестичленных колец. Оказалось, что в силу указанной выше теоремы на многограннике неизбежно возникали пятичленные кольца. Дальнейшие расчёты показали, что физической стабильности подобных молекул способствуют как можно более высокая симметрия и как можно меньшее число контактов пятичленных колец. Простейшими формами без таковых, к тому же обладающими высокой симметрией, в полном согласии с экспериментом являются многогранники С60 и С70, которые выглядят как мячи для футбола и регби.

В честь Р. Фуллера полиэдрические молекулы указанного типа и были названы фуллеренами.Заметим, что стабильность молекулы С60 эвристично была предсказана японцем И. Осавой ещё в 1970 г. Отечественные химики Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин подтвердили эту догадку необходимыми расчётами в 1973 г. Но экспериментаторы не проявили интереса к этим теоретическим работам. В результате Нобелевская премия по химии за экспериментальный синтез и расшифровку структуры фуллеренов была присуждена в 1996 г. Р. Керлу, Г. Крото и Р. Смолли. В чём же значение этого открытия? Не в последнюю очередь в том, что фуллерены представляют собой новую стабильную форму углерода. А ведь сама наша жизнь так тесно связана с этим элементом! Вскоре после синтеза они были установлены в естественной природе: фульгуритах (породах, расплавленных при ударе молнии) Колорадо, а также шунгитах (высокоуглеродистых породах спорного, скорее всего, различного – магматического и метаморфического – генезиса) Карелии. Но главное значение открытия, конечно, состоит в огромных перспективах, связанных с получением на основе фуллеренов множества новых материалов.

Судите сами. Установлено, что фуллерены могут присоединять другие элементы и комплексы внутри и снаружи многогранника, а также вместо отдельных атомов углерода. Получаемые классы соединений – эндоэдралы, экзоэдралы и металлокарбоны – обладают целым рядом уникальных свойств. Так, эндоэдралы рассматриваются как потенциальные коллекторы других элементов. Это могут быть вредные элементы – и мы получаем экологически надёжные хранилища токсичных и радиоактивных отходов нового поколения. Это могут быть полезные элементы – и мы получим медицинские препараты нового типа. Экзоэдралы уже находят практическое применение. Так, опыты по гидрогенизации фуллеренов позволили японцам создать экологически безвредные аккумуляторные батареи, при тех же габаритах запасающие в пять раз больше водорода, чем существующие металлогидридные никелевые.

Кристаллы, созданные на основе фуллерена С60, допированного атомами щелочных металлов, обладают сверхпроводимостью при рекордно высоких температурах 19-33оК. Ещё более удивительные свойства ожидаются от материалов на основе высших фуллеренов. На их же основе получают трубки с отверстием наноразмерной величины. В эксперименте эти изделия всасывали расплавленный свинец, образуя проволоку с естественным углеродным покрытием. Плотно прилегая друг к другу, они образуют многожильные кабели. Это материал даже не для микро-, а для наноэлектроники будущего. А ещё растворы фуллеренов обладают нелинейными оптическими свойствами, что позволяет строить оптические затворы, предохраняющие от вредного излучения. На основе фуллеренов создаются как сверхнизко-, так и сверхвысокотемпературные смазочные материалы. А ещё полимеры на основе фуллеренов обладают богатым спектром свойств в широком диапазоне физико-химических параметров. Любопытно, что превращение фуллеренов в алмаз происходит при гораздо более мягких условиях экспериментального синтеза, чем превращение графита. И ещё много-много других применений, составляющих так называемые высокие технологии, которые завтра станут обыденными, найдут фуллерены.

Сегодня нам пока удаётся удерживать приоритет в теоретическом изучении комбинаторного разнообразия фуллеренов. Передо мной на экране компьютера генерируются, сравниваются, сортируются и характеризуются различными параметрами всё более сложные фуллерены. Успешно ведётся поиск икосаэдрических высших фуллеренов. Именно эти формы интересуют сейчас специалистов по синтезу. Нами изучено их разнообразие вплоть до С100. Результаты кратко опубликованы в международных журналах. Как вы думаете, кто откликнулся первым и хочет недорого купить компьютерные технологии? Китайские химики. Турецкие биохимики. Это очень напоминает историю с недополученной Нобелевской премией за открытие самих фуллеренов.

Знакомство с фуллеренами захватывает исследователя сразу. Здесь всё поражает. И строгая красота форм, и их целесообразность, опробованная природой и обществом в столь различных ипостасях, как углеродистые фуллерены и их аналоги, скелеты радиолярий, колонии зелёных водорослей, мячи для футбола и регби, купола выставочных залов и многое другое. Предпосылкой этого является бесконечное комбинаторное многообразие фуллеренов, заданное поразительно простыми исходными условиями. Природе и человеку есть из чего выбирать. Оптимальность конструкции будет достигнута при любом смещении параметров среды и социального заказа. При современной специализации науки за множеством единичных фактов мы подчас забываем о природе вещей, пока вдруг не наталкиваемся на феномен удивительный, подобный фуллеренам, сквозь который настойчиво просвечивает единство мира. Согласитесь, ведь мы забыли, что “космос” означает “красота”, и большей частью довольствуемся “косметикой”, то есть “украшательством”.

 

Ю.Л. ВОЙТЕХОВСКИЙ, доктор геолого-минералогиче-ских наук, главный научный сотрудник Геологического института КНЦ РАН, заведующий лабораторией атематических исследований в кристаллографии, минералогии и петрографии Центра высоких ехнологий