Книга: Удивительные истории о веществах самых разных

Графен почти не виден

Графен почти не виден

Элемент углерод (то есть «порождающий уголь») находится ровно посередине второго периода таблицы Менделеева, образует неорганические и органические соединения и способен реагировать с множеством веществ. Но его главное и удивительное свойство – это возможность связывания самих атомов углерода друг с другом в цепочки, на которые нанизаны атомы азота, водорода, кислорода. Из этих-то цепочек построены и наследственные молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), и белки, из которых состоят наши мышцы, и все ферменты, и углеводы1, которые входят в состав множества наших органов, и жиры, образующие мембраны наших клеток (а также, увы, и наши животы). Они же служат основным структурным элементом клеток растений, которыми мы питаемся, и, разумеется, древесины, из которой мы изготавливаем стулья и обеденные столы. То же самое относится, как это ни жутковато звучит, к клеткам съедобных и несъедобных животных. Элемент жизни – ни убавить, ни прибавить.

В то же время в чистом виде 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 чередующимися тройными и одинарными связями – так, чтобы каждый из атомов был четырехвалентным: – С?С-С?С– или =С=С=С=С=. Эту валентность углерод имеет практически во всех своих соединениях.

Алмаз построен совершенно по?другому. Каждый из атомов углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре ближайших атома. Связь углерод – углерод чрезвычайно прочна, отчего алмаз и обладает самой высокой из всех минералов твердостью и самым низким коэффициентом сжатия. (Впрочем, алмаз хрупок и его легко разбить обычным молотком.) За счет высокого коэффициента преломления и дисперсии ограненный алмаз играет всеми цветами радуги, и весьма ценится девушками (и не только ими). Как уверяет реклама, «бриллианты – это навсегда». Тут следует не без философской грусти отметить, насколько условны и суетны представления человечества о красоте драгоценных камней. С развитием науки большинство из них не так уж сложно изготовить из недорогого сырья (маркетологи в США избегают слова «искусственный», предпочитая называть эти камни «созданными в лаборатории» или «сотворенными».) При этом искусственный изумруд, например полученный так называемым гидротермальным способом, стоит в тысячи раз дешевле натурального, а разницу между ними может установить только специалист… поскольку фальшивый камень обычно обладает безупречной структурой, а в природном камне неизбежно содержатся дефекты. Вот за эти дефекты, оказывается, многие потребители готовы выкладывать сумасшедшие деньги. Вспоминается известная с древних времен шутка о способе отличить натуральный жемчуг от фальшивого: в крепком уксусе первый бесследно растворяется, а второму хоть бы хны.

Еще один блестящий пример этой условности – фианит, или двуокись циркония, кристаллизованная в кубической сингонии. Это вещество уже в 1976 году научились (в отличие от алмаза) получать в ювелирном качестве. Слегка уступая алмазу по твердости (8,0 против 10 по шкале Мооса), фианит обладает практически таким же коэффициентом преломления (2,20 против 2,42), а по дисперсии даже превосходит алмаз (0,057 против 0,044). Кроме того, в отличие от большинства природных алмазов он совершенно бесцветен. Иными словами, ограненный кристалл кубической окиси циркония играет на солнце заметно лучше алмаза. Кроме того, его кристаллы куда больше размерами (не вообще, а на рынке ювелирных изделий). Однако попробуйте подарить какую?нибудь фианитовую цацку своей невесте – и вам, скорее всего, придется искать новую кандидатку в спутницы жизни… (Известно, что у прекрасного пола имеется особый орган для распознавания фальшивых драгоценностей и позолоченных оловянных колечек.)

Графит, основа карандашного грифеля, в отличие от алмаза легко истирается и превращается на бумаге в буквы рукописей некоторых великих романов или писем с фронта. Широко известна байка о том, что специалисты американского космического агентства НАСА якобы потратили несколько миллионов долларов на разработку чернильной ручки для письма в невесомости. Оканчивается история ударной фразой: «А русские космонавты пользовались карандашом». Знай наших! Увы, в реальности астронавты НАСА, как и их советские коллеги, тоже пользовались карандашами. В 1965 году агентство заказало у одной техасской фирмы 34 механических карандаша для полетов в космос, уплатив около 130 долларов за каждый, что впоследствии вызвало вполне объяснимый скандал. Пришлось искать другой вариант. Тем более что карандаш (даже механический, то есть не требующий заточки) – вовсе не идеальный инструмент для письма в космосе. Кончик его легко может обломаться и, свободно летая в пространстве, повредить космонавту или оборудованию корабля. Карандаши горят – что после пожара на борту «Аполлона-1» стало неприемлемым.

Применяемую сегодня космическую авторучку в 1965 году запатентовал Пол Фишер, истратив на этот проект около 1 миллиона долларов собственных денег. Эта ручка может писать «вверх ногами», при температурах от –45 до +200 градусов (хотя второе, пожалуй, и лишнее, тем более что при большой жаре ее синие чернила превращаются в зеленые), а также под водой или в других жидкостях.

Тут нам почему?то вспомнились классические стихи Владимира Уфлянда про водолаза. А что! Ведь он тоже с удовольствием написал бы подобной ручкой какое?нибудь любовное письмо из Марианской впадины. Вот они:

Да, если кого?то смущает, что в 1958 году писались такие политически незрелые и даже хулиганские стихи, можем успокоить. В том же году было сочинено множество стихов более правильных, более патриотических и идеологически выдержанных, вот, например, «Песня о тревожной молодости» Льва Ошанина:

Уже с 1967 года, после тщательных испытаний, НАСА взяло авторучку на вооружение. Паста из этого агрегата подается на вольфрамовый шарик не под воздействием силы тяжести, как в обычных шариковых ручках, а под давлением азота, достигающим 2,4 атмосферы.

Свойство графита истираться и оставлять следы на бумаге связано с тем, что он 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. В сущности, его полезно сравнить с тортом «Наполеон», где коржи не очень прочно склеены кремом.

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 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 СН_3?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 –138^oС, а изобутан плавится при –160^oС.

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.

Иногда различия между цис– транс-изомерами весьма велики. Например, природный каучук из млечного сока дерева гевеи представляет собой цис-полимер изопрена CH₂=C (CH₃) – CH₂=CH₂, а транс-полимер в этом соке отсутствует. Именно цис-полиизопрен является самым лучшим материалом для изготовления резины, идущей на автопокрышки. Сейчас стереорегулярный, то есть состоящий почти полностью из цис-изомера, каучук химики синтезировать научились, но это все еще дорогое и трудное предприятие, так что плантации гевеи до сих пор шумят своими печальными листьями в Малайзии, Индонезии и Вьетнаме.

Кроме цис– и транс-, обнаружен еще один элегантный вид изомерии – хиральность, от древнегреческого «хейрос» – «рука» (ср. церковное «хиротония» – рукоположение, да и сторукие гекатонхейры вспоминаются: знай трясут своими пятьюдесятью головами где?то на заднем плане и, заметим, не имеют решительно никакого понятия об изомерии). Обнаруженная еще в середине XIX века, эта изомерия тоже связана с пространственным расположением частей молекулы, но особым образом. Если отражение предмета в зеркале не совпадает с ним самим, то имеют дело с нею, с хиральностью. Или другой известный пример:

Левая и правая перчатки в принципе не совмещаются – это классический пример хиральности. Не этим ли объясняется волнение героини Анны Ахматовой, а вовсе не расставанием с любимым, как принято думать? Не перепутаны ли здесь причина и следствие?