История открытия самой красивой молекулы
К 25-летию фуллерена

Рубрику ведёт к.ф.-м.н. Павел СОРОКИН
(сейчас находится на стажировке в Университете Райса, США)

Наверное, многие из вас, зайдя в Интернет несколько месяцев назад, с удивлением обнаружили новый вид поискового сервиса Google, с красивой молекулой посередине.

Таким оригинальным образом компания Google отметила примечательную дату в истории науки: в этом году исполнилось 25 лет со дня открытия новой аллотропной формы углерода — фуллерена. В Университете Райса была недавно проведена конференция, посвящённая этому событию, поскольку именно в этом университете было сделано данное открытие. Сегодня я хотел бы рассказать о том, как был открыт фуллерен, заслуженно считающийся самой красивой и совершенной из известных на данный момент молекул.

Начнём с самых основ — с атома углерода. Кристаллические формы углерода известны всем. Это алмаз и графит. Казалось бы, абсолютно разные материалы. Алмаз (от греч. adamas, adamastos —«несокрушимый») прозрачен, необычайно твёрд, не проводит электрический ток,

Г. Крото

Г. Крото

мало распространён в природе (что приводит к его высокой цене). Графит (от греч. graphain — писать) — непрозрачен, легко крошится (малая твёрдость), проводник тока, широко распространён. Однако основа этих материалов одна — углерод.

Различие между этими объектами видны уже на уровне кристаллической структуры: в графите каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами, в алмазе — с четырьмя. Уже исходя из этого можно сказать, что графит способен легко расщепляться, т.к. связь между его атомарными слоями слабая, в то время как алмаз во всех направлениях будет иметь примерно одинаковую прочность. И хотя алмаз и графит известны человечеству испокон веков, новые формы углерода находят и сейчас. Фуллерен, нанотрубки, графен — каждый из этих материалов занимает умы учёных и по сей день.

Р. Кёрл

Р. Кёрл

В 1985 году Гарольдом Крото, Робертом Кёрлом и Ричардом Смолли была опубликована статья в журнале Nature под названием «С60: buckminsterfullerene». В ней они интерпретировали пик в масс-спектре материала, полученного путём испарения графита, как замкнутую углеродную структуру, имеющую форму футбольного мяча. За эту работу авторам была впоследствии присвоена Нобелевская премия по химии.

Для открытия тройке вышеназванных учёных понадобилось лишь 10 дней, которые они провели в Университете Райса в сентябре 1985 года. Эксперимент проходил следующим образом: в вакуумную камеру помещался диск с графитом, на который фокусировался лазерный пучок,

Р. Смолли

Р. Смолли

создающий плазму, попадающую затем в масс-спектрометр. На полученном спектре были ясно видны непонятные пики для структур из 60 и 70 атомов углерода.

Вывод о том, что эти пики принадлежат замкнутым молекулам С60 и С70, был совсем неочевиден. Прежде всего, непонятно было, как плоская гексагональная графитовая поверхность может быть замкнутой. Сейчас уже нельзя сказать, кто первым понял (или вспомнил), что внедрение пятиугольника в гексагональную поверхность приводит к изменению её кривизны, однако после этого сразу же стало понятно, что если количество пятиугольников равно двадцати, а шестиугольников — двенадцати, то структура, имеющая шестьдесят вершин (атомов углерода!) приобретает форму шара, футбольного мяча или, говоря математическим языком, форму усечённого икосаэдра. Своё название молекула фуллерена получила по фамилии архитектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 году словно состоявший из молекул. Сам по себе этот человек очень примечателен, это знаменитейший американский инженер, и неудивительно, что первооткрыватели фуллерена решили таким образом увековечить его имя.

Павильон США на выставке в Монреале, Канада

Павильон США на выставке в Монреале, Канада

Следует отметить, что теоретически фуллерен был предсказан более чем за 15 лет до экспериментального получения. В 1971 году в Японии физиком Е. Осавой была обсуждена возможность существования такой структуры. Но он опубликовал этот результат в японском журнале «Kagaku» (Химия), который выходит только на японском языке. Затем, через год, им была написана книга об ароматичности, опять же на японском языке, в которой была включена глава на эту тему. Именно из-за языкового барьера его работа не была известна научному сообществу вплоть до экспериментального открытия С60.

В 1973 году в СССР впервые был проведён квантово-химический расчёт стабильности и электронной структуры фуллерена. История этой работы следующая: директором Института элементоорганических соединений РАН (г. Москва) в то время был академик А.Н. Несмеянов, который предложил исследовать полые углеродные замкнутые структуры, в которые могут быть помещены атомы металлов. Аспирантка Елена Гальперн и её научный руководитель Д.А. Бочвар приступили к этой работе, начав с исследования стабильности молекулы С20, имеющей форму додекаэдра, которая называлась карбододекаэдром. Однако размер такой молекулы оказался слишком мал для внедрения в неё атома металла; кроме того, результаты расчёта показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа остановилась.

Коллега исследователей И.В. Станкевич, бывший заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С60, имеющую симметрию усечённого икосаэдра — футбольного мяча. Он принёс в лабораторию футбольный мяч и сказал Гальперн: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой». Квантово-химический расчёт структуры такого размера был очень сложен для компьютеров того времени, однако он был проведён и показал стабильность молекулы С60.

К большому сожалению, отечественным учёным не удалось убедить химиков-экспериментаторов синтезировать эту структуру, и вплоть до открытия фуллерена Крото, Кёрлом и Смолли она считалась лишь теоретической выдумкой.

Хотя фуллерен, строго говоря, так и не нашёл своего применения в повседневной жизни, красоту этой молекулы оценит каждый. Упругий мяч из углерода можно часто встретить в современных научных публикациях. К примеру, несколько лет назад группой Джеймса ТУРА(James Tour) был создан наноавтомобиль, в качестве колёс которого использовался фуллерен.

А закончить свою заметку я хотел бы словами Гарольда Крото, одного из открывателей фуллерена, которые он произнёс в своей Нобелевской лекции: «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учёта красоты формы этой молекулы, которая обусловлена её невероятной симметрией. Другой важный факт, создающий ауру вокруг этой молекулы, связан с её названием бакминстерфуллерен <…>. Всё это придаёт нашей элегантной молекуле харизму, которая очаровала учёных, привела в восторг обывателей, добавила энтузиазма молодым в их отношении к науке и, в частности, придала свежее дыхание химии».

Таким образом, даже если фуллерен и останется лишь красивой молекулой, он уже сослужил хорошую службу, просто показав, какой захватывающей может быть современная наука.

Средняя оценка: 3.8 (проголосовало: 17)