Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Углерод!

Эти три правила разворачиваются в целые миры материаловедения, химии и физических основ биологии, включая большую часть наследственности и метаболизма. Чтобы преподнести это захватывающее изобилие в приемлемых для восприятия пропорциях, я решил сосредоточиться на его небольшом участке – вещественном мире чистого углерода. Как вы увидите, даже этот небольшой участок необычен, богат и разнообразен. Он также подводит нас к нескольким большим областям исследований, находящимся на переднем крае науки.

Химию, основанную на углероде, часто называют органической, потому что углерод является основным ингредиентом всех белков, жиров и сахаров, которые вместе с нуклеиновыми кислотами формируют «звездный состав» биологии. Но помимо углерода эти биологические молекулы также содержат другие элементы, которые являются ключевыми для их функционирования. Чисто углеродные соединения не играют никакой роли в естественной биологии. Поэтому здесь мы заглядываем в особый раздел великой книги органической химии – главу, посвященную неорганической органической химии.

Атом углерода, по одному за раз

Соединения углерода образуются путем сочетания атомов углерода, поэтому давайте начнем с них. Ядро атома углерода содержит шесть протонов, таким образом, оно имеет шесть единиц положительного заряда, который может притянуть шесть электронов, прежде чем будет нейтрализован. Когда эти электроны пытаются свести к минимуму свою энергию, в игру вступают наши три правила. Электроны предпочли бы иметь волновые функции в стационарных состояниях или, как говорят химики, орбиталях с самой низкой возможной энергией. Это симпатичные, круглые, компактные орбитали, которые показаны в верхнем левом углу на илл. 26. Однако принцип Паули гласит, что так мы можем найти место только для двух электронов.

Оставшимся четырем приходится использовать другие виды орбиталей в пространстве. Сделав шаг вправо, мы увидим другую круглую орбиталь. Она менее компактна, поэтому получает меньше выгоды со стороны притягивающего заряда центрального ядра. Электроны на этой орбитали менее стабильно связаны с ядром, чем два «внутренних» электрона, – ключевой факт к тому, что последует дальше. Эта вторая круглая орбиталь может содержать еще два электрона, таким образом, теперь у нас теперь есть место для четырех из шести электронов. Чтобы поселить оставшиеся два, нам надо заглянуть немного дальше.

Сделав еще один шаг вправо, мы видим новый вид орбитали, уже не круглой, а скорее в форме гантели. Такая форма может быть ориентирована в любом направлении, поэтому на самом деле существует три независимые орбитали этого типа. Поэтому после того, как мы вводим эти орбитали в игру, у нас появляется полно места для двух оставшихся электронов.

Оказывается, что у этих двух новых видов орбиталей практически одна и та же энергия, поэтому электроны могут занимать их по выбору без запретительно больших энергетических трат. Важным является различие между двумя внутренними электронами, которые очень прочно связаны с ядром, и четырьмя внешними электронами, которое состоит в том, что последние удерживаются гораздо слабее. И когда рядом существуют другие атомы, именно эти четыре оказываются вожделенными целями для раздела. Слегка изменив свои орбитали, эти электроны могут существенно удаляться от «своего» ядра и пользоваться выгодами притяжения соседних.

Атомы углерода в связках

Когда мы говорим о связанных состояниях атомов углерода, существует два особенно прекрасных, симметричных способа разделять электроны между атомами. Они показаны на илл. 27.

Слева мы видим единицу структуры алмаза, которая демонстрирует идеальную трехмерную симметрию. Здесь четыре орбитали вытягиваются к вершинам тетраэдра – простейшего платонова многогранника, как вы помните.

Илл. 27. Чистый углерод имеет две возможности установления связи между атомами, обе из которых оптимальны с точки зрения симметрии

Справа мы видим единицу структуры графена, которая демонстрирует идеальную двумерную симметрию. Три лежащие в одной плоскости орбитали вытягиваются к вершинам равностороннего треугольника – простейшего правильного многоугольника. Белые шары в обоих случаях будут замещены другими атомами углерода с тем же типом связи, тогда как темные шары внесут вклад в слой квазисвободных электронов. (Строго говоря, плотность этого электронного слоя распределяется пополам – половина сверху и половина снизу по отношению к основной плоскости атомов углерода). Заметьте, что если каждая орбиталь занята одним электроном от каждого ядра, то мы отлично удовлетворяем принципу Паули, причем каждое ядро углерода делит по четыре своих электрона с соседними. На других иллюстрациях в этой главе вы увидите, как эти основные элементы комбинируются друг с другом и дают великолепное разнообразие материалов из чистого углерода.

Не случайно именно эти особенно симметричные образцы связи атомов оказываются теми, которые соответствуют предпочтительной (низкой) энергии. Они позволяют реализовать мириады стабильных способов комбинировать атомы углерода, которые мы сейчас исследуем.

Алмаз (трехмерная симметрия)

Структура алмаза на атомном уровне симметрична и гармонична (илл. 28). Каждое ядро атома углерода является центром четырех орбиталей электронов. Орбитали протянуты к четырем соседним ядрам, которые расположены в вершинах правильного тетраэдра. Такое расположение очень эффективно, поскольку электроны избегают друг друга, посещая два разных ядра. Электроны при такой расстановке счастливы и не желают ничего другого. Их трудно оторвать, и поэтому-то алмазы так трудно поцарапать! Чистые алмазы прозрачны в сущности по той же причине: фотоны видимого света не могут доставить достаточно энергии, чтобы заставить электрон изменить свое состояние. (Алмазы нечистые, где к углероду примешиваются некоторые другие элементы, или дефектные, с нарушениями кристаллической структуры, могут иметь цвет. Существует сложная система сортировки и оценки цветов ювелирных алмазов. Некоторые виды несовершенства оказываются лучше других или даже лучше самого совершенства…)

Илл. 28. Структура алмаза

Каждое ядро углерода делит электроны с четырьмя другими в вершинах описанного тетраэдра. Это заполняющая пространство трехмерная структура

Илл. 29. Структура графена

Каждое ядро углерода делит электроны с тремя другими в вершинах равностороннего треугольника. В этой сотовой структуре, которая может распространяться бесконечно, мы узнаем одну из трех бесконечных платоновых поверхностей

Графен (двумерная симметрия) и графит (2 + 1)

Самая стабильная форма элементарного углерода при комнатной температуре и нормальном давлении – это не алмаз, а графит. Вопреки своей широко разрекламированной репутации алмазы не вечны. Если пройдет достаточно много времени, они превращаются в графит (но пусть у вас не перехватывает дыхание). Графит – это черный материал, из которого делают грифели карандашей, а также широко используют как промышленную смазку. На атомном уровне графит – это сильно слоистый материал, состоящий из многих слоев графена (илл. 29), которые слабо связаны между собой. Слабость связи между слоями позволяет им легко скользить друг вдоль друга или сниматься. Это объясняет смазочные способности графита, а также способность оставлять штрихи на поверхностях. Мы говорим, что графит имеет 2 + 1 измерение, потому что его двумерные листы можно бесконечно укладывать друг на друга.

Графен, однослойная версия графита, является простейшим и самым эффектным материалом этого рода.

В течение десятилетий его изучали теоретически, прежде чем смогли получить в лаборатории. Поскольку графен так прост и правилен, квантовые физики-теоретики смогли с уверенностью и достаточно детально предсказать его свойства. Ожидалось, что графен будет чем-то феноменальным, если его смогут производить. Но можно ли его получить?

Графен впервые был выделен Андре Геймом и Константином Новоселовым в 2004 г. В методе открытия было что-то от науки XIX в., каким-то образом перескочившее в век XXI. Они начали с карандашных штрихов, в которых обычно содержится несколько углеродных слоев, состоящих из графита. Потом ученые применили самоклеющуюся ленту, чтобы снять несколько слоев и перенести следы штрихов на тонкие предметные стекла. Эти следы составили нерегулярную поверхность, где были пятна, на которых углерод отсутствовал вообще, и те, где он сократился до одного слоя (графена!), а также пятна, где углерод имел толщину в два слоя и т. д. Различные слои показывали слегка отличающиеся цвета под поляризованным светом, поэтому Гейм и Новоселов смогли распознать пятна графена и изучить их свойства достаточно хорошо, чтобы доказать, что они и в самом деле являются пятнами новой модификации углерода – графена. В 2010 г. за эту работу Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике.