Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

Умные{133}

Графеновые слои и нанотрубки дают нам понять, что могут существовать и другие формы углерода. Запечатав концы нанотрубки, вы сможете создавать различные закрытые формы: напоминающие футбольный мяч 60-атомные бакиболы или продолговатые молекулы наподобие мяча для американского футбола с 70 или более атомами углерода. Все эти элегантные формы шестого элемента знакомы нам как фуллерены — их так назвали в честь геометрически с ними схожих геодезических куполов, придуманных американским архитектором Бакминстером (Баки) Фуллером.

Существование фуллеренов предсказывали еще за полстолетия до того, как в 1985 г. группа ученых из английского Университета Сассекса и Университета Райса в Техасе описала воспроизводимый путь их синтеза и анализа{134}. За этим открытием, получившим Нобелевскую премию, последовали открытия фуллеренов в копоти свечей, дыме лесных пожаров, разрядах молнии и даже в космической пыли, окружающей далекие богатые углеродом звезды. Интенсивное исследование этих похожих на птичью клетку молекул привело к открытию многочисленных новых форм: нанолуковиц, содержащих вложенные структуры типа «клетка в клетке»; гантелей с двумя бакиболами, связанными углеродной цепью, и углеродных контейнеров, содержащих множество меньших атомов или молекул.

Исходя из основных форм плоских графеновых слоев, полых нанотрубок и замкнутых фуллеренов, легко представить себе более экзотические геометрические конструкции. Нанопочки выглядят как небольшие бугорки на нанотрубке или более крупном фуллерене. Нанотрубки способны состыковываться друг с другом под прямым углом, образуя наносоединения, или же могут выступать вертикально из графенового слоя подобно наностолбам. Бакиболы умеют заполнять нанотрубки как горошины — стручок, а вложенные друг в друга нанотрубки могут растягиваться или сжиматься наподобие ручки зонтика-автомата. Вы можете даже теоретически допустить существование изогнутых нанотрубок, образующих идеальный молекулярный тор — структуру в форме пончика.

Вооруженные таким набором форм, ученые и изобретатели мечтают о новом поколении молекулярных машин, имеющих наноразмерные рычаги, блоки, колеса и оси{135}. Благодаря нанотехнологии углерода моторы, электрические цепи и электронные компоненты атомарного уровня, которые требуются для следующего поколения имплантируемых медицинских устройств, микроконтейнеров для таргетной доставки лекарственных средств и компьютеров молекулярного масштаба, находятся, похоже, уже на расстоянии вытянутой руки.

СКЕРЦО, ДА КАПО — Истории

«Пластики!» — вот то «одно слово», которое прошептал безалаберному персонажу Дастина Хоффмана Бену мистер МакГуайр в фильме Майка Николса 1967 г. «Выпускник»{136}.

— Что конкретно вы имеете в виду? — спрашивает Бен.

— У пластиков великое будущее. Подумай об этом. Ты подумаешь об этом?

Эта незабываемо занятная и непонятная сцена содержит больше чем просто зерно истины. Пластики, или полимеры, изменили мир. Полимеризация — это химическая реакция, при которой многочисленные небольшие молекулы, или мономеры, соединяются в цепь или сеть, образуя макромолекулу — единую протяженную молекулу с тысячью атомов и почти всегда со скелетом из атомов углерода. Природные полимеры есть у всего живого: это, к примеру, древесина, волосы и шерсть, мышцы, паутина, кожа, листья, сухожилия — список можно продолжать. Учитывая повсеместность этих соединений в биологии, химики не спешили соревноваться с природой и в конечном счете пытаться ее улучшить.

Каучук, который впервые начали использовать в его природной форме еще в мезоамериканских культурах более 2000 лет назад, стал одним из первых полимеров, привлекших внимание химического сообщества{137}. Натуральный каучук получают из млечного сока каучукового дерева — необычного продукта, который, затвердевая, превращается в эластичный водонепроницаемый материал, способный принимать форму пластин, шаров и других полезных предметов. Но в своем необработанном состоянии, полученном прямо из рук природы, этот материал обладает множеством нежелательных свойств: натуральный каучук слишком липкий и слишком пахучий, он становится текучим, когда слишком жарко, и хрупким (трескается), когда слишком холодно. Причины всех этих свойств — как желательных, так и нежелательных — кроются в структуре каучукового полимера. Длинные прочные углеродные цепочки молекул каучука могут скользить друг по другу, обеспечивая и крепость, и гибкость, но только в узком диапазоне температур.

Современная индустрия полимеров, куда входит обширный и постоянно расширяющийся тип материалов, называемых пластиками, начала развиваться с изобретения в 1830-х гг. вулканизации — инновации, заявленной соперничающими американскими и британскими химиками. Вулканизация — это химический процесс, при котором сера или другое химическое вещество, добавленное к полимеру, устанавливает крепкие поперечные связи, своего рода молекулярные поперечные распорки. В результате получается гораздо более твердый и прочный материал (и менее пахучий вдобавок). Что касается резины, то процесс добавления серы к клейкому соку каучукового дерева и тепловой обработки смеси привел к получению значительно улучшенных продуктов, которыми мы пользуемся сегодня: это перчатки, галоши, ластики для карандашей, шланги, ленты-резинки, воздушные шарики, надувные лодки и, конечно, шины для любого транспортного средства на колесах. Еще ряд добавок обеспечивает гораздо более твердые варианты резины — для изготовления футбольных шлемов[35], колес скейтборда, шаров для боулинга и недорогих кларнетов.

Неспокойные годы после Первой мировой войны стали свидетелями потрясающей трансформации химии: химики все больше начинали думать о материалах на уровне атомов — исходя из молекулярной структуры материалов. В 1920 г. немецкий химик Герман Штаудингер открыл, что полимеры представляют собой гигантские молекулярные цепи, прочный скелет которых образуют атомы углерода. За это исследование спустя три десятилетия он получил Нобелевскую премию по химии{138}. Выявление Штаудингером различных природных биополимеров, в частности каучука, белков, крахмала и целлюлозы, доказало, что макромолекулярные вещества распространены повсюду. Ученый также предсказал, что когда-нибудь будут разработаны синтетические полимеры, по свойствам конкурирующие с природными материалами.

Несмотря на открытия Штаудингера и его верное предвидение будущего, химики, занимающиеся синтетическими материалами, поначалу находились в тупике. В середине 1920-х гг. у исследователей все еще не получалось создавать макромолекулы длиной более нескольких десятков мономеров — это слишком «коротко» для любого практического применения. Но по правде говоря, несколько новинок все же появилось. Бельгийско-американский химик Лео Бакеланд экспериментировал с нагретыми смесями распространенных химических веществ фенола и формальдегида, чтобы создать синтетический шеллак (вещество, которое раньше получали почти исключительно из экскрементов насекомых — лаковых червецов){139}.

В 1907 г. Бакеланд усовершенствовал методы синтеза и получил свой первый пластик, впоследствии названный бакелитом — продукт, использовавшийся в скромных количествах для разноплановых нужд, включая изготовление ставших ныне коллекционными объектами разноцветных кухонных принадлежностей, игрушек и украшений. Через пять лет швейцарский химик Жак Бранденбергер представил миру целлофан — гибкую водонепроницаемую пленку, полученную в ходе воссоздания целлюлозы деревьев и других растений. Коммерческий успех к целлофану пришел, когда конфетная компания Whitman's решила заворачивать в него отдельные шоколадки для комплектации своих знаменитых коробок конфет Whitman's Samplers. Тем не менее фундаментальные достижения в исследовании