1.5. Фуллерены – еще одна разновидность углерода
В 1967 году на Мировой ярмарке в Монреале павильоном американской композиции стало уникальное сооруженное, получившее название «Биосфера». Геодезический купол представлял собой конструкцию из стальных труб, обтянутых полимерной тканью. Внутри располагались 4 стальные платформы, разделенные на 7 уровней. Эти уровни соединял 37-метровый эскалатор – самый длинный из построенных к тому времени. «Биосфера» стала символом Монреаля.
Архитектором, построившим «Биосферу», был Ричард Бакминстер Фуллер, американский архитектор, дизайнер, инженер и изобретатель. Фуллер начал разрабатывать проекты таких невесомых куполов в 1950-е годы. Он надеялся, что его проекты станут основой прочных и при этом легких конструкций. Будучи не только архитектором, но и философом, он верил, что человеческое общество вскоре будет полагаться в основном на возобновляемые источники энергии, такие как электричество из солнечного света и энергии ветра. Он надеялся на наступление эры «всеуспешного образования и обеспеченности человечества». Не удивительно, что открытая через два года после его смерти в 1983 году молекула, строением напоминающая ажурные невесомые конструкции, созданные его воображением, была названа в честь Фуллера.
Открытая в 1985 году аллотропная форма углерода (аллотропными формами называются разные простые вещества, образованные атомами одного элемента – аллотропными формами элемента углерода, например, являются алмаз, графит, фуллерены и графен) получила название «бакминстерфуллерены». Правда, сами первооткрыватели в своей первой статье в журнале Nature признавались в том, что их «немного беспокоит большое количество гласных и согласных в названии». Тем не менее название оказалось оправданным – бакминстерфуллерены, или фуллерены, или бакиболы, первый обнаруженный представитель которых имел формулу С60, очень похожи на каркасные архитектурные проекты Фуллера.
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов – [60]фуллерен (С60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны. Следующим по распространённости является фуллерен С70, отличающийся от фуллерена С60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область С60, в результате чего молекула С70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Высшие фуллерены содержат большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Сn, где n=74, 76, 78, 80, 82 и 84. Когда в состав молекулы фуллерена помимо атомов углерода входят атомы других химических элементов, то если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, а если снаружи – экзоэдральными.
В 1985 году Ричард Смолли и Гарольд Крото сообщили о том, что в углеродной плазме методом масс-спектрометрии (метод, позволяющий измерять молекулярные массы веществ и продуктов их распада) ими были обнаружены сигналы, как тогда казалось, странным образом соответствующие формуле С60. Несмотря на отсутствие в то время иных свидетельств, кроме информации о массе частицы, они предположили, что С60 должны образовывать форму искаженного икосаэдра, и окрестили их бакминстерфуллеренами. Построив модель фуллерена С60, Смолли и Крото пришли к выводу о том, что такая частица должна быть устойчива, поскольку вся объемная клетка С60 представляет собой ароматическую систему, для разрушения которой надо затратить значительное количество энергии.
В 1990 году интуиция Смолли и Крото подтвердилась – международная группа исследователей из США и Германии разработала способ получения углеродной плазмы с высоким содержанием фуллерена С60, и им удалось наработать достаточное количество образцов для того, чтобы сканирующая электронная микроскопия смогла предоставить изображение фуллеренов и подтвердила идею, выдвинутую Смолли и Крото, и в итоге Смолли и Крото в 1996 году получили Нобелевскую премию по химии.
Есть ли у фуллеренов какое-то применение или это просто красивая молекула, просто ещё раз позволяющая химикам почувствовать себя повелителями вещества? На самом деле есть, но, если честно, они не так популяризованы, как их ближайший родственник – графен, двумерный гексагональный кристалл углерода, тоже, кстати, отмеченный Нобелевской премией, но по физике (2010 год). Фуллерены обладают низким коэффициентом трения, и поэтому разрабатываются рецептуры машинных масел с добавками фуллеренов; фуллерены рассматривают как потенциальные «емкости» для хранения водорода в водородной энергетике; рассматривается возможность применения фуллеренов в фотодинамической терапии рака: С60 при облучении на воздухе способствует образованию активного синглетного кислорода, индуцирующего смерть опухолевых клеток. Правда, говоря начистоту, фуллерены являются лишь стартовыми моделями для изучения возможностей такого применения, и после доказательства способностей каркасных соединений углерода решать какую-то практическую задачу исследователи обычно пытаются работать с более дешевыми аналогами фуллеренов – углеродными нанотрубками.
Недавно астрономы из Университета Западного Онтарио и Корнеллского университета установили, что фуллерены С60 и С80 существуют в планетарной туманности Tc 1 (на расстоянии более чем 6000 световых лет от нас в созвездии Жертвенника), что опровергло бытовавшую среди космохимиков идею о том, что молекулы с большим количеством атомов не могут образоваться в межзвездном космическом пространстве. Правда, в космосе фуллерены получаются примерно в тех же условиях, что и в лаборатории – из углеродной плазмы, образующейся из старых углеродных звезд.
Может быть, фуллерены и не так широко применяются на практике, а в ряде случаев даже разочаровали исследователей, «ставивших» на них, но, тем не менее, открытие фуллерена и подтверждение его структуры стали определяющими факторами для дальнейшего поиска и разработки углеродных наноматериалов – графена и углеродных нанотрубок (кстати, о последних говорят как о потенциальных компонентах ультрапрочных и ультралегких конструкционных материалов, что, несомненно, понравилось бы Ричарду Бакминстеру Фуллеру).
