Углерод. Архитектура

До недавнего времени ученым были известны три кристаллические модификации углерода: графит, ал­маз и карбин. Графит имеет слоистую структуру, причем каждый слой построен из плоских шестичленных циклов, содер­жащих двойные связи. Длины связей между слоями больше, чем внутри слоев, что выражает делокализацию электронов и появление у графита частичных металли­ческих свойств. Алмаз, в отличие от графита, не содержит кратных связей. Он характеризуется совершенно правильной кристаллической структурой с одинаковыми расстояни­ями между всеми соседними углеродными атомами. Благодаря такой структуре алмаз обладает исключитель­ной твердостью. Большой интерес представляет искусственно полу­ченный линейный полимер углерода - карбин, содержащий двойные и тройные связи. Но мысль ученых пошла дальше: а что, если предста­вить полые сферические ионы с оболочкой из сетки атомов углерода? В 1973 году советские химики ДА. Бовчар и Е.Г. Гальперин фактически предсказали возможность существования устойчивого замкнутого иона, состоящего из 60 атомов углерода. Еще ранее, в 1966 году, в статье, опубликованной в журнале «NewScientifist», Д. Джоунс писал о «полой молекуле», состоящей из-за крученных слоев графита. Но принципиальное значение имела работа Роберта Ф.Керла и Ричарда Э.Смолли, в которой молекула была зарегистрирована как кластер с магическим числом атомов в нем. Так была теоретически рассчитана структура полого иона из 60 атомов углерода (С60). Оказалось, что наиболее устойчивая структура сферической оболочки - это сочетание пяти- и шестиугольников, что давно уже определено мастерами, изготавливающими покрышки футбольных мячей. Вско­ре путем термического разложения графита ученым удалось синтезировать новое вещество, молекулы кото­рого имели сферическую форму. Так появились фуллерены, о которых сегодня говорит вся планета (рис.1).   Рис. 1. Структура молекулы фуллерена С60 Происхождение этого термина связано с именем аме­риканского архитектора Букминстера Фуллера, который применял такие структуры при конструировании купо­лообразных зданий. Итак, структура С60 имеет поверхность, содержащую 12 правильных пятиугольников и 20 неравносторонних шестиугольников. Все 90 сторон усеченного икосаэдра имеют одинаковую длину. Шестиугольники, которыми выложена сферическая или сфероидальная поверхность молекул фуллеренов, имеют те же размеры, что и шестиугольники, входящие в состав графита. Все атомы углерода в молекуле С60 на­ходятся в равнозначном положении, так, что каждый атом принадлежит одновременно двум шестиугольни­кам и одному пятиугольнику. Эта фигура (так же, как и покрышка футбольного мяча) имеет, таким образом, симметрию усеченного икосаэдра. Икосаэдр - самый симметричный из пяти правильных многогранников (платоновых тел, которые считались символами пяти первоэлементов) — ассоциировался с «квинтэссенци­ей», первоэлементом эфира. Возможно, поэтому среди рисунков Леонардо да Винчи можно увидеть «молеку­лы С60». Открытие новой формы существования углерода объявлено знаменательнейшим открытием XX века, а новые материалы на их основе - перспективнейшими материалами XXI века. Сегодня в молекулы фуллеренов удалось внедрить атомы элементов почти половины таблицы Менделеева и получить семейство новых соединений, названных эндоэндральными. Осуществлен синтез гидридов фул­леренов, что привело к возможности создания новых типов аккумуляторных батарей. Синтезировано огром­ное количество органических и металлорганических соединений с участием фуллеренов (так называемых фуллсронов). Еще одно приоритетное направление раз­вития химии фуллеренов связано с возможностью синтеза полимеров на их основе. Сегодня обсуждается возможность создания твердотельных лазеров и сверхпроводящих материалов, а также новых микроэлектрон­ных устройств. Одним из перспективных направлений работы с фуллеренами является создание противораковых пре­паратов. Таким образом, открытие новой формы существования углерода показало, что возможности этого уникального элемента не только не изучены до конца, но скорее лишь начинают по-настоящему постигаться человеком.

СПОНОРЫ