Капеллан дьявола

Атомы углерода могут образовывать и другие кристаллические решетки. Если вернуться к аналогии с солдатами, они могут принять другую традицию парадного строя. Графит (из которого состоит грифель простого карандаша) — это тоже углерод, но он, конечно, совсем не похож на алмаз. В графите атомы образуют пластины из шестиугольников, наподобие проволочной сетки. Каждая пластина нежестко связана с двумя другими, расположенными над и под ней, и в присутствии примесей эти пластины легко скользят друг относительно друга. Именно поэтому графит можно успешно использовать для смазки. Использовать для смазки алмаз совершенно невозможно. Его легендарная твердость позволяет шлифовать самые неподатливые материалы. Атомы в мягком графите и в твердом алмазе одни и те же. Если бы вы сумели убедить атомы из кристаллов графита встать в строй, характерный для кристаллов алмаза, вы бы разбогатели. Это возможно, но для этого необходимо колоссальное давление и высокая температура — предположительно те самые условия, при которых алмазы образуются в природе, в глубинах земли.

Взяв плоскую пластину графита, состоящую из шестиугольников, вы можете представить себе, что если среди этих шестиугольников вставить немного пятиугольников, то пластина превратится в изогнутую поверхность. Если в определенном порядке разместить ровно 12 пятиугольников среди 20 шестиугольников, поверхность замкнется в сферу. Геометры называют такую фигуру усеченным икосаэдром. Именно такой узор образуют швы на футбольном мяче. Поэтому футбольный мяч — это модель структуры из атомов углерода, которая теоретически может возникнуть спонтанно.

Mirabile dictu[49] — именно такая структура была недавно открыта. Команду ученых, которая это сделала, в том числе сэра Гарольда Крото из Университета Сассекса, в 1996 году наградили Нобелевской премией по химии. Эта изящная сфера, так называемый бакминстерфуллерен, состоит из 60 атомов углерода, связанных в 20 шестиугольников с вставками из 12 пятиугольников. Она была названа в честь прозорливого американского архитектора Бакминстера Фуллера (с которым мне посчастливилось познакомиться, когда он был уже очень стар[50]). Такие сферы также любовно называют бакиболами. Они могут сочетаться друг с другом, образуя крупные кристаллы. Как и пластины графита, бакиболы могут служить хорошей смазкой, по-видимому благодаря своей сферической форме: предположительно они работают как крошечные шарикоподшипники.

Со времени открытия бакиболов химики осознали, что это лишь особые представители большого семейства веществ, включающего углеродные нанотрубки и другие фуллерены. Теоретически атомы углерода могут образовывать целую сокровищницу завораживающих кристаллических структур — еще одно проявление уникального свойства углерода, которое делает его основным элементом жизни.

Не все атомы обладают талантом углерода соединяться с себе подобными. Другие кристаллы содержат разных «солдат», стоящих поочередно в каком-либо аккуратном порядке. В кристаллах кварца это кремний и кислород вместо углерода, а в поваренной соли — электрически заряженные атомы натрия и хлора. Кристаллы обычно ломаются вдоль линий, которые выдают скрытый порядок строя их атомов. Поэтому кристаллы соли квадратные, столбы Дороги гигантов[51] похожи на пчелиные соты, а кристаллы алмаза похожи на… в общем, на алмазы.

Все кристаллы образуются путем «самосборки» в соответствии с локально действующими правилами. Входящие в их состав «солдаты», свободно плавающие в водном растворе, спонтанно присоединяются к растущему кристаллу, заделывая «дырки» на его поверхности, к которым они идеально подходят. Поэтому кристалл в растворе может вырасти из крошечного «зародыша» — например, на основе частицы примеси, такой как песчинка в центре жемчужины. Бакиболы, кристаллы кварца, алмазы и что угодно другое строятся, не следуя какому-то грандиозному плану, а сами собой. Принцип самосборки работает и в живых структурах. Саму ДНК (генетическую молекулу — главную молекулу всего живого) можно считать длинным спиральным кристаллом, в котором одна половина двойной спирали образуется путем самосборки на матрице другой половины. Вирусы, которые похожи на сложные комплексы кристаллов, тоже образуются путем самосборки. Головка бактериофага T4 (вируса, заражающего бактерий) даже внешне напоминает кристалл.