Красота физики. Постигая устройство природы

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.

Графен имеет уникальные механические и электрические характеристики, которые сулят множество способов его применения. Вдохновленные этими перспективами люди уже нашли некоторые более эффективные способы получать его. Одно оптимистичное и, быть может, не столь уж сумасшедшее исследование предсказывает появление рынка графена объемом в 100 миллиардов долларов в следующие несколько лет.

Сейчас я просто упомяну один ключевой момент, который легко понять и который хорошо подходит к нашим размышлениям. Как и в кристаллической решетке алмаза, правильное, эффективное расположение электронов на плоскости графена настолько предпочтительно, что их трудно разбить или заставить разойтись. Поэтому графен является исключительно прочным, крепким материалом. В то же время, поскольку его толщина составляет всего один атомный слой, лист графена легок и гибок. Обосновывая присуждение премии в 2010 г., Нобелевский комитет упомянул, что гамак из одного квадратного метра графена может выдержать кошку, но весить будет примерно столько же, сколько один из ее усов. Насколько я знаю, конкретно этот эксперимент еще никто не поставил.

Нанотрубки (одномерная симметрия)

Мы можем свернуть двумерный лист графена в одномерную трубку, так называемую нанотрубку. Это можно сделать многими способами, получая нанотрубки с различными радиусами и шагом спирали (см. вклейку FF). Отличаясь лишь слегка по своей геометрии, нанотрубки могут иметь полностью различные физические свойства. Триумфом квантовой теории является возможность однозначного предсказания свойств таких объектов только с помощью расчетов, причем прогнозы согласуются с экспериментальными измерениями.

Бакибол (нульмерная симметрия)

Наконец, можно представить себе замыкание графенового листа на себя с появлением конечной поверхности. Это можно сделать многими способами. На самом деле невозможно сформировать простую замкнутую поверхность, в каждой вершине которой встречаются три стороны, используя только шестиугольники. Такого платонова тела просто не существует! Ближайшим оказывается додекаэдр, состоящий из пятиугольников. Что еще более важно, каждая вершина додекаэдра связана именно с тремя другими, поэтому может быть использована основная структурная единица, изображенная в правой части илл. 27, но три ее орбитали нужно отогнуть в сторону от их идеального плоского расположения. Молекула С20 в форме додекаэдра, состоящая из 20 атомов углерода, действительно существует, но более крупные формы, которые включают дополнительные шестиугольники, требуют меньшего искажения и образуются с большей готовностью. Прекрасный «футбольный мяч» – молекула С60, показанная на илл. 30, – особенно стабильна и распространена.

Шарики из чистого углерода, среди которых молекула С60 является наиболее распространенной, но ни в коем случае не доминирующей, формируются при сжигании углерода посредством электричества, например, при дуговых разрядах. В небольшом количестве они также попадаются в обычной свечной саже.

Илл. 30. Структура бакибола. Здесь углеродная структура полностью замкнута, создавая конечный объект. Издалека он выглядит как точка – измерения «схлопнулись» до нуля.

Илл. 31. Гарольд Крото в своей лаборатории с моделями фуллеренов