Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Возможно, самая очевидная характеристика графена — его потрясающая прочность на разрыв. Прочность материалов бывает трех видов: «на сжатие» характеризует сопротивление сдавливанию, «на сдвиг» — сопротивление изгибанию, а «на разрыв» — сопротивление растягиванию. Некоторые объекты, скажем столбик кирпичей или штабель пиломатериалов, прочны при сжатии, но проявляют слабость, когда их изгибают или растягивают. Другие предметы, такие как стальная цепь или нейлоновая веревка, — крепкие при растягивании, но не имеют буквально никакой прочности при сжатии или изгибе. Некоторые всем известные композитные материалы вроде железобетона, стекловолокна или фанеры сочетают характеристики двух или более материалов, и это позволяет добиться роста всех трех видов сопротивления.

Плоские листы графена не могут выдержать изгибания и легко складываются, когда их сжимают, но при растяжении графен бесподобен: он в сотни раз прочнее, чем крепчайший стальной провод, и обладает пределом прочности на растяжение вдвое большим, чем алмаз. Причина этих экстремальных характеристик графена лежит в природе связей углерод-углерод. Алмаз, в котором каждый атом углерода делится своими электронами с четырьмя соседями, — наиболее крепкий из известных трехмерных кристаллов. Атомы углерода упакованы в алмазе в такой «тесноте», что наблюдаемая здесь плотность электронов (электроны суть основа химической связи) — самая высокая из известных, выше, чем у любого другого материала на поверхности Земли. Расстояние между соседними атомами углерода составляет всего 0,154 нм, оно гораздо меньше, чем в большинстве других кристаллов. Поэтому алмаз такой жесткий и твердый. Но в слое графена это расстояние еще короче — всего около 0,14 нм. Это потому, что каждый атом углерода делится своей квотой из четырех связывающих электронов только с тремя соседями. Электроны в слоях упакованы даже плотнее, а получающиеся в результате связи еще крепче и короче, чем в алмазе.

Превосходную прочность графена на разрыв можно ловко использовать в углеродной наноинженерии. Листы графена плохо подходят для производства веревок или проводов, но что, если вам удастся свернуть углеродный лист в рулон и сделать из него крошечный полый цилиндр? Тогда у вас получится прочная углеродная нанотрубка{132}. А уж здесь множество вариантов: можно изготовить трубки с разными диаметрами, а также одиночные, двойные или вложенные, состоящие из множества концентрических цилиндров.

Углеродные волокна разных видов были известны и изучались по крайней мере с 1950-х гг., но массовые исследования начались после того, как в 1991 г. японский физик Сумио Иидзима получил множество углеродных нанотрубок, пропустив сильные электрические токи через графит. На основе этого нового надежного метода было написано более 100 000 научных статей и подано порядка 10 000 заявок на получение патента.

Прочность полых углеродных нанотрубок потрясающая: нить диаметром всего 0,1 мм может удерживать более 10 т неподвижного груза. Инженерный потенциал для проектирования легковесных мостов, зданий, самолетов и композитных материалов нового поколения поразителен. Писатели-фантасты воспользовались этой идеей, описывая космические лифты на кабелях из углеродных нанотрубок, которые перевозят людей и грузы на закрепленные на орбите платформы, расположенные в сотнях километров над поверхностью Земли. Даже с учетом таких футуристических перспектив привлекательность нанотрубок не ограничивается их крепостью. Армия ученых по всему миру продолжает думать над их использованием в промышленности, энергоснабжении, электронике и медицине.

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.