До недавнего времени считалось, что углерод имеет только три формы существования – алмаз, графит и карбин. Эти вещества отличаются своим строением.
Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.
Особая форма углерода – фуллерены – вначале была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позднее обнаружена в земной коре.
Атомы углерода в кристаллической структуре графита формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями, которые слабо связаны между собой. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.
Элементарная ячейка карбина составлена параллельными цепочками углерода, имеющими зигзаги, благодаря которым ячейка оказывается двуслойной. Толщину одного слоя составляет цепочка из шести атомов углерода. В нижнем слое цепочки плотно упакованы и расположены в центре и по углам гексагона, тогда как в верхнем слое центральная цепочка отсутствует, а в образовавшейся вакансии могут располагаться атомы примеси, которые являются катализаторами кристаллизации карбина.
Рис, 1. Молекула фуллерена С60
В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода.
Молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) – это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.
В фуллерене плоская сетка шестиугольников – графитовая сетка – свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Природой задана четкая последовательность этого соединения – каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой прочной связью. Образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, 6 осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле С60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода.
Благодаря своему сетчато-шарообразному строению фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой. Они катаются, словно шарики размером с молекулу, между трущимися поверхностями.
Фуллерены можно использовать в нанотехнологиях, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, машинном производстве, в производстве технической продукции, компьютеров и других отраслях.
Например, американские исследователи разработали технологию, которая позволяет практически на любую поверхность наносить тончайшие элементы солнечных батарей, которые представляют собой многослойную полимерную пленку, содержащую все те же фуллерены. На сегодняшний день такие элементы обладают пока примерно в четыре раза более низким коэффициентом полезного действия, чем традиционные батареи на основе кремния, но они значительно проще и дешевле в производстве. Возможно, уже в ближайшем будущем промышленность технологически развитых стран мира начнет выпускать солнечные батареи рулонами – как обои.
Комбинируя внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы будущего.
В одном из университетов Швеции в ходе опытов с фуллеренами неожиданно для самих ученых был получен слоеный материал, напоминающий фольгу, проложенную тонкими слоями бумаги. Прозрачный и гибкий материал обладал магнитными свойствами и сохранял их даже при температуре свыше 200 градусов. Такой материал можно использовать для создания компьютерной памяти с помощью записи лазерным лучом. Благодаря этому будет достигаться очень высокая плотность носителя информации.
Большие надежды связаны с применением фуллеренов в медицине. Почти идеальная сферическая структура молекулы фуллерена и микроскопический размер (диаметр 0.7 нм) позволяют ученым рассчитывать на то, что эти молекулы смогут создать механическое препятствие для проникновения вирусов в клетки зараженного организма. Обсуждается также идея создания противораковых препаратов на основе соединений фуллеренов растворимых в воде с внедренными внутрь радиоактивными изотопами. Введение такого лекарства в проблемную зону ткани позволит избирательно воздействовать на пораженные опухолью клетки, препятствуя их дальнейшему размножению.
«Фаршированные» фуллерены, включив в свою внутреннюю полость другие молекулы, приобретают совершенно иные свойства.
Уже сегодня с помощью фуллеренов доставляют в клетку и размещают на поверхности клеточных мембран антибиотики, витамины и гормоны, а также фрагменты генетического кода при создании трансгенных животных и растений.
В настоящее время на основе фуллеренов синтезировано более 3 тысяч новых соединений. Перспективы развития синтеза фуллеренов связаны с особенностями строения молекул фуллеренов и наличием большого числа двойных сопряженных связей на замкнутой углеродной сфере. Комбинация фуллерена с представителями множества известных веществ открывает для химиков-синтетиков возможность получения разных производных этих соединений, которые могут найти применение в различных отраслях промышленности и техники.
Электропроводные свойства шунгитовых пород и способность снижать уровни электромагнитных излучений с частотой 10 кГц – 30 Ггц и электрических полей с частотой 50 Гц позволили создать новые электропроводные материалы, обладающие радиоэкранирующими и радиопоглощающими свойствами; электропроводные краски, бетоны, асфальты, отделочные материалы, штукатурные растворы и др. На основе этих материалов из шунгита разработаны нагреватели, созданы материалы, экранирующие электромагнитные излучения, показана возможность создания новых строительных материалов и др.
Целебные свойства фуллеренов в воде резко усиливаются. Ученые установили, что фуллерен является самым мощным и длительно действующим природным антиоксидантом.
Искусственные изотопы фуллеренов имеют высокую цену. Стоимость фуллеренов самого высокого качества составляет около 900 долларов США за грамм, более низкого качества – около 40 долларов за грамм в зависимости от степени чистоты. Эти «недостатки» искусственных фуллеренов в полной мере искупают природные фуллерены, которые были обнаружены в земной коре после открытия уникального вещества в научных лабораториях.
Впервые о земном существовании уникального вещества – фуллеренов, научный мир узнал после того, как один из бывших советских ученых исследовал в Аризонском университете (США) образцы карельских шунгитов и, к своему удивлению, обнаружил там углеродные глобулы с фуллеренами. После этого и начался интенсивный поиск других пород, содержащих фуллерены, возникли вопросы об их происхождении на Земле.
Позднее земные фуллерены были найдены в Канаде, Австралии и в Мексике – и в каждой из этих стран они были обнаружены на местах падения метеоритов. При этом некоторые фуллерены были заполнены: внутри оболочек находились атомы гелия. Странным оказался тот факт, что фуллерены хранили не гелий-4 – изотоп, который обычно присутствует в земных породах, а редкий для Земли изотоп гелий-3.
По мнению ученых, такие фуллерены могли образоваться только в космических условиях, в так называемых углеродных звездах или в ближайшем их окружении.
