Как было открыто удивительное соединение углерода
Английский химик и астрофизик Гарольд Крото занимался изучением межзвёздной пыли. В середине 70-х годов прошлого века, анализируя спектры космических объектов, он обнаружил в космосе загадочные соединения углерода. Эти спектральные линии не соответствовали ни одному известному в то время соединению углерода, что породило у учёного глубокий интерес: каким образом эти углеродные структуры образуются в экстремальных условиях межзвёздного пространства, и как они устроены? Учёного особенно интриговала возможность получить аналогичные структуры в лабораторных условиях, чтобы разгадать их строение и механизм образования.
Так, в сентябре 1985 года, Гарольд Крото оказался в лаборатории профессора Ричарда Смолли в университете Райса (г. Хьюстон). Смолли, известный своими разработками в области лазерной абляции и кластерной химии, предоставил Крото оборудование и возможность для проведения совместного эксперимента, призванного смоделировать процессы, происходящие в космосе. Целью эксперимента было создание и анализ кластеров углерода.
Эксперимент по созданию фуллеренов
Суть эксперимента заключалась в следующем: группа учёных, включая Крото, Смолли и их коллег, облучала мощным лазером вращающийся диск из высокочистого графита. Этот процесс, известный как лазерная абляция, создавал условия, при которых атомы углерода испарялись с поверхности графита, образуя горячий углеродный пар. Затем этот углеродный пар, смешиваясь с инертным газом гелием, который служил охладителем и стабилизатором, направлялся в масс-спектрометр. Масс-спектрометр позволял определить массы образующихся молекул, анализируя соотношение их массы к заряду.
Неожиданные результаты и гипотеза о структуре
Первоначальный анализ данных масс-спектрометра принёс неожиданные результаты. Помимо ожидаемых кластеров углерода, спектр показал наличие чётких пиков, соответствующих неизвестным структурам с массами, значительно превышающими массы простых углеродных кластеров. В частности, были обнаружены пики, отвечающие молекулам с массами 720 и 840 атомных единиц. Эти массы соответствовали молекулам, состоящим из 60 и 70 атомов углерода соответственно.
В этот момент учёных захватило волнение и научное предвкушение: как такие крупные углеродные кластеры могут существовать? Как они устроены, как атомы углерода удерживают такое большое количество своих собратьев, сохраняя при этом стабильную структуру, а не распадаясь на более мелкие фрагменты? Это был настоящий вызов традиционным представлениям о химии углеродных соединений.
В результате долгих размышлений, совместных обсуждений и моделирования, опираясь на известные геометрические формы и принципы химической связи, учёные пришли к поразительному предположению: молекула, состоящая из 60 атомов углерода (С60), вероятно, имеет замкнутое, сферическое строение. Гарольд Крото, вспомнив свои наблюдения за архитектурой, сделал ключевое предположение, что молекула С60 имеет форму, очень похожую на усеченный икосаэдр. Этот многогранник, состоящий из 12 пятиугольных и 20 шестиугольных граней, имеет ровно 60 вершин, что идеально соответствовало предполагаемому количеству атомов углерода. Такая структура обеспечивала бы максимальную стабильность и минимальную энергию.
Имя для новой молекулы
Отлично! Теперь, когда была предложена структура, возник закономерный вопрос: как назвать эту новую, уникальную молекулу? Имя должно было отражать её необычную форму и происхождение. Гарольд Крото, вспомнив свои впечатления от международной выставки в Монреале в 1967 году, где он видел впечатляющие геодезические купола, построенные по проекту американского архитектора Бакминстера Фуллера, нашёл идеальную ассоциацию. Структура молекулы С60 действительно напоминала эти купола, которые также имели многогранную, сферическую форму. В честь архитектора, чьи идеи вдохновили на создание подобных конструкций, было принято решение назвать соединение «бакминстерфуллерен». А другие подобные молекулы, имеющие форму выпуклых многогранников, были объединены под общим названием «фуллерены».
Подтверждение и Нобелевская премия
Открытие фуллеренов стало настоящей сенсацией в научном мире. Однако, как это часто бывает в науке, первоначальные предположения требовали строгого подтверждения. Через пять лет, в начале 90-х годов, независимые группы исследователей, используя различные методы, включая рентгеновскую дифракцию и спектроскопию, провели детальные физико-химические исследования. Эти исследования убедительно подтвердили, что молекулы углерода действительно могут иметь замкнутое, сферическое строение, образуя стабильные структуры, такие как фуллерены. Это открытие открыло новую главу в химии углерода, продемонстрировав его поразительную способность к аллотропии – образованию различных форм.
За их новаторскую работу и открытие фуллеренов, Роберт Кёрл, Гарольд Крото и Ричард Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии в 1996 году. Их случайное открытие, начавшееся с изучения космической пыли, привело к революционным изменениям в понимании химии углерода и открыло двери для бесчисленных применений фуллеренов в различных областях, от материаловедения и электроники до медицины и энергетики.
About the Author
