Сторінка 1 з 11

Один з найдивовижніших елементів на світі — вуглець. Дивовижний і унікальний він хоча б тому, що все, що має відношення до життя, побудоване із з’єднань вуглецю.

Хімія чітко ділиться на дві нерівні частини. Органічна хімія — вона вся про з’єднання вуглецю, а неорганічна — про з’єднання всіх інших елементів таблиці Менделєєва. І органічних сполук набагато більше, ніж неорганічних!

Незвичайність вуглецю має своє пояснення. Хімічна природа цього елемента дозволяє його атомів об’єднуватися один з одним, утворюючи довгі полімерні ланцюжки. Причому ці ланцюжки можуть мати найрізноманітнішу форму. Молекули бензолу, наприклад, утворюють замкнуті кільця, а молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), відповідальної за передачу спадкової інформації, представляють два пов’язаних між собою спіралі.

Інше важливе наслідок особливих хімічних властивостей вуглецю полягає в тому, що цей елемент існує в природі в самих різних модифікаціях, зовсім не схожих один на одного. Такі модифікації називаються аллотропическими формами. У перекладі з давньогрецької «алотропія» означає «інша форма».

Так от, серед всіх елементів в даний час найбільше аллотропічних форм (а саме — 9) відомо у вуглецю. Дві з них знайомі всім. Це графіт і алмаз. Обидві речовини за хімічним складом ідентичні і являють собою чистий вуглець. Але з-за того, що атоми вуглецю в цих речовинах розташовані по-різному, їх фізичні властивості теж зовсім різні. Крошащийся при незначному зусиллі чорний, як ніч, графіт і виблискує сонцем алмаз, самий твердий мінерал в світі! Відчуйте різницю!

Фулерен — це одна з аллотропічних форм вуглецю, відкрита відносно недавно. Вперше його виявив в середині 1970-х років англійський хімік Гарольд Крото (Harold Walter Kroto; 1939 — 2016 рр.) при вивченні спектрів зірок. Розшифровка даних спектрального аналізу показала в атмосфері великих старіючих червоних зірок, які називають вуглецевими, і в міжзоряному середовищі наявність великих молекул вуглецю, що включають 60, а іноді і 70 атомів.

Фото: Джерело

У середині 1980-х років настав час спуститися з небес на землю. У цей час в університеті Райса, який знаходиться в Техасі Річард Смолли (Richard Smalley; 1943 — 2005 рр.) створив установку для дослідження поведінки металів, випаровуються з металевої поверхні за допомогою лазерного променя, а потім дуже швидко охолоджуються. При цьому, як виявилося, метали не кристаллизовывались, а утворювали довгі ланцюжки особливої структури — кластери.

Працював разом з Смолли, Роберт Керл (Robert Floyd Curl Jr., рід. 1933), зустрівшись з Крото на одному з семінарів, розповів йому про встановлення Смолли і запросив промоделювати на ній те, що відбувається в атмосфері далеких зірок.

У серпні—вересні 1985 року була поставлена серія експериментів. Виявилося, що в результаті випаровування графіту лазерним променем при швидкому охолодженні пари утворюються аллотропические форми вуглецю, містять 60 і 70 атомів. Хімічна формула цих речовин повинна була бути C60 або C70.

Вчені також визначили, яку структуру мають ці молекули. Виявилося, що вони можуть бути тільки опуклими замкнутими многогранниками, що складаються з п’ятикутних або шестикутних граней. Такий багатогранник називається усіченим икосаэдром і володіє найвищою симетрією.

У реальному житті усічений ікосаедр зустрічається досить часто. Футбольний м’яч, який прийнято вважати круглим, насправді — це усічений ікосаедр.

Фото: Depositphotos

До речі, саме футбольний м’яч ілюстрував першу статтю про відкриття нової аллотропической форми вуглецю. Там же вперше з’явилося її назва. Першовідкривачі назвали відкриту ними молекулу вуглецю Бакминстерфуллереном (Buckminsterfullerene).

Звідки взялося таке довге слово? Від прізвища американського інженера, архітектора, дизайнера і винахідника Річарда Бакмінстера Фуллера (Richard Buckminster Fuller; 1895 — 1983 рр..). Як архітектор, він став знаменитий спорудами куполоподібної форми, які називаються геодезичними куполами.

Джерело

Головна властивість геодезичних куполів полягає в тому, що їх можна збирати з відносно коротких, скріплених між собою, прямих стержнів. Таким чином, зведення таких куполів відносно недорого.

Такі купола є стійкими структурами. Вони самі підтримують себе. Дуже легкий по вазі геодезичний купол може перекривати величезні простори. Крім того, геодезичний купол, завдяки своїй майже кулястої форми, добре витримує натиск навіть ураганних вітрів. Невисокі сферичні конструкції можна побудувати чи не вручну, без допомоги будівельного крана. Але все ж будівництво великих куполів набагато вигідніше, тому що вони будуть складатися з більшого числа деталей. В результаті навантаження на кожен стрижень буде менше.

Простий математичний розрахунок показує, що по мірі збільшення діаметра сфери об’єм простору, що укладається цією сферою, буде рости швидше, ніж маса оболонки цієї архітектурної структури. Таким чином, з’являється реальна технічна можливість перекрити сферичним куполом гігантський простір. Мова йде вже не про будівництво будівель, а про цілих містах під куполом.

Рахуємо далі. Припустимо, ми побудували купол-сферу діаметром 1,5 кілометра. Маса повітря, укладеного в таку сферу, буде у багато разів більше маси всієї сфери. «Чудово!» — міркував Фуллер. Якщо все повітря в такій сфері нагріти всього на один градус порівняно з температурою навколишнього простору, виникне значна підйомна сила. Сфера злетить! І не тільки злетить сама, але зможе підняти вгору великий вантаж.

Що з цього випливає? Можна будувати літаючі міста, в кожному з яких будуть проживати кілька тисяч чоловік! Такі міста, могли б перебувати на якорі і вільно парити або, подібно дирижаблям, летіти, підганяли вітром!

Ну, а якщо все ж спуститися з піднебесся на тверду землю, сферичні споруди Фуллера були і дуже функціональні, і просто красиві. У 1959 році в Москві відбулася Американська національна виставка, яку розмістили в так званому «золотому куполі» — величезної сітчастої конструкції, зібраної з легких сталевих труб, які утримували на собі такий же легкий стелю з золотистого алюмінію.

У 1967 році Р. Фуллер спроектував павільйон США на Всесвітній виставці в Монреалі. Після закриття виставки величезну сферу Фуллера не розібрали. Це будова залишилося в Монреалі. Зараз у ньому розміщується музей «Біосфера».

Фото: Джерело

Що ж стосується фулеренів, то Нобелівський комітет визнав відкриття цієї аллотропической форми вуглецю видатним. Гарольд Крото, Річард Смолли і Роберт Керл в 1996 році отримали за відкриття фулеренів Нобелівську премію з хімії.

Слід сказати, що теоретики передбачили існування молекул вуглецю, мають замкнуту і стійку, майже «кулясту» структуру задовго до того, як ці експериментатори синтезували молекули.

В кінці 1960-х років японський хімік Ейдзі Осава (Eiji Osawa, рід. 1935) опублікував статтю, в якій зобразив структуру молекули C60 у вигляді усіченого ікосаедра. Ще раніше радянські вчені Д. А. Бочвар, Е. Р. Гальперн і В. В. Станкевич допомогою комп’ютерних розрахунків показали, що така молекула буде стабільною.

Вибрати в якості основи для розрахунків усічений ікосаедр запропонував завзятий футболіст Станкевич. Міркував він просто: 22 здорових хлопця протягом двох годин безперервно штовхають футбольний м’яч, а йому хоч би що. Отже, така форма буде надзвичайно міцною.

Це справді виявилося так. Але директор академічного інституту, в якому тоді працювали вчені, не дозволив опублікувати результати в науковому журналі, і робота в цьому напрямку застопорилася до публікації роботи Е. Осавы.

Вивчення фулеренів вже давно перейшло з області чистої науки в область технологічних і нанотехнологічних розробок. Застосування фуллеренам знайдено і в матеріалознавстві, де був створений надтвердий матеріал фуллерит, який навіть твердіше алмаза. У фулеренів виявлені надпровідні властивості.

Фото: Depositphotos

Дуже перспективно застосування фулеренів в медицині. Фулерени — самі потужні антиоксиданти, а отже, на їх основі можна зробити ліки, очищають організм і подовжують термін життя. Фулерени також можуть бути одним з можливих ліків проти ВІЛ.

Що ще почитати по темі?

Чим корисні фулерени?
Графіт або графен?
Що значить «культивувати алмаз»?

Теги:

прогрес,
відкриття,
цікавий факт
наука,
хімія

Повідомити модератору про порушення

  • Коментувати 0

  • Оцінити

    5
    4
    3
    2
    1

    Проголосував 0
    чоловік

    0

    0

    0

    0

    0

Головна сторінка /
Світ навколо нас /
Статті /
Що таке фулерени?

Стаття буде включена у випуск
20.05.2017

Цікаві записи

Залиште коментар

*

Сторінка 1 з 11