Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий
Шрифт:
Многие конгрессмены знали, что Смолли болен лейкемией, – в Америке об этом объявляют незамедлительно и говорят открыто. А кто не знал, тот догадался по явным последствиям химиотерапии. Так что эмоциональная концовка выступления произвела вдвойне сильное впечатление. Конгрессмены одобрили проект.Затем Смолли принял деятельное участие в выработке стратегии и тактики проекта. Он привнес в него свою широту, здравый смысл, трезвый расчет и стремление сделать жизнь людей лучше. Смолли сам в какой-то мере стал символом нанотехнологий. Он ушел из жизни 28 октября 2005 года, в возрасте 62 лет.Вернемся к фуллерену. Неужели никто никогда не предполагал существование такой молекулы? Конечно, предполагали, ученые – большие фантазеры. Такую идею высказал, например, японец Еижи Осава в 1970 году. Но статья была опубликована на японском языке, еще менее понятном для научного сообщества, чем русский. Возможно, эту структуру рисовали на бумаге и другие ученые, но потом отвергали как невозможную. Дело в том, что каждый атом углерода в ней соединен с тремя соседями и больше ни с кем, так устроены ароматические соединения, ароматические соединения – плоские. Согласно
Открытие Смолли подхлестнуло фантазию ученых. Фуллерен был сложен из двенадцати пятиугольников и двадцати шестиугольников. Почему именно из них, было понятно, это вытекало из свойств атома углерода: наибольшей устойчивостью обладают циклические структуры, составленные из пяти и шести атомов. Но откуда следует, что соотношение между многоугольниками может быть только таким? Ведь великий математик Эйлер еще в середине XVIII века доказал, что из пяти– и шестиугольников можно составить множество различных многогранников. И ученые принялись увлеченно складывать эти структуры. Сейчас аналогичную задачу предлагают решить школьникам во многих американских школах с помощью специального конструктора. Они довольно быстро обнаруживают, что минимальная структура складывается из двенадцати пятиугольников и двух шестиугольников и содержит, таким образом, двадцать четыре атома углерода, верхнего же предела фантазии нет, размер многогранника можно увеличивать до бесконечности. И каждая из этих структур имела не меньшее право на существование, чем открытый Смолли и Кёрлом фуллерен, хотя и не была такой изысканно красивой.
Когда ученые знают, что и где искать, они находят это с поразительной быстротой. Следуя путем, проложенным Смолли, варьируя условия синтеза, исследователи за десятилетие получили множество различных молекул углерода, дойдя до отметки в 960 атомов. Это был уже целый класс родственных соединений, который назвали обобщенно фуллеренами, а для обозначения каждой отдельной структуры стали добавлять число, указывающее на количество атомов углерода, так что молекула, впервые полученная Смолли, обрела свое окончательное название – фуллерен С60.
Посмотрим на фуллерены под другим углом зрения. Все они состоят только из атомов углерода, химики называют такие соединения простыми. Из школьного курса все мы помним, что у углерода есть два простых соединения – алмаз и графит [61] . И тут вдруг ученые получили целую россыпь – несколько десятков – новых простых соединений углерода, каждое из которых обладало своими, уникальными свойствами.
Феноменальный прогресс был достигнут и в методах получения фуллеренов. Как вы уже поняли, ученым стоит только намекнуть, что какое-то вещество можно получить в принципе, и вскоре они будут синтезировать его в своих лабораториях граммами и килограммами и доведут дело, если потребуется, до промышленного производства. То же случилось и с фуллеренами. Оказалось, что они образуются при дуговом разряде на графитовых электродах, просто раньше никому в голову не приходило искать их в образующейся при этом саже.
61
Окончившие спецшколы и химические институты назовут еще карбин, но он был и остается экзотикой.
За фуллеренами стояла очередь из представителей самых разных фирм, готовых платить за них наличными, – “черный” рынок есть и в науке. Фуллерены еще толком не научились синтезировать, но при этом все были уверены, что в будущем они найдут множество практических применений – поразительный пример массовой прозорливости. Так что фирмачи стремились как можно быстрее испытать это удивительное вещество, чтобы в будущем не остаться с носом.
Нельзя сказать, что фуллерены ценились на вес золота, ведь золото, в сущности, не такой уж дорогой металл. По прошествии нескольких лет выход фуллеренов достиг умопомрачительной величины – двадцать процентов от массы сожженного графитного электрода, а себестоимость производства наиболее распространенного фуллерена С60 опустилась до нескольких долларов за грамм – сущие копейки по сравнению со стоимостью большинства других химических реагентов. Сегодня фуллерены доступны в любом количестве и могут быть использованы в технологических проектах любого масштаба.
Один из таких проектов запущен американской компанией “Konarka Technologies” [62] в 2008 году. Ее специалисты разработали конструкцию гибких солнечных батарей на основе фуллерена С60 и еще одного выдающегося изобретения последнего времени – проводящих органических полимеров. Их КПД составляет около пяти процентов, что заметно ниже, чем у привычных нам кремниевых батарей, но они и намного дешевле. Планы у компании амбициозные – производство батарей суммарной мощностью порядка гигаватт ежегодно.
62
Эта компания примечательна тем, что была организована в 2001 г. как отделение Массачусетского университета и являет пример успешного симбиоза науки и производства, к которому не устают призывать лидеры нашей страны.
Фуллерены – лишь одна группа новых простых соединений углерода. Вторая представлена углеродными нанотрубками (УНТ), о которых я уже упоминал выше, да и вы, несомненно, многократно слышали и читали о них раньше, ведь по частоте упоминания в научно-популярной литературе и СМИ они едва ли не главный продукт нанотехнологий.
“Собрать” нанотрубку даже проще, чем фуллерен, ведь при этом используются только шестиугольные фрагменты. Выкладываем из них длинную плоскую полоску, а затем сворачиваем ее в трубку, соединяя между собой противоположные края. Минимальный диаметр трубки, которую можно получить таким образом, составляет четыре десятых нанометра. Верхнего предела нет (реально получают УНТ с диаметром до ста нанометров), как нет ограничений и на длину трубки, которая в пределе бесконечна, но реально варьируется от одного до ста микрон. Школьники, поднаторев в конструировании нанообъектов, возводят на конце такой трубки фуллереноподобный купол из шести– и пятиугольников, придавая ей законченный вид. Что ж, ученые научились получать и такие трубки.
Но ваша фантазия летит дальше. Если мы можем получить трубки разного диаметра, то почему нам не вложить трубки одну в другую на манер матрешки? И это возможно! Только для этого нет необходимости получать нанотрубки разного диаметра по отдельности, проще сразу вырастить так называемую многостенную углеродную нанотрубку. К слову сказать, это даже проще, чем вырастить одностенную.
Самое поразительное во всей этой истории то, что углеродные нанотрубки были известны очень давно. Отечественные исследователи Л.В. Радушкевич и В.М. Лукьянович опубликовали их фотографию еще в 1952 году, но не факт, что это была первая фотография. Я видел эти углеродные “усы” в свои студенческие годы, их получали на кафедре, где я работал, и демонстрировали как курьез Природы. Ученые, конечно, строили разные предположения о том, как устроены эти странные образования, но держали свои гипотезы при себе или обсуждали их в узком кругу с коллегами. Ни один журнал не принял бы к публикации такую статью, ведь в подтверждение гипотезы нельзя было привести ни одного экспериментального факта – тогда еще не были созданы приборы, способные решить эту задачу.
И в сущности, никого это особо не интересовало. Углеродные трубки, или “усы”, были не просто бесполезными, но и вредными созданиями, ведь они вырастали на поверхности различных металлических катализаторов как побочный продукт превращения углеродсодержащих веществ. Они засоряли поверхность катализатора и снижали тем самым производительность процесса. Боролись с ним просто и кардинально – выжигали в самом прямом смысле слова кислородом.
Интерес к углеродным нанотрубкам возник лишь после открытия фуллеренов. Можно сказать, что “открытие” углеродных нанотрубок было предопределено и поэтому не вызвало большого ажиотажа. Собственно, научное сообщество его даже не заметило, ученые долго спорили, кому же принадлежит приоритет, но спорили как-то вяло, несообразно значимости открытия. В конце концов, большинством голосов пальму первенства в их синтезе отдали Сумио Ииджиме из японской компании “NEC”, который в 1991 году сообщил о получении многостенных нанотрубок при распылении графита в электрической дуге, то есть при модификации метода синтеза все тех же фуллеренов.Ажиотаж начался, когда ученые изучили свойства этих ранее бесполезных и вредных образований, в первую очередь их электрические свойства. Чтобы вам лучше было понятно дальнейшее, давайте вернемся ненадолго к нашему конструктору. Опять сложим длинную плоскую полоску и свернем ее в трубку. И вот тут-то обнаружится, что соединить противоположные стороны листа можно по-разному, сдвигая эти стороны относительно друг друга на длину, кратную длине одного шестиугольника. Во всех случаях будут получаться цилиндрические трубки с одинаковыми по размеру шестиугольниками на поверхности, но трубки при этом будут разными! Чтобы убедиться в этом, достаточно разрезать трубку по линии, перпендикулярной ее оси.Так вот, это незначительное на первый взгляд различие в структуре имеет драматическое влияние на электрические свойства углеродных нанотрубок. Если трубка свернута “ровно”, то она обладает “металлическими” свойствами и хорошо проводит электрический ток. Оценочно плотность тока может доходить до миллиарда ампер на квадратный сантиметр. Для сравнения: медный провод плавится и выходит из строя при миллионе ампер на квадратный сантиметр. Это обусловлено практическим отсутствием в нанотрубке дефектов, рассеивающих электроны, и, как следствие, очень низким сопротивлением. Кроме того, нанотрубки обладают высокой теплопроводностью, что способствует эффективному рассеянию тепла, выделяющемуся при прохождении электрического тока. Если же трубка “перекручена”, то она становится полупроводником. При этом электрические свойства зависят как от строения трубки, так и от ее диаметра: чем меньше диаметр трубки, тем сильнее выражены полупроводниковые свойства.
Стало понятно, что на основе углеродных нанотрубок различного строения можно создать все основные компоненты микроэлектроники – диоды, транзисторы, соединительные провода и т. п. А с учетом размера нанотрубок речь шла уже о наноэлектронике [63] . Более того, это стало предвестием смены парадигмы в материаловедении и химии в целом. Раньше исследователи шли по пути синтеза все более сложных соединений, состоящих из атомов множества элементов, и введения разных экзотических, дорогостоящих добавок. Теперь они добивались тех же и даже лучших результатов, изменяя структуру молекул вещества, состоящего из атомов одного-единственного элемента – доступного и дешевого углерода.
63
Заметим, однако, что вся современная кремниевая микроэлектроника уже давно по сути является наноэлектроникой, ведь размер всех ее элементов составляет несколько десятков нанометров. Но наноэлектронику продолжают упорно связывать с новыми “революционными” нанотехнологиями, что вводит людей в заблуждение. Большинство просто не видит продукта реальных нанотехнологий в постоянно используемых ими устройствах – компьютерах, мобильных телефонах, плеерах и т. д.