Углеродные мячики в межзвёздных облаках

13 December 2019
A full set of statistics will be available when the publication has over 100 views.

В 70-х годы XX века, что называется, на кончике пера было предсказано существование необычного углеродного соединения - молекулы , состоящей из десятков атомов углерода, образующих замкнутую сферу, точнее – выпуклый многогранник с пяти- или шестиугольными гранями. Что-то вроде футбольного мяча. В вершине каждой грани должен находиться атом углерода.

Первым работу на эту тему опубликовал в 1971 г. японский физик Осава, но она увидела свет в японском журнале на японском языке, и по причине языкового барьера долго оставалась незамеченной мировым научным сообществом. В 1973 г. такое вещество смоделировали сотрудники московского Института элементоорганических соединений Дмитрий Бочар и Елена Гасперн. Они изучали возможность создания полой замкнутой углеродной структуры, внутри которой можно поместить атом металла. Перебрали несколько вариантов, но все они были нестабильны. Рассказывают, что однажды коллега принёс аспирантке Елене Гальперн футбольный мяч и сказал: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень прочной». Квантово-химический расчёт показал, что молекула из шестидесяти атомов углерода, расположенных таким образом и правда будет стабильной, но немедленных практических последствий это исследование не имело.

А в 1985 г. при изучении спектра графита, который испаряли с помощью лазера, действительно обнаружили карбоновые мячики, причём сразу двух видов – состоящие из шестидесяти и семидесяти атомов. Их соответственно обозначают как С60 и С70. Исследование проводили Роберт Кёрл, Харольд Крото и Ричард Смолли. За это открытие они стали нобелевскими лауреатами 1996 г. Открытые ими углеродные образования получили название фуллерены, в честь известного инженера и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который очень любил использовать купола схожей конструкции.

Ричард Бакминстер Фуллер
Ричард Бакминстер Фуллер
...И его сооружение. Павильон США для всемирной выставки 1967 г.
...И его сооружение. Павильон США для всемирной выставки 1967 г.

Теперь известно, что фуллерены бывают и более сложного состава. Они могут включать атомы и других химических элементов помимо углерода. Если такие атомы расположены внутри углеродного каркаса, то фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными.

Надо сказать, вещество оказалось просто волшебным. Фуллериты, кристаллы на основе фуллеренов, отличаются довольно редкими оптическими характеристиками, которые позволяют использовать их как ограничители лазерного излучения. Они также являются полупроводниками и могут служить материалом для диодов, транзисторов и фотоэлементов, имеющим ряд преимуществ перед традиционным кремнием. В то же время, некоторые соединения С60 при низких температурах обретают сверхпроводимость. Ещё одна заманчивая возможность – усовершенствованные фуллереновыми добавками технологии выращивания алмазных плёнок, которые в свою очередь первые претенденты на активное использование в микроэлектронике следующего поколения.

Благодаря присутствию фуллерена С60 в минеральных смазках на защищаемых поверхностях возникает фуллерено-полимерная плёнка толщиной 100 нм. Она препятствует разрушению механизма в результате окисления и температурного воздействия от термической и увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз. Время жизни живых существ они тоже увеличивают. Это - мощнейшие антиоксиданты, известные на сегодняшний день. Эксперименты с грызунами и круглыми червями показали, что содержащие фуллерены препараты способны замедлять процесс старения и значительно увеличивать продолжительность жизни. Их используют в разработке противоаллергических средств. Кроме того, на сегодняшний день синтезированы производные фуллерена, которые блокируют размножение вируса иммунодефицита человека.

Как и положено столь чудодейственному веществу, в природе фуллерены встречаются редко. Сперва их вообще наблюдали только в лабораторных условиях. Потом нашли в небольшом количестве в составе горных пород шунгитов и в морского воздуха. А потом (внезапно) обнаружили в межзвёздном веществе.

Фуллерены в космосе
Фуллерены в космосе

Это последнее открытие немало удивило учёных. Пусть они давно уже не думают, что межзвёздные облака сплошь состоят из простейших молекул вроде H2, O2 и N2 , и даже нашли там ряд органических соединений, но всё же, они были попроще, и главное – они были углеводородами. Что вызвало много вопросов, так это чистый углеродный состав. Конечно, углерод четвёртый в очереди среди самых распространённых во Вселенной химических элементов(после водорода, гелия и кислорода), но концентрация свободного углерода в межзвёздном веществе по сравнению с тем же водородом ничтожно мала. Одно дело, когда фуллерены возникают в парах графита. Но в туманностях, где был обнаружен С60 , на 1 атом углерода приходится 10 тыс. атомов водорода. И вдруг в межзвёздном пространстве молекула, в которой целых 60 атомов углерода, а водорода – ни одного. Наверное, им было нелегко найти друг друга и соединить свои судьбы.

Однако в октябре 2019 г. в Astrophysical Journal Letters опубликовали научную работу, где было описано получение фуллерена в лабораторных условиях, приближённых к условиям в межзвёздной среде. Исследование провела группа астрохимиков из Аризонского университета во главе Якобом Берналем (Jacob Bernal). Как показали эксперименты, материалом для фуллеренов могли послужить частички карбида кремния. Это не отдельные молекулы, а пыль, которая остаётся в космосе после гибели звезды. Такое вещество поместили в среду низкого давления, разогрели до температуры 1000 °C и облучили высокоэнергетическими ионами ксенона. Под таким жёстким воздействием кремний буквально выдавливается с поверхности пылевых частиц, оставляя только атомы углерода. Возникает очень благоприятная ситуация для образования тяжёлых чисто углеродных молекул. Подобные процессы могли быть следствием гибели звёзд и породить фуллерены и другие сложные углеродные соединения.

Если вам понравился материал, не забудьте поставить "лайк". Спасибо.