Неожиданные свойства привычного углерода

Фундаментальная наука в последние годы нечасто балует инженеров открытиями, пригодными для промышленного внедрения. Но последние два десятилетия стали приятным исключением. Две Нобелевские премии и третье открытие, не оцененное пока Нобелевским комитетом, создали перспективы для работы инженерам и технологам на многие десятилетия. И все они связаны с одним элементом – углеродом .

Чем же так важны эти открытия и что нового может дать нам столь привычный химический элемент? Все, что мы знаем об углероде, делает его наиболее интересным и важным элементом периодической таблицы Менделеева. Начнем с того, что сама жизнь возникла на углеродной основе. Способность атомов углерода соединяться в сложные структуры, позволила природе создать белковые организмы и вдохнуть разум в человека. Вся органическая химия с ее обилием новых, искусственных материалов, базируется на сложных соединениях углерода с другими элементами.

Но и атомарный углерод не менее удивителен, чем его соединения. Это единственный элемент, который имеет пока 8 аллотропных (различных) модификаций. Слово «пока» вполне уместно, т.к. углерод может преподнести еще сюрпризы в будущем. Всего несколько десятилетий назад мы знали только две модификации углерода: графит и алмаз .

С графитом нам приходилось и приходится сталкиваться, рисуя карандашом на бумаге. Алмаз – это волнующий воображение блеск бриллиантов и символ богатства. Правда, развитие техники привело к признанию другого свойства алмаза – его непревзойденной твердости. И теперь, несмотря на сложность процессов, искусственные алмазы синтезируются и широко используются в технике. Бурение твердых пород, круги для распиловки камня, шлифовальные пасты – можно долго перечислять применения этой модификации углерода.

Но между очень твердым состоянием и очень мягким лежит целая пропасть. Вызывало удивление, что столь важный элемент, на котором основана вся современная химия, имеет только два, таких антагонистичных состояния.

И, наконец, в прошлом веке, в начале 60 годов, была открыта третья модификация углерода – карбин . Это цепочка связанных между собой атомов углерода. Открытие было сделано химиками, и большого резонанса не получило, так как не нашло практического применения.

А вот следующая форма углерода – фуллерены вызвала гораздо больший интерес. Атомы углерода, собранные в молекулу сферической формы, открывали путь к созданию совершенно новых материалов и соединений. За открытие фуллереновой модификации углерода группе ученых в 1996 году присудили Нобелевскую премию

Уже сейчас фуллерены используют в фармацевтической промышленности для создания противораковых препаратов, в радиоэлектронике, автомобильной промышленности в качестве присадок для моторных масел. Список применений замечательно широк, но еще обширней перспективы использования в будущем.

Дальше открытия, связанные с углеродом, посыпались как из рога изобилия. Лонсдейлит, найденный в составе метеоритов и впоследствии синтезированный искусственно, углеродные нанотрубки, графен .

Мы не успели освоить одну аллотропную форму, как к ней неожиданно добавилось еще две. И эти формы углерода уже в ближайшие годы позволят радикально изменить как коммуникационную структуру человечества, так и саму жизнь человека (подробее о перспективах применения графена и углеродных нанотрубок читайте в статье про графеновую электронику ).

Благодаря использованию новых свойств углерода открываются безграничные возможности для создания квантовых вычислительных машин, линий передачи информации со скоростью более 100 Гбит/сек, датчиков, считывающих сигналы с живой клетки и многое другое, о чем не мечтали и фантасты.

И ждать осталось совсем недолго: перспективы коммерческого использования открытий настолько велики, что десятки компаний уже сегодня демонстрируют образцы продуктов, в состав которых входят углеродные нанотрубки и графены.