Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры:
Родословная форм и идей. № 10. Изд. 3, испр. и доп.

Оглавление

Предисловие

Главным героем этой книги, конечно же, является углерод, вернее, новые наноразмерные модификации чистого углерода – молекулы фуллеренов, углеродные нанотрубки и другие фуллереноподобные структуры. Описанию этих структур посвящена значительная часть этой книги. В этом смысле данная книжка – научно-популярная.

Эйнштейну приписывается фраза: "Вы не понимаете физическое явление до тех пор, пока не сможете объяснить его своей бабушке". Так вот, мне кажется, что при написании этой книги, пытаясь объяснить читателю достаточно сложные понятия современной физики, химии, материаловедения, биологии, приводя многочисленные примеры взаимопроникновения этих наук друг в друга, я тоже начал кое-что понимать. По ходу обсуждения этих понятий многим из них будут даны определения, а также объяснено происхождение их названий.

Основное внимание я уделю топологическим аспектам структуры молекул фуллеренов или, говоря по-простому, особенностям их структуры и свойств, напрямую вытекающих из их формы. Я также постараюсь показать, как с помощью фуллереноподобных форм природа минимизирует энергетические и "материальные" затраты в существенно различных химических, минералогических и биологических объектах, и приведу примеры достижения подобных целей в арихитектуре.

С другой стороны, эта книга – историческая. Она рассказывает о современной истории науки с короткими экскурсами в глубь времени – вплоть до эпохи Возрождения и даже Античности. На мой взгляд, история сделанных в наши дни сенсационных открытий новых углеродных наноматериалов интересна сама по себе. Так же как, вне всякого сомнения, интересны и яркие, "штучные" личности первооткрывателей. Кого-то из них мне посчастливилось знать лично: общаться и работать. В орбиту деятельности других я был втянут косвенно. Лекции третьих слушал на семинарах и конференциях. Четвертых знаю только по публикациям. Как бы то ни было, я оказался скромным участником и, уж точно, восторженным наблюдателем увлекательной истории открытия новых модификаций углерода, которая на рубеже тысячелетий увенчалась Нобелевской премией и, безусловно, является прологом создания новых материалов и технологий третьего тысячелетия. Именно желание рассказать об этой истории и ее творцах явилось главным стимулом, побудившим меня взяться за написание этой книги.

Мне хотелось бы определить жанр этой книги словосочетанием, придуманным Марком Михайловичем Колтуном для его книг "Мир физики", "Мир химии", "Солнце и человечество" – "научно-художественная литература". По всей видимости, общение и совместная работа с этим замечательным ученым и всесторонне образованным человеком в последние годы его трагически оборвавшейся жизни впоследствии подтолкнули меня к началу работы над книгой. Фактически эта книга является попыткой "проникновения" в жанр, окрытый для меня книгами Марка Колтуна.

Большое спасибо – всем друзьям и коллегам, помогавшим мне на разных этапах сбора материала и подготовки рукописи. Это Ю.Войтеховский (Аппатиты), А.Вуль (Санкт-Петербург), Г.Гухман (Москва), Ю.Казанцева (Базель, Швейцария; Москва), Н.Ф.Колесник (Запорожье, Украина), М.Корнилов (Киев, Украина), Г.Михайлов (Москва), Ф.Нагель (Базель, Швейцария), А.Первушин (Санкт-Петербург), О.Прилуцкий (Сдерот, Израиль), В.Пырков (Ростов-на-Дону), Б.Страумал (Москва), А.Тихонов (Женева, Швейцария), Н.Чанишвили (Тбилиси, Грузия), Б.Чертов (Москва), А.Штерн (Беер-Шева, Израиль), Е.Шухман (Оренбург), Ю.Эстрин (Клаустхаль, Германия). И, наконец, эта книга не могла быть написана без постоянной помощи, поддержки и либерального толкования моих домашних обязанностей со стороны моей жены Гали.

Открытка от Осавы

В 1994 г., работая в Москве в лаборатории физики полупроводников ГИРЕДМЕТа, по предложению профессора Марка Колтуна я начал исследовать структуру, оптические и электрические свойства присланных из Израиля кристаллов и тонких пленок фуллеренов – новой аллотропной модификации углерода. Весной 1995 г. я приехал в Израиль, чтобы вместе с Марком Михайловичем работать в Центре солнечной энергии университета Бен-Гуриона, где по инициативе его директора профессора Давида Файмана были начаты работы по получению таких материалов и солнечных элементов на их основе. Собственно говоря, этой тематикой я занимаюсь по сей день.

В 1997 г. мы опубликовали несколько статей в журнале "Fullerene Science and Technology". Через некоторое время я получил открытку от профессора Осавы из Технологического университета японского города Тойохаши с просьбой прислать оттиски этих статей. Я довольно быстро отправил оттиски, поблагодарив моего корреспондента за интерес к нашей работе и попросив, в свою очередь, прислать оттиски его статей в этой области, если таковые имеются. Вскоре я эти оттиски получил. Среди них была копия интервью об истории открытия фуллеренов в журнале "The Chemical Intelligencer".

Только прочитав это интервью, я понял, что мой корреспондент – не кто иной, как тот самый Эйдзи Осава, теоретически предсказавший стабильность молекулы С₆₀ за 15 лет до ее экспериментального открытия. В 1997 г. он уже был признанным авторитетом в науке о фуллеренах, главным редактором этого самого журнала "Fullerene Science and Technology". Последний факт особенно удивил меня. Зачем редактору журнала запрашивать оттиск статьи, опубликованной в своем же журнале? Я усиленно, но безуспешно пытался прогнать мысль, что он-де ищет повода со мной познакомиться, например, заинтересован в совместном проекте. С этой, мягко говоря, задней мыслью, я написал еще одно письмо Осаве. Поблагодарив за присланные оттиски я, как бы, между делом задал "мучивший" меня вопрос: зачем редактору журнала оттиск статьи в его же журнале? Ответ обескуражил меня, начисто разрушив все мои амбиции. "Честно говоря, – писал Осава – я коллекционирую все статьи о фуллеренах, и мой компьютер автоматически запрашивает любую статью, опубликованную на эту тему".

Впоследствии я не раз встречался с профессором Осавой. Он предложил нам работу над совместным проектом. По ряду ненаучных причин работы эти, к моему большому сожалению, так и не начались. Надеюсь, что пока не начались. Но главное – интервью, присланное тогда Осавой, инициировало мой интерес к истории открытия фуллеренов. Вернее, из этого интервью я впервые понял, что у открытия фуллеренов уже есть своя история, достаточно долгая, а главное – настолько интересная, что на мой, конечно, не беспристрастный взгляд, она не уступает по увлекательности и детективному роману. Начав интересоваться этой историей, я понял и другое: данное открытие являет собой яркий пример взаимопроникновения различных наук.

В этой книге мы не раз будем обсуждать вопросы, на первый взгляд, далекие друг от друга: проблемы молекулярной физики и электроники, физики твердого тела и геологии, неорганической и органической химии, геометрии, астрономии и даже биологии.

Когда я думаю об этом сплетении различных областей знания в фуллереновом клубке, почему-то приходят на ум слова поэта, сказанные по другому, но не менее волнующему поводу: "Сплетенье рук, сплетенье ног, судьбы сплетенье... " Или еще: "И здесь кончается искусство, и дышат почва и судьба". Точнее не скажешь, надо только заменить слово "искусство" на слово "наука".

Мне очень близка мысль не только о взаимосвязи различных отраслей науки, но и о неразрывности, равнозначности (не путать с однозначностью, одинаковостью) понятий "наука" и "искусство" как различных способов познания мира, двух основных составляющих единого целого – культуры. Я попытаюсь в этой книжке привести примеры и этой взаимосвязи.

Как бы то ни было, а дыханье "почвы и судьбы" в нашей истории безусловно ощутимо.

Но перед тем, как непосредственно перейти к обсуждению структуры фуллеренов и "родословной" их открытия, мы обязаны остановиться на особенностях химии углерода. Это поможет нам впоследствии понять место фуллереноподобных наноструктур в разнообразном ряду аллотропных модификаций углерода.

Именно химии углерода и необычайному многообразию его аллотропных форм и химических соединений будет посвящена следующая глава. Поэтому она, как никакая другая в этой книге, будет насыщена определениями физико-химических понятий и химических соединений. Однако по мере их обсуждения мы постараемся вкратце поговорить и об истории их открытий и об ученых-первооткрывателях.

Об авторе

Кац Евгений Адольфович

Профессор Университета им. Бен-Гуриона в Негеве (Израиль), автор более 200 научных работ по широкому спектру физических и материаловедческих проблем солнечной энергетики и, в частности, фотоэлектрическим свойствам наноматериалов, а также множества научно-популярных статей, посвященных фуллереноподобным структурам в углеродных наноматериалах, живых организмах и архитектуре.