Вести из лабораторий
Углеродное кольцо
Чем отличается сверкающий алмаз в дорогой оправе от графитового грифеля простого карандаша? Ценой, прочностью, цветом — да практически всем! Но есть у этих двух абсолютно разных материалов и кое-что общее: и алмаз и графит — всего лишь разные формы одного и того же химического элемента. Оба материала состоят только из атомов углерода, а разительные отличия в свойствах веществ возникают из-за разного способа соединения атомов между собой.
Графит можно превратить в алмаз, как, впрочем, и наоборот. Но есть ли ещё варианты существования углерода, что называется, в чистом виде? Да, и такие формы известны уже сравнительно давно: углеродные нанотрубки, фуллерены и графен. Все эти структуры — вариации на тему плоских графитовых слоёв. Графен — это слой из атомов углерода в его самом простом виде. Нанотрубка, как следует из названия, представляет собой очень маленькую трубку, свёрнутую из графена. А фуллерен — «мячик» из атомов углерода. Но вот что химикам долго не удавалось, так это сделать из атомов углерода кольца.
Здесь стоит подчеркнуть разницу между молекулами, в которых к цепочке из атомов углерода присоединены атомы других элементов, и теми, где, кроме атомов углерода, нет никаких других. Среди первых есть самые разнообразные формы и структуры (собственно, на них построена жизнь). Но если в нашем химическом конструкторе, кроме атомов углерода, не будет никаких других, то число реально существующих моделей сократится на порядки. На бумаге можно нарисовать разные структуры и цепочки (что мы, собственно, делаем на уроках органической химии), но в реальности такие конструкции оказываются неустойчивыми.
И вот недавно химики из Оксфордского университета и исследовательского центра IBM сообщили о первом успешном синтезе молекулы, содержащей восемнадцать атомов углерода, объединённых в кольцо. Здесь нет никакой ошибки, они получили именно молекулу — в единственном экземпляре. Однако этот синтез очень сильно отличался от привычных химических опытов. Сначала исследователи взяли молекулу, в которой уже содержался прообраз будущего углеродного кольца, но оно было стабилизировано своеобразными «скрепками», которые не давали ему развалиться. Полученную заготовку разместили на специально подготовленной подложке, после чего при низкой температуре и низком давлении с помощью атомно-силового микроскопа от этой молекулы последовательно отделили те самые скрепки, оставив одно углеродное кольцо, состоящее из восемнадцати атомов. Что самое удивительное, молекула не распалась и осталась «лежать» на подложке.
Исследователей больше всего интересовал вопрос, как устроены связи между атомами углерода в кольце. Представим, что у углерода есть четыре «руки» — они будут символизировать четыре химические связи. Когда такие четырёхрукие атомы находятся в кольце, у них есть два варианта, как держаться друг за друга. Первый вариант — когда каждый атом держит соседа слева и справа двумя руками. В таком случае все связи в кольце будут одинаковыми и по длине и по прочности. В другом варианте атом углерода может держать соседа слева одной рукой, а соседа справа — всеми оставшимися тремя руками. Тогда в кольце будут чередоваться одинарные связи и тройные. Вот именно второй вариант и подтвердился на практике для углеродного кольца из восемнадцати атомов.
Что может быть полезного в этом необычном веществе, если, чтобы получить только одну его молекулу, нужно затратить такие огромные усилия? Исследователи предполагают, что у подобных систем могут быть свойства полупроводников и, вполне возможно, в будущем им найдут применение. К тому же эта работа открывает целое новое направление в синтезе углеродных соединений.