Открытие Бакминстера: Как Баккеболлы изменили мир

Краткие факты

Веха: Открытие и описание «баккеболлов»
Дата: 14 ноября 1985
Где: Университет Райса, Хьюстон, Техас
Кто: Гарри Кроато, Ричард Смолли и Роберт Кирл

В течение напряжённых 10 дней в 1985 году учёные задумались о новой молекуле идеальной симметрии и назвали её в честь одного из самых известных изобретателей и футуристов XX века.

Поиск начался в 1970-х годах, когда Гарри Кроато, химик-лаборант в Университете Суссекса в Великобритании, задумался над открытием примordial soup органических молекул в «огромных тёмных облаках, которые находятся между звёздами», как он упомянул в своей речи на вручении Нобелевской премии.

Но данные, полученные с помощью радио и света из этого межзвёздного среды, показывали, что там должно быть намного больше длинных углеродных цепей, чем предполагали тогдашние астрофизические теории молекулярного синтеза. Учёные начали задаваться вопросом, могут ли остывающие красные гиганты заполнять межзвёздное пространство этими углеродными цепями длиной от шести до восьми атомов.

У Кроато настал момент прозорливости, когда он посетил лаборатории Университета Райса, где работали химики Роберт Кюль и Ричард Смолли. Смолли обладал специальным прибором, в котором лазерный луч испарял атомы на поверхности металлического диска и затем собирал их в облаке гелия для охлаждения, после чего анализировал их состав с помощью другого лазера.

Кроато задумался, смогут ли они смоделировать внешние оболочки остывающих красных гигантов, заменив металлический диск на графитовый – форму углерода. В течение первых десяти дней сентября команда, в которую входили также аспиранты Шон О’Брайен и Джим Хит, произвела углеродные цепи, которые поддерживали гипотезу о красных гигантах.

Однако появились неожиданные «незваные гости»: странные формы углерода, состоящие из 60 атомов углерода, и меньшая концентрация еще более крупного побочного продукта, состоящего из 70 углеродных атомов. Эти «гости», как их назвал Кроато, были впервые обнаружены в эксперименте Exxon Corporate Research Science Laboratory в Нью-Джерси около года назад, но никто не обратил особого внимания на их результаты.

После многодневной работы 9 сентября команде удалось прийти к выводу о структуре новой молекулы. «C60 казалось довольно непроницаемым, что сложно согласовать с плоской гексагональной структурой графена — первой мыслью», — сказал Кроато. В теории плоский графен имел бы много висячих связей, которые сделали бы его более реакцией способным.

На протяжении многих дней учёные работали с зубочистками и желейными конфетами, бумажными вырезками гексагонов и пентагонов, и другими «низкотехнологичными» моделями, пытаясь определить структуру этой молекулы из 60 атомов углерода.

Кроато вспомнил о выставке Экспо 1967 года в Монреале, где футурист и изобретатель Бакминстер Фуллер демонстрировал геодезический купол — сферическую конструкцию с сетью треугольников на поверхности. Смолли зашёл в свой офис, чтобы взять книгу с работами Фуллера, и они определили предполагаемую структуру.

В результате была получена соединение, называемое бакминстер-фуллереном, — молекула удивительной симметрии. Статья, описывающая новую молекулу, была опубликована 14 ноября 1985 года в журнале Nature, и её вскоре стали звать «баккеболлы».

В последующие годы команда изучала свойства класса закрытых молекул, называемых фуллеренами. К 1990 году учёные выяснили, что можно производить множество баккеболлов, создавая электрическую дугу между двумя кусками углерода.

Гарри Кроато, Ричард Смолли и Роберт Кирл стали лауреатами Нобелевской премии по химии 1996 года за своё открытие и характеристику баккеболлов.

Фуллерены как класс оказались весьма полезными, а их химические родственники — нано-трубки — обладают отличной прочностью и высокой теплопроводностью и электропроводностью. Эти нано-трубки стали важными для атомно-силовых микроскопов, батарей, покрытий и биосенсоров. Однако хотя учёные предложили использовать баккеболлы в таких сферах, как квантовые вычисления и доставка лекарств, им пока не удаётся найти своё место в основных приложениях.

Дальнейшее исследование: Границы возможностей

Несмотря на все вышеперечисленные достижения, путь к интеграции баккеболлов в крупномасштабные приложения остаётся сложным. Исследователи продолжают искать новые области применения, и ожидания высоки. Например, использование баккеболлов в медицине для целевой доставки лекарств может значительно повысить эффективность лечения.

Разработка новых методов синтеза и модификации этих молекул открывает новые горизонты. Баккеболлы и фуллерены, возможно, станут основой будущих технологий в области наноэлектроники и биомедицинских устройств, предлагая множество перспектив для дальнейших научных открытий.