Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Земли и Воздуха недостаточно. Общество требует изобилия всевозможных материальных благ: еды и одежды, домов и фабрик, машин и самолетов, телевизоров и смартфонов. Нам нужны вещи, и отнюдь не только самые необходимые: мощные спортивные двигатели, изысканное вино, удобные стулья, упругие бамперы, мягкое нижнее белье, надежные компьютеры, вкусные кексы, прочные рюкзаки, легкие кроссовки, разноцветные воздушные шары, поляризационные солнечные очки, пушистые подушки и добротные матрацы. Привередливые потребители требуют новинок: застежек-липучек, пластырей Band-Aid, самоклеящейся бумаги для заметок, суперклея, жидких гаечных ключей, гигиенического бальзама для губ ChapStick, тефлона, жевательных Мишек Гамми — все это продукты изобретательной углеродной химии.

Чтобы создать вещество, вам потребуются атомы в различных трехмерных комбинациях: комковатые массы, гибкие пластины, тонкие волокна и разветвляющиеся массивы. Вам понадобятся молекулы всех мыслимых размеров и форм: цепочки из атомов, кольца из атомов, крепкие блоки из атомов и полые цилиндры из атомов. Наше общество создает материалы со всевозможными полезными свойствами, какие только можно себе представить: шелковистые, упругие, прозрачные, душистые, поглощающие, разноцветные, изолирующие, абразивные, водоотталкивающие, непрозрачные, липкие, биоразлагаемые, защищающие от ультрафиолета, пряные, магнитные, легковоспламеняющиеся, плотные, ломкие, тепло- и электропроводные, сладкие и соленые, мягкие и безопасные.

Постоянно расширяющийся спектр общественных нужд и желаний создает бесконечный спрос на столь же разнообразные атомные структуры. Каждый материал нужно детально спроектировать, тщательно подогнать на атомном уровне для выполнения его специфической роли, поскольку основной принцип химической науки заключается в том, что свойства любого материала зависят от его атомов — от характерного для этого материала набора атомов, а также от того, как они связаны между собой.

В соединениях с другими атомами ни один химический элемент не играет свою роль лучше, чем углерод, химия которого столь неизмеримо богата, что для обозначения специальности ученых, посвящающих свою деятельность изучению углерода, придумали имя собирательное — химики-органики. Их международное сообщество насчитывает более миллиона членов-исследователей. Иными словами, химиков-органиков — специалистов, которые всю жизнь играют с углеродом, — намного больше, чем всех других ученых-химиков.

Правила электронов

Правила — особенно те, что основаны на числах, — часто кажутся спорными. Например, в спорте. В американском футболе было время (в 1880-е гг.), когда за филд-гол давали пять очков, а за тачдаун — только четыре{121}. Тачдаун «повысили» до пяти очков в 1897 г., филд-гол «понизили» до четырех в 1904-м, а затем до ставших сегодня привычными трех — в 1909 г. Тачдаун снова изменили уже на нынешнее его значение в шесть очков в 1912 г. За минувшее столетие похожие изменения претерпевали правила безопасности, а также дополнительные одно и два очка после тачдауна. В исторической перспективе правила начисления очков в американском футболе производят впечатление более чем замысловатых и преходящих, причем они неизбежно подвергнутся дополнительным корректировкам в будущем.

Химия тоже своего рода игра, в которой игроками являются атомы, исполняющие древний танец химических связей, где счет определяют электроны. Вот, навскидку: вы атом-победитель, если у вас в итоге оказывается 2, 10, 18 или 36 электронов. Почему именно эти значения? И что они — тоже спорные? А будут ли они такими же во вселенных, параллельных нашей? Физики придумывают замысловатые объяснения этим магическим числам. Это просто правила игры, но в данном случае правила встроены в саму ткань нашего космоса.

Некоторые атомы уже рождены счастливыми — как раз с двумя (элемент гелий), десятью (неон), 18 (аргон) или 36 (криптон) электронами. Эти особенные атомы ведут жизнь изолированных, свободно фланирующих индивидуалистов — инертных газов-отшельников, поскольку им нет нужды полагаться на какие-либо другие атомы, чтобы набрать победное число электронов. Другие атомы немного промахиваются мимо магического числа. Натрий — 11-й элемент — изначально владеет 11 положительно заряженными протонами и 11 отрицательно заряженными электронами, но он с готовностью отдает один электрон и становится катионом натрия. Хлор — со своими 17 протонами и 17 электронами — с той же готовностью забирает этот нежелательный электрон у натрия и становится анионом хлора. Положительные ионы натрия притягивают отрицательные ионы хлора, чтобы, соединившись, создать восхитительные изящные кубики кристаллов поваренной соли — хлорида натрия.

В Периодической таблице много элементов-неметаллов, подобных хлору или кислороду (у которого восемь электронов, т.е. ему недостает двух до магических десяти), жаждущих отхватить себе электрон-другой у «перегруженных» электронами металлов вроде натрия или магния (у которого 12 электронов). Большинство элементов Периодической таблицы перенимают эту стратегию отдачи или захвата электронов, чтобы победить в игре связей. И это хорошо. Если бы все атомы были одинаково счастливы со своим исходным количеством электронов, то не было бы причины присоединять их или делиться ими, оказалось бы невозможным образование химических связей и мы бы никогда не пришли к нашему буйному разнообразию материального существования.

В этом мире взаимовыгодного бартера электронов и (обычно дружеских) слияний углерод занимает уникальное место, будучи элементом №6, т.е. находясь в середине периода на полпути между магическими двумя и десятью электронами. Подобно уставшему пловцу на озере, который оказался на равном расстоянии от двух берегов, углерод просто не «знает», что ему делать. Должен ли он устремиться в одну сторону и искать еще четыре электрона, чтобы обладать магическими десятью? Или ему следует направиться в прямо противоположном направлении и отдать четыре электрона, чтобы в итоге у него оказались магические два?

Эта неоднозначность дает углероду преимущество для образования связей, неизвестное большинству других элементов. В отличие от натрия, который неизменно отдает один электрон, или хлора, который столь же охотно хватает этот дополнительный электрон в борьбе за атомное счастье, шестой элемент наслаждается сразу многими контрастными химическими ролями — то забирает, то отдает, то делится электронами во взаимодействиях, которые ведут к образованию намного большего веера химических соединений, чем у всех остальных ста с лишним элементов, вместе взятых. Поэтому углерод способен создавать как самые твердые из всех известных материалов, так и самые мягкие, как самые яркие и разнообразные цвета, так и самый черный из наичернейших, как самые скользкие смазки, так и самые липкие клеи.

Горючий углерод{122}

Нам нужны материалы, но, чтобы их создать, требуется много энергии. Зачастую эта энергия приходит от тепла сжигаемого углеродного топлива. Мы везунчики, поскольку у Земли богатые запасы маленьких горючих углеродсодержащих молекул — углеводородного топлива, куда входят уголь, нефть и природный газ. Углеводороды, эти несложные продукты органической химии, встречающиеся повсеместно на Земле и в космосе, представляют собой молекулы, каждая из которых создана из прочного скелета соединенных атомов углерода и декорирована оторочкой из атомов водорода. В природном газе, или метане, — простейшем углеводороде — один атом углерода окружен пирамидой из четырех атомов водорода. Вклад углерода — шесть электронов, каждый из атомов водорода добавляет еще по одному для магической суммы в десять электронов.

Когда друг с другом соединяются два атома углерода, окруженные шестью атомами водорода по периферии, появляется новое соединение — топливо под названием этан. В этой простой горючей молекуле оба атома углерода используют свои электроны совместно с четырьмя соседями, в итоге каждый атом углерода наслаждается десятью электронами, а в то же время каждый атом водорода получает желаемое дополнение для обладания двумя электронами. В этане все атомы довольны.

Давайте продолжим строить: три подряд атома углерода обеспечивают скелет для пропана — распространенного в сельской местности топлива, которое хранится в больших белых цистернах. В пропане небольшой ряд из трех атомов углерода окружен восемью атомами водорода.

Если атомов углерода — четыре, то появляется кое-что новенькое: эти четыре атома имеют возможность выстраиваться двумя разными способами в виде двух изомеров. Четыре атома углерода бутана могут образовывать аккуратный коротенький ряд (это бутан-топливо, оно используется в большинстве одноразовых зажигалок), или же они формируют Т-образную молекулу — изобутан, который находит повседневное применение в качестве безопасного хладагента. Пентан с пятью атомами углерода и 12 атомами водорода умеет формировать цепочку из пяти углеродных атомов, цепочку из четырех атомов с одной боковой ветвью, а также симметричный крест. У октана, компонента бензина из восьми атомов углерода, существуют 18 замечательных изомеров с различной топологией (один изомер, «основа» октанового числа бензина, имеет цепочку из пяти атомов углерода с тремя небольшими ответвлениями). Парафины развивают эту тему, гордясь углеводородной цепочкой, в которой от 20 до 40[33] атомов углерода — чем их в цепочке больше, тем выше точка плавления.

С пятью или более атомами углерода у вещества возникают новые возможности: эти атомы способны кружиться в хороводе элегантных кольцеподобных молекул{123}. Бензол, некогда используемый в качестве промышленного чистящего средства, ныне же известный как опасный канцероген, образует кольцо из шести углеродных атомов с отходящими от него подобно спицам в колесе шестью атомами водорода. Иногда кольца углерода сцеплены вместе — этот рисунок обнаруживается в большинстве частиц черной сажи. Нафталин, наиболее широко известный полициклический углеводород, соединяет в пару два таких кольца. У антрацена, распространенного компонента черного дыма, образующегося при сгорании древесного угля и дымлении дизеля, в молекуле прямая линия из трех связанных гексагональных колец, а пирен, еще один компонент сажи, представляет собой плотный кластер из четырех колец.

Иногда молекулы образуют изящные конструкции с причудливыми комбинациями цепочек, ветвей и колец — подобные структуры наблюдаются во многих жизненно важных молекулах от стероидов и витаминов до кирпичиков генетических молекул ДНК и РНК. Эти основанные на углероде молекулы могут расти все дальше и дальше, образуя десятки пяти- и шестичленных колец, связывающихся в цепи, другие кольца и кластеры. На самом деле разнообразию углеводородных молекул буквально нет конца, и более того, большинство из них горят.

Уголь, нефть и природный газ — все они изначально образуются из углеводородов. Эти ископаемые виды топлива преобразили человеческое общество и, к счастью или несчастью, продолжают оставаться нашими самыми дешевыми и самыми распространенными источниками химической энергии. Не так уж много планет помимо Земли, где углеводородные молекулы оказались способны создать хоть паршивенькое горючее. Поверхность гигантского холодного Титана (спутника Сатурна) подвергается воздействию углеводородных дождей, которые бомбардируют ее в периоды мощных циклонов{124}. Реки Титана и его огромные озера наполнены метаном и этаном. Вам удалось бы проплыть на лодке по метановым озерам Титана, но, если бы вы захотели зажечь там спичку (чего вы не смогли бы сделать, потому что там нет кислорода, порождающего огонь), ничего бы не случилось. Из-за отсутствия химического окислителя в атмосфере Титана углеводородный дождь просто погасил бы любое пламя.

Основной отличительный признак Земли — обилие атмосферного кислорода, угрожающе химически активного побочного продукта фотосинтеза. Кислород — элемент, исключительно жадный на электроны. В противоположность любой другой планете или ее спутнику в нашей Солнечной системе, если зажечь спичку здесь, на Земле, поблизости от летучих углеводородов, таких как природный газ, возникнут драматические и опасные последствия. В бурной взрывной окислительно-восстановительной химической реакции молекулы углеводородов стремятся отдавать электроны, вступая в контакт с кислородом, чтобы образовать два знакомых простых вещества: углекислый газ и воду. При этих быстро «вспыхивающих» химических реакциях вырабатывается много тепла и света — парадокс пламени как «хорошего слуги», но «плохого хозяина»[34]. Тысячи лет люди жили с одновременными существенными преимуществами и повсеместной опасностью открытого огня.

Тепло — это ключ к созданию новых материалов, а ископаемые виды топлива — жизненно важный источник преобразующего тепла. Большинство углеводородных видов топлива горят при высоких температурах — близких к 2000 °C, если речь идет о природном газе в конфорке вашей кухонной плиты или о бутане в вашей зажигалке (ваша индейка на День благодарения, напротив, печется в духовке при жалких 200 °C). Некоторые специфические задачи, такие как сварка и обрезка металла, требуют гораздо более горячего пламени в 3300 °C, которое вырабатывается кислородно-ацетиленовой горелкой. Тем не менее насыщенные углеродом ископаемые виды топлива мы извлекаем из земли не только ради их горения, но и для создания из них различных материалов. Уголь, нефть, битуминозные пески и природный газ часто являются исходным сырьем для изготовления большинства вещей, окружающих нас в повседневной жизни.

Такой разный углерод

Углеводороды населяют лишь крошечную область в обширном царстве органической химии. Земля производит миллионы разных видов богатых углеродом молекул, но на чем основано такое изобилие? Ответ лежит в уникальной способности углерода соединяться со многими химическими элементами — десятками разных обитателей Периодической таблицы, в том числе с самим собой. Большинство углеродных соединений в вашем теле содержат кислород. Азот, сера и фосфор также типичные компоненты самых важных кирпичиков жизни. Углерод с готовностью соединяется с металлами, такими как железо, титан и вольфрам, чтобы стать материалом для изготовления прочных твердосплавных деталей машин и абразивов, а также с неметаллами вроде фтора и хлора.

Получающиеся в результате углеродсодержащие химические вещества обеспечивают основу современной промышленности, которая базируется на углеводородах как наиболее существенном сырье. И здесь мы приходим к важному осознанию: рано или поздно нам придется прекратить сжигать уголь и нефть. Можно упомянуть окружающую среду, если хотите, — и будьте уверены, беспокойство по поводу воздействия на нее горящих ископаемых видов топлива вполне обоснованно, — но сущая правда заключается в том, что углерод-углеродные соединения в угле и нефти в конечном счете станут слишком ценными, чтобы их спалить. Эти вездесущие связи между атомами углерода — самая главная химическая характеристика нашего материального мира. Они лежат в основе почти каждого продукта, который мы потребляем в повседневной жизни. Наша планета обеспечила нас многими альтернативными видами энергии: в изобилии присутствуют солнечный свет, непрекращающиеся ветры, возобновляемые виды биотоплива, бьющиеся о берег волны, неистощимое геотермальное тепло и полные сил ядерные реакции радиоактивного урана. А виды топлива, основанные на углероде, напротив, представляют собой незаменимое сырье для нашего процветающего материального мира.

Горячие

Огонь, круто! Огонь — это ключ к переработке угля и нефти, которые сами по себе не более чем богатые остатки погребенной жизни, высушенные и сжатые в сложные смеси бесчисленных тысяч различных молекул{125}. Большинство молекулярных компонентов — невелики по размеру, это знакомые нам горючие углеводороды: метан, этан, пропан, октан. Другие — крупные сложные молекулы, которые могут похвастаться десятками атомов углерода в соединении с кислородом, азотом, серой и другими элементами.

Суть переработки заключается в нагревании этого зловонного черного химического рагу в высоком сегментированном цилиндре, который гораздо горячее снизу, чем сверху. Вы замечаете эти бросающиеся в глаза ректификационные колонны каждый раз, когда проезжаете мимо химических предприятий, ощетинившихся рядами металлических труб, часть которых пылает сверху — это сжигаются небольшие излишки метана, т.е. то количество природного газа, которое инженеры-химики считают слишком скудным для получения прибыли. В каждой из этих башен проходят многочисленные этапы химического процесса сепарации.

Когда смесь ингредиентов в колонне нагревают, каждый молекулярный компонент достигает своей точки кипения на разной высоте. На следующих один за другим уровнях из колонны выступает сложная система труб — каждая труба «извлекает» и собирает свой продукт, таким образом дистиллируя разнородную черную жидкость поэтапно. Меньшие молекулы обычно кипят при более низких температурах, поэтому они собираются в верхней части колонны — пропан и бутан поблизости от наиболее холодной верхней ее оконечности, бензин и керосин — в середине колонны, а плотный тягучий жидкий асфальт и парафины сливают с более горячего ее дна. Нефтеперегонные заводы соединяют ректификационные колонны в тщательно продуманном химическом танце, где каждая колонна выполняет отдельный этап основной задачи отбора и концентрации важных органических химических веществ.

После того как все эти разнообразные углеродсодержащие молекулы проходят перегонку и очистку, к ним применяется множество химических трюков для получения новых соединений: различные химические вещества сливают в большие чаны и реторты, перемешивают, сжимают, добавляют необходимые реактивы, возможно, даже щепотку катализатора, а затем «варят» при нужной температуре. Разные рецепты складываются в целые кулинарные книги, полные предложений полезных синтетических блюд.

Для современной жизни крайне важны из них полимеры — пластики под названиями ПЭТФ и ПВХ, синтетические волокна нейлон и вискоза, краски, клеи, резина и сотни других химических продуктов, которые играют самые разнообразные роли в нашей повседневности.

Все эти материалы содержат бесчисленные небольшие молекулы, связанные друг с другом и формирующие длинные цепи с углеродными «хребтами». Жизнь тоже научилась этим химическим приемам: кожа, волосы, мышцы, сухожилия и связки — все это биополимеры. То же верно для листьев и стеблей, корней и древесины, волокон водорослей и нитей паутины. А ловкие химические манипуляции добавляют в копилку мириады углеродсодержащих соединений, таких как воск и резина, жиры и растительное масло, смазки и клеи, косметика и лекарства.

Взгляните на упаковку ваших любимых снеков. Все, что мы едим, содержит множество углеродсодержащих молекул: среди них аминокислоты — структурные элементы белков; липиды — компоненты жиров и растительных масел; углеводороды, куда входят сахара, крахмал и пищевые волокна. Углерод обеспечивает нам шипение газированной воды и алкогольное опьянение от выпивки.

Давайте исследуем некоторые свойства углеродных соединений, которые делают их такими важными для повседневной жизни.

Холодные

Химия углерода, которая предлагает нам самое жаркое пламя, также является самым эффективным портативным источником холода. Углекислый газ CO₂ сублимируется при -78,5 °C, превращаясь в бесцветное твердое вещество, уже упоминавшийся сухой лед. Этот лед называется сухим из-за своего необычного свойства превращаться из твердого тела сразу в газ. В отличие от воды, у углекислого газа нет жидкой фазы, по крайней мере при атмосферном давлении. Так что вам не удастся перелить холодный углекислый газ из одного контейнера в другой, но вы можете переносить его в виде удобных замороженных кубиков.

Сухой лед достаточно широко применяется, в основном в пищевой промышленности. Холодильник даже не нужен — чтобы замораживать пищу, газировать напитки, делать мороженое и перевозить скоропортящиеся продукты, вы можете использовать CO₂. Замороженный углекислый газ находит оригинальное применение и в борьбе с насекомыми, потому что ледяной CO₂ привлекает комаров и постельных клопов, они собираются вокруг кусочка сухого льда и замерзают до смерти. Водопроводчики используют переносные упаковки сухого льда, чтобы обкладывать медные трубы, таким образом создавая пробки из замерзшей воды, когда нет запорного клапана. Врачи замораживают и удаляют бородавки, специалисты по охране окружающей среды замораживают и ликвидируют утечки нефти, пожарные используют гранулы сухого льда и огнетушители на углекислом газе, чтобы бороться с пожарами, одновременно охлаждая и подавляя пламя.

Замороженный углекислый газ также играет свою уникальную роль во время сценических шоу, порождая таинственную пелену. Бросьте кусочки сухого льда в воду, и вы создадите плотный, стелящийся по земле туман, идеальный для зловещих ночных эффектов. Чего зрители не видят, так это каким промозглым может быть подобное явление, когда холодный сублимирующийся CO₂ понижает значение точки росы и насыщает более плотный холодный воздух водяным паром. Я помню, как однажды играл в небольшом оркестре во время такого шоу, когда слишком сильный эффект сухого льда вызвал обильный туман, который перелился через край сцены и быстро заполнил оркестровую яму. Какое-то время мы играли буквально вслепую. Липкий насыщенный влагой воздух конденсировался на всем, оставляя скользкий мокрый след на полу, стульях, пюпитрах и инструментах.

Клейкие

Свойства материалов зависят от составляющих их атомов и того, как они соединяются друг с другом. Возьмем, например, клей. Признак хорошего клея — прилипание практически ко всему. На уровне атомов — большинство свойств материала берет начало именно здесь — прилипание заключается в сильном притяжении положительных и отрицательных электрических зарядов. Молекулы клея должны иметь необычайно сильные поверхностные заряды, зачастую реализуемые сильным отрицательным электростатическим зарядом гидроксильных групп OH^-, которые соединяются с атомами углерода. Когда у углеродсодержащей молекулы много выступающих наружу гидроксильных групп, то они могут вызвать аналогичной силы положительный заряд почти на любой поверхности. Положительное притягивает отрицательное, и — вуаля! — молекулы прилипают.

Природа полна липкости, а липкие вещества неизменно имеют у себя углеродную основу{126}. Гекконы взбираются на стены с помощью лап, покрытых гидроксильной группой. Венерины мухоловки выделяют липкую, покрытую гидроксилом слизь, на которую ловятся насекомые. Мидии и усоногие раки прикрепляются к корпусу кораблей во многом таким же образом, что обходится корабельным компаниям в целое состояние из-за ежегодной чистки, не говоря уже о потерянном времени простаивания в порту дорогостоящих судов. Каждый год для морских судов выпускаются новые краски с противодействующими налипанию молекулярными составами, которые ограничивают, но никогда не могут полностью устранить эти электростатические фокусы.

Клейкость — это большой бизнес. Клеевая промышленность ежегодно подпитывает своей продукцией многомиллиардный рынок, на котором потребителями выступают производители самолетов и автомобилей, строительные компании, розничные торговцы в интернете и медицинские работники. Высокотехнологичные клеи и герметики сейчас заменяют металлическую сварку, таким образом ускоряя строительство и уменьшая вес конструкций и опор. Они удерживают на месте окна небоскребов и лобовое стекло вашей машины. Покупатели полагаются на клейкие вещества в таких продуктах, как одноразовые подгузники, зубные протезы, лейкопластырь Band-Aid, средства защиты органов слуха, почтовые марки, конверты и клеящиеся листочки Post-it, а также в решении десятков повседневных задач — от упаковки подарков ко дню рождения до склеивания сломанной мебели.

Суперклей как нельзя лучше отражает причудливую природу открытий в мире клеящих веществ{127}. Химик-органик Гарри Кувер-мл. и группа исследователей из компании Goodrich наткнулись на первый из семейства суперклеев — небольшую углеродсодержащую молекулу, которую назвали «цианоакрилат», в 1942 г. в ходе работ для нужд фронта. Они пытались разработать улучшенный прицел из прозрачной пластмассы; цианоакрилат, который прилипал ко всему, чего касался, сразу же отвергли.

Промотаем вперед, до 1951 г. В этом году Кувер перешел в компанию Eastman Kodak и, работая с химиком Фредом Джойнером, осознал, что суперлипкий цианоакрилат может оказаться ценным клеем. Компания Kodak согласилась с ним, и первый суперклей поступил в продажу в 1958 г. под названием Eastman #910. Вскоре появились многочисленные разновидности и конкурирующие бренды; все они, однако, были основаны на свойстве молекул цианоакрилата оставаться в жидкой форме, пока хранятся в запечатанном контейнере, но крепко объединяться при соприкосновении с водой или влагой атмосферы.

Нетоксичные суперклеи, с их способностью прилипать ко многим видам поверхностей и затвердевать в разных средах, нашли десятки новых способов применения помимо всем знакомой починки сломанных предметов или соединения частей. Морские биологи и аквариумисты-любители используют суперклей, чтобы прикреплять фрагменты живых кораллов к скалам. Пары́ суперклея прилипают к жирным пятнам на гладких поверхностях, в результате чего получаются четкие отпечатки пальцев для судебной экспертизы. Также суперклей стал одним из лучших веществ для применения на коже и костях. Его часто используют для обработки и лечения костных мозолей у спортсменов, скалолазов и музыкантов, играющих на струнных инструментах. А врачи и ветеринары используют суперклей для заделывания трещин в костях и закрытия ран, особенно при чрезвычайных ситуациях, когда склеивание быстрее и безопаснее, чем традиционное наложение швов или скоб.

Скользкие

Скользкие молекулы, в противоположность липким, минимизируют свои поверхностные заряды. Без электростатического притяжения молекулы просто плавают друг над другом, как еще не сварившиеся рисинки. Скользкими поверхности становятся из-за воска, жиров и растительных масел, потому что они образованы из молекул углеводорода — атомов углерода, окруженных атомами водорода. Каждый атом в молекуле углеводорода полностью удовлетворен своим магическом числом электронов. Ни один из атомов масла или жира не ищет другие атомы, чтобы с ними соединиться.

У каждого из нас есть свои примеры неудачного скольжения — необратимые мгновения, когда случалось что-то плохое. Я вспоминаю один такой яркий момент из своего музыкального прошлого. Место действия — Театр Сандерса (Кембридж, штат Массачусетс), февраль 1975 г. — третья или четвертая сыгровка нового камерного произведения «А, Джо?» гарвардского профессора композиции Эрла Кима{128}. У этой ужасно сложной пьесы — три части медных духовых и три части струнных (попытайтесь сбалансировать эти инструменты!) плюс голос, который должен был справиться с монотонной декламацией Сэмюэля Беккета. Двенадцать часов репетиций ради 20-минутной пьесы. Мы сидели полукругом: трубач Кен Пуллиг и тромбонист Стэн Шульц слева от меня, невероятно талантливый студент-виолончелист Йо-Йо Ма непосредственно справа от меня, дирижер Ким и солистка-рассказчица Лоис Смит — напротив. Пьеса оказалась сложной, привередливой. Из-за предстоящих выступления и записи репетиции были долгими и напряженными.

Примерно через час репетиции, когда мы проходили все вместе один причудливый пассаж, возможно уже пятый или шестой раз, на сцене раздался оглушительный шум справа от меня. Мы перестали играть. Что произошло?

Затем мы увидели 40-сантиметровый металлический гаечный ключ. Как оказалось, он выскользнул из сальной руки осветителя, который работал высоко над нами на лестнице, прикрепляя прожектор в неудобном положении, — и тут гравитация вкупе с кожным жиром его подвели.

Массивный гаечный ключ приземлился в 15 см правее Йо-Йо. Мы все пребывали в состоянии шока, концентрация была потеряна из-за почти фатального сбоя. Нас в буквальном смысле трясло, и мы не могли продолжать. Репетицию пришлось закончить, поскольку нам напомнили о необратимости случайного очень плохого момента — неизбежности и непредсказуемости смерти. Мы покинули сцену, отголоски пессимистической пьесы Беккета звучали у нас в головах.

Йо-Йо Ма был заметно ошарашен. Дрожащим голосом студент тихо сказал: «Он чуть не задел мою виолончель!»

Новые

Изменение, преобразование и бесконечное разнообразие — вот отличительные черты химии углерода. Рассмотрим графит с его крошечными плоскими треугольниками атомов, которые формируют суперкрепкие атомные слои. Они практически неразрушимы, показывая определенное сходство с тонкими и прочными листами пластика, но связи между соседними слоями слабые, и те с готовностью распадаются. В результате графитовые слои скользят друг по другу так же легко, как разбрасываются дуновением ветра листы бумаги, лежащие стопкой на вашем столе.

Хотя сам графит — один из самых мягких известных нам материалов, его отдельные углеродные слои — в ряду самых крепких и упругих. Но какая польза от одинарного слоя атомов углерода? Как вы можете ухватить и изучить такой наноразмерный материал? Десятилетия назад, задолго до того, как у ученых появился образец, который можно изучать в лаборатории, исследователи размышляли об уникальных электронных и механических свойствах этого загадочного вещества, названного «графен». Способен ли графен способен стать полупроводником, или у него необычные магнитные свойства, или это суперпрочный материал для наноинженерии? Но только в 2004 г. исследователи из Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов совершили прорыв в области использования графена. И каким же было их заслужившее Нобелевскую премию высокотехнологичное решение изолирования отдельных углеродных слоев? Лента-скотч!{129}

Сейчас кто угодно способен отделять друг от друга и изучать слои графена. Начните с симпатичного плоского кристалла графита. Прикрепите кусочек скотча к плоской поверхности, а затем резко оторвите. Скорее всего, удалятся несколько слоев графита, но повторное применение клейкой ленты улучшит результат. В конечном счете останется лишь один атомарный слой. Удалите клейкое вещество, и в вашем распоряжении идеально плоский единичный слой атомов углерода.

Последовавший поток открытий (более 10 000 научных публикаций в год), который продолжает быстро увеличиваться, обещает нам массу революционных технологий{130}. Слои графена прозрачны и крепки, поэтому они могут играть роль микроскопических окон в наноразмерных устройствах, композитов при разработке искусственной кожи и костей, а также материалов для нового поколения ультратонких презервативов. Слои нерастворимы в воде, так что графеновые покрытия способны защитить поверхность растворимых или легко ржавеющих устройств. Интересно, что вода все же в состоянии «намочить» поверхность покрытого графеном объекта, поскольку молекулы H₂O могут взаимодействовать через поры в этом единственном слое атомов углерода. Таким образом, графен помог бы обезопасить широкий спектр датчиков качества воды, датчиков влажности и биологических датчиков.

Возможности для применения графена в электронике не менее интригующи. Полупроводники контролируют электроны, меняя скорость их потока при переключении с одной траектории на другую. Наш современный электронный век полностью зависим от устройств, сделанных в основном из кремниевых полупроводников — диодов, транзисторов и интегральных микросхем. Графен постепенно идет на смену кремнию. Первый графеновый транзистор — основная рабочая лошадка электронного века — был продемонстрирован в 2004 г. Затем быстро последовали новые разработки. В 2008 г. группа немецких исследователей сконструировала графеновый транзистор шириной всего в десять атомов — наименьший из существующих на тот момент и находящийся близко к теоретическому пределу. Вскоре последовали разнообразные интегральные микросхемы, а также крошечные транзисторы с переключением скоростей более быстрым, чем у кремниевых. Мало того, оказалось возможным изготавливать такие устройства с помощью 3D-принтера: они гибкие и способны функционировать даже под водой. Некоторые поклонники графена предсказывают, что вскоре он сможет заменить традиционные кремниевые полупроводники во многих устройствах.

Новые идеи текут полноводной рекой. Графен обладает высочайшей теплопроводностью, поэтому его можно использовать в тех устройствах, где электрические цепи нуждаются в охлаждении. Прозрачность и электропроводность этого материала идеально подходят для гибких сенсорных экранов и дисплеев. Уже изучается возможность других его применений: в топливных элементах, батарейках, высокотехнологичных линзах, сенсорах давления и фильтрах для воды. Новые варианты графена в виде стопок из двух или трех углеродных листов — или «бутербродов», в которых графен чередуется с другими слоистыми материалами, — обладают уникальными свойствами, предоставляющими еще больше возможностей для дальнейших открытий. А одна исследовательская группа даже разрабатывает основанные на графене краски для волос, которые помогут охлаждать голову в летнюю жару{131}.

Полые

Возможно, самая очевидная характеристика графена — его потрясающая прочность на разрыв. Прочность материалов бывает трех видов: «на сжатие» характеризует сопротивление сдавливанию, «на сдвиг» — сопротивление изгибанию, а «на разрыв» — сопротивление растягиванию. Некоторые объекты, скажем столбик кирпичей или штабель пиломатериалов, прочны при сжатии, но проявляют слабость, когда их изгибают или растягивают. Другие предметы, такие как стальная цепь или нейлоновая веревка, — крепкие при растягивании, но не имеют буквально никакой прочности при сжатии или изгибе. Некоторые всем известные композитные материалы вроде железобетона, стекловолокна или фанеры сочетают характеристики двух или более материалов, и это позволяет добиться роста всех трех видов сопротивления.

Плоские листы графена не могут выдержать изгибания и легко складываются, когда их сжимают, но при растяжении графен бесподобен: он в сотни раз прочнее, чем крепчайший стальной провод, и обладает пределом прочности на растяжение вдвое большим, чем алмаз. Причина этих экстремальных характеристик графена лежит в природе связей углерод-углерод. Алмаз, в котором каждый атом углерода делится своими электронами с четырьмя соседями, — наиболее крепкий из известных трехмерных кристаллов. Атомы углерода упакованы в алмазе в такой «тесноте», что наблюдаемая здесь плотность электронов (электроны суть основа химической связи) — самая высокая из известных, выше, чем у любого другого материала на поверхности Земли. Расстояние между соседними атомами углерода составляет всего 0,154 нм, оно гораздо меньше, чем в большинстве других кристаллов. Поэтому алмаз такой жесткий и твердый. Но в слое графена это расстояние еще короче — всего около 0,14 нм. Это потому, что каждый атом углерода делится своей квотой из четырех связывающих электронов только с тремя соседями. Электроны в слоях упакованы даже плотнее, а получающиеся в результате связи еще крепче и короче, чем в алмазе.

Превосходную прочность графена на разрыв можно ловко использовать в углеродной наноинженерии. Листы графена плохо подходят для производства веревок или проводов, но что, если вам удастся свернуть углеродный лист в рулон и сделать из него крошечный полый цилиндр? Тогда у вас получится прочная углеродная нанотрубка{132}. А уж здесь множество вариантов: можно изготовить трубки с разными диаметрами, а также одиночные, двойные или вложенные, состоящие из множества концентрических цилиндров.

Углеродные волокна разных видов были известны и изучались по крайней мере с 1950-х гг., но массовые исследования начались после того, как в 1991 г. японский физик Сумио Иидзима получил множество углеродных нанотрубок, пропустив сильные электрические токи через графит. На основе этого нового надежного метода было написано более 100 000 научных статей и подано порядка 10 000 заявок на получение патента.

Прочность полых углеродных нанотрубок потрясающая: нить диаметром всего 0,1 мм может удерживать более 10 т неподвижного груза. Инженерный потенциал для проектирования легковесных мостов, зданий, самолетов и композитных материалов нового поколения поразителен. Писатели-фантасты воспользовались этой идеей, описывая космические лифты на кабелях из углеродных нанотрубок, которые перевозят людей и грузы на закрепленные на орбите платформы, расположенные в сотнях километров над поверхностью Земли. Даже с учетом таких футуристических перспектив привлекательность нанотрубок не ограничивается их крепостью. Армия ученых по всему миру продолжает думать над их использованием в промышленности, энергоснабжении, электронике и медицине.

Умные{133}

Графеновые слои и нанотрубки дают нам понять, что могут существовать и другие формы углерода. Запечатав концы нанотрубки, вы сможете создавать различные закрытые формы: напоминающие футбольный мяч 60-атомные бакиболы или продолговатые молекулы наподобие мяча для американского футбола с 70 или более атомами углерода. Все эти элегантные формы шестого элемента знакомы нам как фуллерены — их так назвали в честь геометрически с ними схожих геодезических куполов, придуманных американским архитектором Бакминстером (Баки) Фуллером.

Существование фуллеренов предсказывали еще за полстолетия до того, как в 1985 г. группа ученых из английского Университета Сассекса и Университета Райса в Техасе описала воспроизводимый путь их синтеза и анализа{134}. За этим открытием, получившим Нобелевскую премию, последовали открытия фуллеренов в копоти свечей, дыме лесных пожаров, разрядах молнии и даже в космической пыли, окружающей далекие богатые углеродом звезды. Интенсивное исследование этих похожих на птичью клетку молекул привело к открытию многочисленных новых форм: нанолуковиц, содержащих вложенные структуры типа «клетка в клетке»; гантелей с двумя бакиболами, связанными углеродной цепью, и углеродных контейнеров, содержащих множество меньших атомов или молекул.

Исходя из основных форм плоских графеновых слоев, полых нанотрубок и замкнутых фуллеренов, легко представить себе более экзотические геометрические конструкции. Нанопочки выглядят как небольшие бугорки на нанотрубке или более крупном фуллерене. Нанотрубки способны состыковываться друг с другом под прямым углом, образуя наносоединения, или же могут выступать вертикально из графенового слоя подобно наностолбам. Бакиболы умеют заполнять нанотрубки как горошины — стручок, а вложенные друг в друга нанотрубки могут растягиваться или сжиматься наподобие ручки зонтика-автомата. Вы можете даже теоретически допустить существование изогнутых нанотрубок, образующих идеальный молекулярный тор — структуру в форме пончика.

Вооруженные таким набором форм, ученые и изобретатели мечтают о новом поколении молекулярных машин, имеющих наноразмерные рычаги, блоки, колеса и оси{135}. Благодаря нанотехнологии углерода моторы, электрические цепи и электронные компоненты атомарного уровня, которые требуются для следующего поколения имплантируемых медицинских устройств, микроконтейнеров для таргетной доставки лекарственных средств и компьютеров молекулярного масштаба, находятся, похоже, уже на расстоянии вытянутой руки.

«Пластики!» — вот то «одно слово», которое прошептал безалаберному персонажу Дастина Хоффмана Бену мистер МакГуайр в фильме Майка Николса 1967 г. «Выпускник»{136}.

— Что конкретно вы имеете в виду? — спрашивает Бен.

— У пластиков великое будущее. Подумай об этом. Ты подумаешь об этом?

Эта незабываемо занятная и непонятная сцена содержит больше чем просто зерно истины. Пластики, или полимеры, изменили мир. Полимеризация — это химическая реакция, при которой многочисленные небольшие молекулы, или мономеры, соединяются в цепь или сеть, образуя макромолекулу — единую протяженную молекулу с тысячью атомов и почти всегда со скелетом из атомов углерода. Природные полимеры есть у всего живого: это, к примеру, древесина, волосы и шерсть, мышцы, паутина, кожа, листья, сухожилия — список можно продолжать. Учитывая повсеместность этих соединений в биологии, химики не спешили соревноваться с природой и в конечном счете пытаться ее улучшить.

Каучук, который впервые начали использовать в его природной форме еще в мезоамериканских культурах более 2000 лет назад, стал одним из первых полимеров, привлекших внимание химического сообщества{137}. Натуральный каучук получают из млечного сока каучукового дерева — необычного продукта, который, затвердевая, превращается в эластичный водонепроницаемый материал, способный принимать форму пластин, шаров и других полезных предметов. Но в своем необработанном состоянии, полученном прямо из рук природы, этот материал обладает множеством нежелательных свойств: натуральный каучук слишком липкий и слишком пахучий, он становится текучим, когда слишком жарко, и хрупким (трескается), когда слишком холодно. Причины всех этих свойств — как желательных, так и нежелательных — кроются в структуре каучукового полимера. Длинные прочные углеродные цепочки молекул каучука могут скользить друг по другу, обеспечивая и крепость, и гибкость, но только в узком диапазоне температур.

Современная индустрия полимеров, куда входит обширный и постоянно расширяющийся тип материалов, называемых пластиками, начала развиваться с изобретения в 1830-х гг. вулканизации — инновации, заявленной соперничающими американскими и британскими химиками. Вулканизация — это химический процесс, при котором сера или другое химическое вещество, добавленное к полимеру, устанавливает крепкие поперечные связи, своего рода молекулярные поперечные распорки. В результате получается гораздо более твердый и прочный материал (и менее пахучий вдобавок). Что касается резины, то процесс добавления серы к клейкому соку каучукового дерева и тепловой обработки смеси привел к получению значительно улучшенных продуктов, которыми мы пользуемся сегодня: это перчатки, галоши, ластики для карандашей, шланги, ленты-резинки, воздушные шарики, надувные лодки и, конечно, шины для любого транспортного средства на колесах. Еще ряд добавок обеспечивает гораздо более твердые варианты резины — для изготовления футбольных шлемов[35], колес скейтборда, шаров для боулинга и недорогих кларнетов.

Неспокойные годы после Первой мировой войны стали свидетелями потрясающей трансформации химии: химики все больше начинали думать о материалах на уровне атомов — исходя из молекулярной структуры материалов. В 1920 г. немецкий химик Герман Штаудингер открыл, что полимеры представляют собой гигантские молекулярные цепи, прочный скелет которых образуют атомы углерода. За это исследование спустя три десятилетия он получил Нобелевскую премию по химии{138}. Выявление Штаудингером различных природных биополимеров, в частности каучука, белков, крахмала и целлюлозы, доказало, что макромолекулярные вещества распространены повсюду. Ученый также предсказал, что когда-нибудь будут разработаны синтетические полимеры, по свойствам конкурирующие с природными материалами.

Несмотря на открытия Штаудингера и его верное предвидение будущего, химики, занимающиеся синтетическими материалами, поначалу находились в тупике. В середине 1920-х гг. у исследователей все еще не получалось создавать макромолекулы длиной более нескольких десятков мономеров — это слишком «коротко» для любого практического применения. Но по правде говоря, несколько новинок все же появилось. Бельгийско-американский химик Лео Бакеланд экспериментировал с нагретыми смесями распространенных химических веществ фенола и формальдегида, чтобы создать синтетический шеллак (вещество, которое раньше получали почти исключительно из экскрементов насекомых — лаковых червецов){139}.

В 1907 г. Бакеланд усовершенствовал методы синтеза и получил свой первый пластик, впоследствии названный бакелитом — продукт, использовавшийся в скромных количествах для разноплановых нужд, включая изготовление ставших ныне коллекционными объектами разноцветных кухонных принадлежностей, игрушек и украшений. Через пять лет швейцарский химик Жак Бранденбергер представил миру целлофан — гибкую водонепроницаемую пленку, полученную в ходе воссоздания целлюлозы деревьев и других растений. Коммерческий успех к целлофану пришел, когда конфетная компания Whitman's решила заворачивать в него отдельные шоколадки для комплектации своих знаменитых коробок конфет Whitman's Samplers. Тем не менее фундаментальные достижения в исследовании полимерной химии запаздывали, пока взрыв открытий в 1930-х гг. не привел к появлению новых материалов, которые изменили мир.

Полимеризация (Упрочнение)

Деполимеризация (Ослабление)