Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
Кристаллическая структура графита
Парадокс, возможно, объясняется тем, что у каждого атома углерода внутри графитового слоя имеется три соседа, с которыми он делит четыре своих электрона. В алмазной же структуре каждый атом углерода делит свои четыре электрона с четырьмя атомами. Отсюда иная электронная структура и более сильные химические связи внутри слоев графита по сравнению с алмазными. В то же время у атомов графита не остается электронов, чтобы образовать прочные связи между слоями. Слои скрепляет универсальный клей, совокупность слабых взаимодействий, вызванных флуктуациями в электрическом поле молекул, – силы Ван-дер-Ваальса. Это те самые силы, которые делают липким офисный пластилин (Blu-Tack). Поэтому, когда графит подвергается механическому давлению, первыми рвутся слабые связи Ван-дер-Ваальса, и графит становится очень мягким. Именно так «работает» карандаш: прижимая его к бумаге, вы разрываете эти связи, и слои графита соскальзывают на бумагу. Если бы не слабые связи между слоями, графит был бы прочнее алмаза. Этот факт послужил одной из отправных точек для Андрея Гейма и его команды.
Взгляните на темно-серый, с металлическим отливом, карандашный грифель. Тысячелетиями этот материал ошибочно принимали за разновидность свинца и называли плюмбаго, или черным свинцом. Путаница была вполне понятной, поскольку и графит, и свинец – это мягкие металлы (впрочем, графит сегодня считается полуметаллом). Рудники плюмбаго приобретали все большую ценность по мере того, как графиту находили новые сферы применения. Оказалось, например, что из него выходят отличные пушечные ядра и мушкетные пули. В XVII–XVIII веках в Англии материал так сильно вырос в цене, что воры приноровились рыть тайные ходы в рудники или же нанимались рабочими и скрытно выносили плюмбаго под одеждой. Дороговизна подстегивала этот промысел, пока в 1752 году парламент не принял закон, объявлявший кражу графита из рудников тяжким уголовным преступлением, наказуемым годом каторжных работ или семилетней ссылкой в Австралию. К 1800 году добыча графита стала настолько прибыльным предприятием, что повсюду у ворот рудников стояла вооруженная охрана.
Причина того, что у графита, в отличие от алмаза, металлическая природа, кроется все в той же шестиугольной атомной структуре. Как мы уже знаем, в структуре алмаза все четыре электрона каждого атома углерода связаны с такими же электронами других атомов. Таким образом, все атомы пространственной решетки крепко взаимосвязаны, и «свободных» электронов нет. Вот почему алмазы не проводят электричество, ведь в их структуре отсутствуют электроны, которые могли бы свободно перемещаться, производя электрический ток. В то же время в структуре графита внешние электроны не просто связаны с парными электронами соседнего атома, скорее они образуют море электронов внутри материала. Одним из последствий этого является электропроводность графита – ведь электроны в нем могут перемещаться подобно жидкости. Нить накаливания в электрических лампочках Эдисона была из графита: за счет высокой температуры плавления он под действием тока раскаляется добела, но не плавится, излучая сильный свет. И кроме того, бесчисленные электроны служат чем-то вроде электромагнитного батута для света – именно отраженный свет придает графиту свойственный металлам блеск. Впрочем, команда Андрея Гейма получила Нобелевскую премию не за это лаконичное объяснение металлических свойств графита, это было для нее лишь отправной точкой.
Углерод – основа жизни на Земле, любой ее формы, и хотя различные углеродные соединения на первый взгляд совсем не похожи на графит, им легко придать шестиугольную структуру путем сжигания. При сильном нагреве дерево превращается в уголь, кусок хлеба – в сгоревший тост; да и мы сами почернеем и обуглимся, если подвергнуть нас воздействию пламени. Ни один из этих процессов не приводит к образованию чистого блестящего графита, поскольку шестиугольные слои углерода перемешаны, а не плотно уложены в аккуратном порядке. Тем не менее существует огромное разнообразие черных сажистых материалов с общим свойством: все они содержат углерод в его наиболее стабильной форме – в форме шестиугольных слоев. Каменный уголь, очередная разновидность черного сажистого углерода, стал широко применяться в XIX веке. Шестиугольные пласты атомов в угле образуются не за счет нагрева, как в случае с подгоревшим тостом, но вследствие геологических процессов, миллионы лет воздействовавших на останки растительных организмов. Первоначально уголь – это форма торфа, которая под воздействием высокой температуры и давления трансформируется в лигнит (бурый уголь), потом в битуминозный уголь, в антрацит и, наконец, в графит. В процессе этих трансформаций уголь теряет летучие соединения азота, серы и кислорода, присутствующие в первоначальном растительном материале, постепенно превращаясь в почти чистый углерод. По мере формирования гексагональных слоев материал приобретает все более выраженный металлический блеск, особенно заметный на зеркальных черных гранях некоторых углей, например антрацита. Однако уголь редко является чистой формой углерода. Вот почему при горении он довольно неприятно пахнет.
Среди всех сортов наиболее ценится за внешний вид уголь из ископаемых остатков чилийской араукарии. Это твердая порода (ее можно резать и полировать до зеркального блеска) насыщенного черного цвета с чудесным глянцем. Иногда этот уголь называют черным янтарем, поскольку он обладает похожими трибоэлектрическими свойствами: рождает при трении статический заряд и топорщит волоски на теле. Чаще он встречается под именем «гагат». В Англии он вошел в моду в XIX веке благодаря королеве Виктории, которая в знак траура по супругу принцу Альберту всю жизнь носила черную одежду и гагатовые украшения. По всей империи спрос на гагаты был так велик, что население йоркширского городка Уитби, в котором Брэм Стоукер позднее написал свой готический шедевр, роман «Дракула», внезапно бросило топить печи местным гагатом и перешло на производство знаменитых траурных украшений. Мысль о том, что у алмаза есть нечто общее с углем или графитом, была чистой фантазией, пока химики его не нагрели. В 1772 году это сделал Антуан Лавуазье и обнаружил, что раскаленный докрасна алмаз горит и сгорает дотла. После него совсем ничего не остается, как если бы он растворился в воздухе. Удивительный эксперимент. Прочие драгоценные камни, такие как рубин и сапфир, оказались невосприимчивы к нагреву. Их нельзя было довести не то что до красного, но даже до белого каления. Они не горели. У алмаза же, короля драгоценных камней, обнаружилась ахиллесова пята. Душа поет, когда я думаю про следующий опыт Лавуазье, настолько это было красиво. Химик нагрел алмаз в вакууме, чтобы там, в отсутствие необходимого для реакции горения воздуха, достичь более высокой температуры. Это один из тех экспериментов, которые легче предложить, чем выполнить, что особенно верно для XVIII столетия, когда создать вакуум само по себе было нелегкой задачей. Результат поразил Антуана Лавуазье. Как и в прошлый раз, камень раскалился докрасна, однако в ходе начавшейся реакции превратился в чистейший графит. Так было доказано, что оба материала состоят из одного и того же вещества – углерода.
Вооруженный этим знанием Лавуазье и многие его коллеги в Европе задумались о том, как осуществить обратную реакцию – превращение графита в алмаз. Того, кто сделал бы это, ждало сказочное богатство. Гонка началась. Но цель оказалась труднодостижимой. Все материалы склонны меняться от менее устойчивых структур к более устойчивым, и, поскольку структура алмаза менее устойчива, чем у графита, необходимы запредельно высокие температура и давление, чтобы «уговорить» графит пойти в обратную сторону, то есть превратиться в алмаз. Такие условия существуют в глубинах земной коры, но даже в этом случае потребуются миллиарды лет, чтобы вырастить большой алмазный кристалл. Воспроизвести подобные условия в лаборатории чрезвычайно сложно. Попытки химиков одна за другой кончались провалом. Никто из этих ученых не разбогател в одночасье, что лишний раз подтверждало их неудачливость в лаборатории. Впрочем, подозревали, что кое-кто все же совершил подвиг и преобразовал графит в алмаз, а теперь втихомолку наживает состояние.
Как бы там ни было, но в 1953 году появилось достоверное документальное свидетельство подобной трансформации. Ныне производство искусственных алмазов стало по-настоящему крупным бизнесом, и все же настоящие, природные алмазы вне конкуренции. Причин тому несколько. Во-первых, несмотря на то, что изготовление небольших искусственных алмазов обходится дешевле, чем добыча соразмерных им природных камней, все же первые, как правило, имеют изъяны, в частности непрозрачные включения: ускоренный промышленный цикл приводит к дефектам, которые в свою очередь вызывают пигментацию. На деле искусственно выращивают по большей части не ювелирные, а технические алмазы: алмазной пылью покрывают буры и другие режущие инструменты – не ради красоты, но чтобы резать и обрабатывать гранит и прочие твердые материалы. Во-вторых, подлинность составляет большую долю в общей ценности алмаза. Когда вы предлагаете руку и сердце, важно, чтобы в обручальном кольце сиял бриллиант, рожденный в глубинах Земли миллиарды лет назад, пусть даже по физическим свойствам искусственный камень ни в чем ему не уступает. Наконец, в-третьих, если вы сверхрациональный субъект, которого не трогает природная история камня, то для вас искусственный бриллиант слишком дорогой способ украсить возлюбленную. Есть немало гораздо более дешевых суррогатов, которые своим ослепительным блеском обманут кого угодно, кроме разве настоящих знатоков бриллиантов. К таким суррогатам относятся кубические кристаллы циркония и даже стекло. Впрочем, природные алмазы потерпели новое поражение: выяснилось, что алмаз больше не является самым твердым из известных материалов. В 1967 году открыли третий способ организации атомов углерода, который позволял получить еще более твердое вещество. Основу его строения также составляют гексагональные слои графита, но в трехмерной модификации. Считается, что эта структура, под названием лонсдейлит, на 58 % тверже алмаза, хотя в природе она существует в столь малых количествах, что это трудно проверить. Первый образец нашли в метеорите Каньон-Дьябло – сильный жар и повышенное давление, возникшие при ударе о Землю, вызвали превращения графита. В мире не существует ни одного обручального кольца из лонсдейлита, поскольку падения метеоритов этого типа происходят чрезвычайно редко и производят на свет лишь крошечные кристаллы, но открытие третьей структуры углерода неизбежно подводило к вопросу о возможной четвертой структуре – в дополнение к уже известным кубической (алмаз), шестиугольной (каменный и древесный уголь, гагат, графит) и трехмерной шестиугольной (лонсдейлит). Вскоре, благодаря авиационной промышленности, список пополнился еще одной синтетической структурой.
