Автограф | «Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры. Родословная форм и идей»

Сохранить в закладки
4184
7
Сохранить в закладки

Физик Евгений Кац об истории открытия фуллеренов, нанотехнологической революции и геометрии простейших микроорганизмов

Открытие фуллеренов — одно из самых интересных и значимых научных событий последней четверти XX века. Об истории фуллеренов и роли наноструктур углерода в культуре и науке мы поговорили с автором книги «Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: родословная форм и идей», профессором Университета им. Бен-Гуриона в Негеве (Израиль) Евгением Кацем.

— Ваша книга вышла в серии «Шедевры научно-популярной литературы». Это должно быть достаточно лестно для автора?

— По каким-то причинам издательство решило опубликовать мою книгу в этой серии. В ней издано довольно много книг, и, конечно, не все они — «шедевры», так что особенно зазнаваться не стоит. С другой стороны, приятно, что авторы некоторых книг этой серии — классики научно-популярной литературы. Достаточно назвать имена Перельмана, Колмогорова, Гарднера, Каганова.

— На какой уровень подготовки читателя рассчитана ваша книга? Для кого она была написана?

— Жанр этой книги смешанный. С одной стороны, это научно-популярная книга, которая рассказывает о полиэдрических (многогранных) молекулах углерода, названных фуллеренами, углеродных нанотрубках и нанокластерах, а также о других структурах с фуллереноподобной формой, например о вирусах и таких простейших микроорганизмах, как радиолярии. Приводятся примеры подобных форм в архитектуре. При этом анализ структуры и форм фуллереноподобной «архитектуры» на нано- (молекулы и кластеры), микро- (вирусы и радиолярии) и макроуровнях (зданиях) проводится с единой точки зрения. Я пытаюсь показать, что молекулы фуллеренов, фуллереноподобные микроорганизмы, геодезические купола Бакминстера Фуллера (о них мы еще поговорим) описываются одними и теми же математическими законами, что приводит иногда к похожей физике. Это очень интересно и говорит о неком единстве нашего мира на разных его уровнях.

С другой стороны, это книга об истории открытия фуллеренов — на мой взгляд, одного из самых интересных и значимых открытий последней четверти XX века, стимулировавшего взрыв работ и открытий других наноструктур углерода (это фактически то, что мы сегодня называем нанотехнологической революцией). И о его предыстории, вернее, о различных предысториях этого открытия. Именно поэтому подзаголовок книги гласит: «Родословная форм и идей». Речь действительно идет о родословной идей, сделана попытка уйти вглубь истории науки вплоть до времен Возрождения и даже Античности.

Если говорить о математике многогранников, то в книге есть отдельная глава, посвященная Леонарду Эйлеру и его знаменитой теореме о взаимосвязи числа вершин, ребер и граней многогранника, которая была доказана им в середине XVIII века. На основе этой простой теоремы была описана структура всего семейства фуллереновых молекул. Теорема объясняет, почему минимальный фуллерен — это C20, почему самый стабильный и самый знаменитый фуллерен — C60. Молекула C60 (бакминстерфуллерен) имеет форму усеченного икосаэдра. Это одно из тринадцати так называемых архимедовых тел. В книге рассказывается об архимедовых телах и платоновых телах. Долгое время работа Архимеда была утерянной, и человечество ничего о ней не знало. Все тринадцать архимедовых тел были постепенно переоткрыты в основном в эпоху Возрождения, причем несколько сделавших это крупнейших математиков того времени были также великими художниками — например, Пьеро делла Франческа и Дюрер. Впоследствии Иоганн Кеплер в 1619 году дал полное математическое описание всего класса архимедовых тел. Обо всех этих личностях также идет речь в книге. Отдельная глава посвящена жизни и творениям американского архитектора Бакминстера Фуллера, в честь которого семейство углеродных молекул получило свое название. Приводятся примеры других фуллереноподобных зданий, например «дом-нанотрубка» гениального русского архитектора Константина Мельникова.

Поэтому книга ориентирована на читателя, совмещающего интерес к современной науке с некими гуманитарными интересами, например с интересом к истории науки. Одна из сквозных тем книги — единство (не путать с одинаковостью) науки и искусства как двух составляющих мировой культуры. Наука как неотъемлемая часть культуры нашей цивилизации. С культурой тесно связана история — в данном случае и история науки, и личная история автора. Мне очень нравится мысль Александра Гениса: «История становится собой только со второго раза — не когда происходит, а когда в нее играют». В каком-то смысле эта книга — моя игра в историю науки.

Тексты наиболее математической части специально выделены курсивом, и, в принципе, их можно пропустить. Но их немного. Это книга для чтения. При этом, мне говорили, некоторые студенты используют ее как учебник для сдачи экзаменов по истории науки.

— Рассказывая об истории открытия фуллеренов, вы используете название знаменитой книги Джона Рида «Десять дней, которые потрясли мир» о революции 1917 года. Так вы оцениваете значение этого открытия?

— Да, это фантастически интересная история. Один из первооткрывателей и будущий нобелевский лауреат Харольд Крото в то время был астрохимиком, который интересовался составом звезд, богатых углеродом. У него была идея синтезировать в лаборатории некие углеродные кластеры и сравнить спектры этих кластеров с данными радиоастрономии. Крото выяснил, что в Университете Райса в Техасе у профессора Ричарда Смолли (другой участник открытия и будущий нобелевский лауреат) есть установка для синтеза и масс-спектроскопического исследования подобных кластеров. Смолли пригласил Крото к себе в лабораторию, выделив на исследование лишь десять дней, вернее, десять ночей. Так что эту главу следовало бы назвать «Десять ночей, которые потрясли мир».

Анализ полученных масс-спектров привел исследователей к неожиданному выводу о спонтанном образовании ранее неизвестной углеродной молекулы — C60. Далее они сделали очень смелое предположение о том, как эта молекула устроена. Почему смелое? Никаких доказательств предложенной структуры у них не было. Доказательства появились только через пять лет — после разработки метода получения C60 в граммовых количествах, позволившего напрямую исследовать молекулярную структуру C60. Таким образом гипотеза Крото — Смолли была полностью подтверждена.

Другой интересный момент — в названии молекулы. Группа Крото — Смолли предложила назвать молекулу C60 бакминстерфуллереном в честь одного из крупнейших архитекторов XX века Бакминстера Фуллера, предложившего строить здания подобной формы, так называемые геодезические купола. Кстати, Фуллер был не только архитектором и изобретателем, но и геометром, картографом, философом и поэтом. Его смело можно назвать одним из наиболее оригинальных мыслителей второй половины XX века. Когда Крото критиковали за название, говоря, что его никто не знает, он отвечал: «Теперь узнают». Так и произошло.

Термин «фуллерены» используют для всего семейства этих углеродных молекул, потому что достаточно быстро поняли, что их очень много. Фактически бесконечное количество.

— Включали ли вы в книгу собственные исследования?

— Совсем немного. Есть пример с неорганическими (неуглеродыми) фуллеренами, которые впервые получил израильский химик Решеф Тенне. В сотрудничестве с ним мы синтезировали фуллереноподобные структуры и нанотрубки из сульфида молибдена и оксида цезия с помощью солнечной энергии. Речь идет о так называемом солнечном синтезе, когда естественный солнечный свет (а его у нас в пустыне Негев много) оптически концентрируется на мишени из некого материала. Дальше этот материал испаряется и кластеризируется. В наших солнечных концентраторах плотность светового потока усиливается в тысячи, а порой и в десятки тысяч раз.

Вообще говоря, мои научные интересы напрямую связаны с использованием солнечной энергии. Кроме уже упомянутого солнечного синтеза наноматериалов я занимаюсь исследованием новых материалов и приборов для прямого преобразования солнечного света в электричество. В частности, мы исследуем солнечные элементы на основе композиционных материалов из фуллеренов и проводящих полимеров. Пытаемся использовать углеродные нанотрубки в таких приборах, а также гибридные структуры, совмещающие нанотрубки и фуллерены. Их я упоминаю в последней главе книги, которая называется «Вместо послесловия, или предисловие к следующей книге». Материал для такой книги уже собран. Дело за малым: надо найти время и написать ее.

С другой стороны, мне кажется, что в книге я описал несколько собственных исторических изысканий. В частности, о вкладе в «предысторию» открытия фуллеренов великого русского математика Дмитрия Дмитриевича Мордухай-Болтовского. Дело в том, что математическое описание структуры фуллеренов на основе теоремы Эйлера было заимствовано исследователями фуллеренов из великой книги Д’Арси Томпсона On Growth and Form. Она не переведена на русский язык, но это научный бестселлер. В ней, в частности, Томпсон, применяя теорему Эйлера, описал геометрию радиолярий. Я уже несколько раз упоминал эти простейшие микроорганизмы, уникальность которых состоит в том, что они сами строят собственные скелеты из солей кремния, которые сами же и добывают из морской воды. Впоследствии люди, которые занимались фуллеренами, просто переписали этот анализ, давая ссылки на работу Томпсона. А в книге я рассказываю, что Дмитрий Дмитриевич Мордухай-Болтовской в 1936 году издал работу «Геометрия радиолярий», в которой впервые описал данное исследование. Томпсон знал эту работу, мы нашли исторические доказательства этого факта. Более того, я прочитал первое издание книжки Томпсона 1917 года (второе издание было написано уже после выхода книжки Мордухай-Болтовского, которую Томпсон читал), и в нем подобного анализа геометрии радиолярий не было. Это один из примеров изыскания в области истории науки, которые есть в книге.

В 2014 году издательство URSS переиздало книгу Мордухай-Болтовского «Геометрия радиолярий» с моим предисловием — описанием всей этой истории и объяснением, почему-то, что написано в 30-е годы прошлого века, интересно сегодня для современной нанонауки и нанотехнологий.

— Как вы оцениваете достижения в области исследований фуллеренов и нанообъектов?

Развитие науки о фуллеренах и прежде всего их технологическое применение — интересный вопрос, он много обсуждался в связи с присуждением Нобелевской премии. Открытие фуллеренов пока еще не дало какого-то мощного применения на промышленном уровне. Все еще на стадии исследований находится их применение в области медицины, лекарств, солнечных элементов.

Но открытие фуллеренов было своеобразным золотым ключиком, давшим начало нанотехнологической революции. После него появились углеродные нанотрубки, был открыт графен и так далее. Безусловно, это одна из составляющих сегодняшней современной технологии, ее нельзя недооценивать.

Однако еще важнее это открытие для понимания единства разных модификаций углерода — уникального элемента, обеспечивающего существование всего живого на нашей планете.

— Об этом глава «Бог выбирает углерод»?

— Наша жизнь основана на углероде. Мы не знаем живых структур, основанных, например, на соединениях ближайшего соседа углерода по периодической таблице — кремния. То есть в этом смысле наш Бог выбрал углерод. Возможно, какой-то другой выбрал другое. Кстати, фуллеренов из чистого кремния тоже не существует. Есть уже упомянутые неуглеродные фуллерены и нанотрубки на основе неорганических соединений. А кремниевых нет.

— Какое место работа над научно-популярной литературой занимает в вашей жизни?

— Популяризация для меня скорее хобби, поскольку университетский профессор может себе позволить делать то, что не приносит какого-то видимого дохода. Но это очень интересно. Благодаря работе над книгой я познакомился с интереснейшими людьми, крупными учеными. С некоторыми из персонажей книги я был лично знаком. В книге много моих собственных впечатлений и много моих фотографий. Исторические персонажи книги: Эйлер, Кеплер, Леонардо, Фуллер и другие — не «отпускают» меня, я продолжаю собирать материал об их жизни. Думаю написать чисто беллетристическую книгу об ученых. Вернее, хотелось бы, чтобы получилась книга о моих попытках узнать нечто новое об их жизни. Эта книжка уже не будет ограничена только фуллереновой тематикой. Поделюсь секретом: уже написаны главы о Тихо Браге, Улугбеке, Плинии Старшем, Спинозе.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration