Известный всем со школы пример — алмаз и графит, разные вещества, образованные одними и теми же атомами. Но с них химия аллотропных соединений углерода только начинается. На рубеже XXI века она пополнилась нанотрубками и фуллеренами, а открытие графена было отмечено даже Нобелевской премией. Казалось бы, на этом можно и закончить: плоский лист углерода — графен, свернутый в цилиндр — нанотрубка, замкнутый в сферу — фуллерен… других возможностей не оставляет нам сама геометрия. Однако в середине 2016 года были получены результаты, опровергающие и эту логику.
Удивительные цепелланы: вещество, опровергающее гравитацию

Неожиданное открытие состоялось в Мебиусовском центре структурных исследований углерода, где Вольфганг Шпиль и Жюли Токайе отрабатывали получение графена с использованием слабых высокочастотных токов (High-Frequency, Low-Voltage Deposition, HFLVD). Были подобраны условия формирования устойчивых графеновых слоев, однако отделить их от металлической подложки без разрывов никак не удавалось. Тогда и родилась идея заменить подложку титановой пластиной с заранее подготовленными нанопорами: продувая сквозь них инертный гелий, планировалось «сдуть» графен с поверхности и затем отфильтровать его из воздуха.

Первые опыты дали удручающие результаты — никаких следов графена в экспериментальной камере не нашли. В очередной раз перебирая свою установку, ученые разгерметизировали ее. Тут и случилось нечто совершенно неожиданное: из отверстия вылетело несколько капель, которые поднялись к потолку и… исчезли в вентиляции. По словам Токайе, «все это было как в фантастическом фильме до эпохи компьютерных эффектов»: жидкость с крайне низкой плотностью скапливалась под крышкой реактора, а выпущенная наружу — поднималась вверх, образуя лужи на потолке и грозя затопить соседей сверху.

2.jpg

Опыты показали, что летучие капли включали только углерод и гелий, причем спектры углерода были очень похожи на фуллереновые. Отсюда появилось и решение — замкнутые структуры, заполненные гелием, как молекулярный аналог дирижабля. Название нового класса соединений родилось само собой — цеппеланы. Экспериментируя, Шпиль и Токайе получили и аналоги первой структуры. Заполненные аргоном и более тяжелыми благородными газами, они становились нелетучими, хотя и сохраняли другие свойства, включая высокую текучесть (низкое внутреннее трение) и электропроводность.

К изучению цепелланов быстро подключились теоретики, предсказав, что замкнутые наноструктуры углерода могут заключать самые разные атомы или молекулы, не взаимодействуя с ними. При этом за счет высокой электропроводности графена они способны обмениваться электронами с внешним пространством и образовывать химические связи, не покидая своей углеродной оболочки. Китайский исследователь Чжуан Цзе быстро подхватил тему, синтезировав серию таких соединений, содержащих скрытые под углеродом атомы и ионы натрия, калия, алюминия и других металлов. Он же предложил и единое название для нового типа структур — «дамплинг-соединения» (от англ. dumpling, пельмень). За несколько месяцев родился новый раздел химии, который быстро привлек внимание всего химического мира.

Некоторые аллотропные модификации углерода

Графен Гексагональная кристаллическая решетка, плоский одноатомный слой. Толщина — 0,34 нм Нанотрубки Гексагональная кристаллическая решетка, свернутая в цилиндр плоскость. Диаметр — 1−100 нм, длина может достигать микрометров Фуллерены Сочетают пяти- и шестиугольные структуры, замкнутые в многогранник. Размер — от 1,1 нм до сотен нанометров Цепелланы Деформированные пяти- и шестиугольники, замкнутые в вытянутый многогранник. От 1,1 х 3,0 нм до десятков и сотен нанометров

Пока о возможностях применения дамплинг-структур можно лишь гадать — но от этого лишь сильнее захватывает дух. Цеппеланы, добавленные в углеводородное топливо, позволят уменьшить его вес без снижения энергии сгорания. Они помогут облегчить медицинские протезы, в том числе — силиконовые грудные, которые будут намного дольше держать свою пышную форму. Можно представить себе композицию из цепелланов, которую останется лишь налить в сосуд: они сами образуют аккумулятор с жидкими электродами и с электролитом, содержащим дамплинг-ионы в качестве переносчиков заряда. Новая химия углерода поднимается вверх — и выходит в третье измерение.

3.jpg

Статья «Лужи на потолке, аккумуляторы в бутылке» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2017).