На алмазной нити в космос
Джон Бэддинг. Фото: Penn State University

Джон Бэддинг. Фото: Penn State University

Американские физики создали первую в мире алмазную нанонить, потенциально пригодную для создания «космического лифта»

Коллектив физиков и химиков из университета Пенсильвании воплотил в жизнь мечту многих инженеров, сотрудников спецслужб и шпионов — им удалось создать настоящую алмазную нанонить, представляющую собой гигантскую молекулу из колец углерода. Если ученым удастся решить проблему промышленного производства этой нити, отмечают ее создатели в журнале Nature Materials, то это откроет дорогу для создания троса для «космического лифта», сверхбыстрой электроники на алмазных проводах и других футуристических гаджетов.

«С точки зрения фундаментальной науки, наше открытие крайне интересно по той причине, что созданные нами нити обладают структурой, которую раньше никто и нигде не видел. Представьте себе, что некий ювелир-волшебник нанизал друг на друга самые мельчайшие алмазы, которые только могут существовать, и превратил их в длинное и тончайшее ожерелье. Так как эта нить является алмазом по своей природе, мы ожидаем, что она будет невероятно прочной, упругой и чрезвычайно полезной для всех сфер жизни», — рассказывает Джон Бэддинг из университета Пенсильвании, один из создателей нити.

Бэддинг и его коллеги на протяжении нескольких лет работали над решением вековой задачи, которую ставят перед собой практически все химики и физики мира  — созданием углеродной нити, которая по прочности, электропроводности и всем другим параметрам не отличается от алмаза.

Изначально ученые не видели в этой проблеме ничего сложного. В начале прошлого века, когда  уже были открыты десятки полимеров и были изобретены экспериментальные методики выращивания синтетических алмазов, физики и химики считали создание «алмазной нити» лишь делом техники и времени. Тем не менее, проходили десятилетия, а цельная нить из одиночной молекулы или кристалла алмаза так и не появлялась. Все попытки превратить цепочки различных углеродных молекул в алмазные нити проваливались — когда ученые сжимали их под давлением в сотни миллионов и миллиарды атмосфер, они превращались в другие виды органики или же в разные виды алмазов, которые мгновенно трансформировались во что-то иное после отключения пресса.

Физики из университета Пенсильвании и нескольких других американских университетов подошли к решению этой проблемы с другой стороны — они попытались сжать не нити полимеров, а набор из большого количества одиночных молекул бензола, одного из самых первых ароматических углеводородов, открытых человеком еще в первой трети XIX века.

С точки зрения химии, бензол является необычным органическим веществом, над точной природой и химическим устройством которого ученые ломали голову на протяжении более ста лет. Он представляет собой замкнутое кольцо из шести атомов углерода и присоединенных к ним атомов водорода, что было крайне необычным и малообъяснимым для химиков XIX века. По представлениям того времени, каждый атом углерода в бензольном кольце должен был обладать двумя, а не одним атомом водорода.

Первое правдоподобное объяснение «недостачи» водорода в молекуле бензола предложил австрийский химик Фридрих Кекуле в 1865 году, соединивший двойными связями три из шести атомов углерода. Примерно через половину столетия, когда физики разобрались с тайнами внутренней структуры атома и открыли электроны, стало ясно, что формула Кекуле не совсем соответствует действительности.

Выяснилось, что в молекуле бензола на самом деле нет двойных и одиночных связей — все «лишние» электроны, не участвующие в связях с водородом, обитают в двух облаках-«бубликах», существующих над и под углеводородным кольцом. Они возникают в молекуле бензола благодаря тому, что углерод в ней находятся в особом состоянии, которое химики и физики называют sp2-гибридизацией. Главным отличием таких атомов от нормального углерода является то, что они образуют «короткие» химические связи, которые разорвать достаточно сложно и дорого с энергетической точки зрения. Похожим образом устроен и углерод в кристаллах алмаза, находящийся в состоянии sp3-гибридизации.

Трехмерная структура алмазной нити, созданной авторами статьи. Фото: Penn State University

Как объясняют Бэддинг и его коллеги, алмаз состоит из шестиконечных колец углерода, похожих по своей форме на бензол. Это дало им основания полагать, что при достаточно сильном давлении и при других экстремальных условиях кольца бензола могут разомкнуться и соединиться друг с другом, образуя нитеобразную структуру, похожую по своим свойствам на алмаз.

Через несколько недель эксперименты с бензолом принесли потрясающие результаты. При сжатии капсулы с углеводородом до давления, превышающего атмосферное примерно в 200 раз, она превратилась в смесь из мельчайших полупрозрачных белых нитей, обладавших всеми физическими и химическими характеристиками алмазов.

«Мы обнаружили, что постепенное и достаточно медленное снижение давления после того, как была достигнута высокая точка сжатия, дает атомам углерода время на то, чтобы соединиться друг с другом и превратиться в цепочку склеенных друг с другом пирамид из атомов углерода, представляющих собой основу всех алмазов», — добавляет другой автор статьи, Малкольм Гютри из Института науки Карнеги в Вашингтоне (США), чьи слова приводит пресс-служба университета Пенсильвании.

Давление, как пишут исследователи в статье, заставляет молекулы бензола выстраиваться в линии, ломаться и распадаться на части. По мере снижения давления — этот процесс продолжается около 10 часов — фрагменты бензольных колец начинают соединяться друг с другом, образуя новые пирамидальные структуры, скрученные в своеобразное подобие тройной нити.

«Нас крайне удивило то, что подобный процесс самоорганизации вообще происходит. То, что атомы углерода в молекулах бензола соединяются друг с другом при комнатной температуре и превращаются в нить, является шокирующим фактом и для химиков, и для физиков. Учитывая предыдущие эксперименты, нам кажется, что происходит следующее. Когда молекула бензола распадается, составлявшие ее атомы пытаются зацепиться за что-то другое и при этом они не могут покинуть занимаемое место из-за того, что давление мешает им это сделать. Благодаря этому бензол становится настолько химически активным, что при снижении давления возникает упорядоченная реакция полимеризации, которая и приводит к формированию основы алмазной нити», — продолжает свою мысль Бэддинг.

Как отмечает сам пенсильванский химик, открытая его группой технология пока не готова к промышленному применению — за один прием физики могут изготовлять лишь несколько кубических миллиметров алмазной нити, чего недостаточно для большинства практических задач. Высокое давление, отмечает ученый, пока препятствует расширению производства и изготовлению длинных тросов. Эту проблему исследователи планируют решить в ближайшие месяцы и годы, наблюдая за химическими процессами, которые происходят внутри капсулы с бензолом.

По словам Бэддинга, уже сейчас можно говорить о практически неограниченном потенциале подобных алмазных волокон. К примеру, из них можно изготовлять детали в движущихся частях автомобилей, кузова, корпуса для бытовой техники и другие вещи, для производства которых сегодня используются различные пластики и сплавы. Кроме того, они могут послужить основой для сверхпрочного спасательного и военного оборудования, а также более футуристических проектов.

«Наша самая безумная мечта по использованию наноматериалов, которые мы разрабатываем на базе этого волокна — создание сверхпрочных и сверхлегких кабелей, которые сделали бы возможным создание "космического лифта", существующего пока лишь в воображении фантастов и футурологов» — повествует физик, описывая свои ближайшие планы на будущее.

Космический лифт — пока гипотетическая система сверхдешевой доставки грузов в космос, представляющая собой гигантский трос длиной в несколько сотен километров, протянутый от поверхности Земли к станции на низкой орбите. Впервые о таком способе попадания в околоземное пространство задумался Константин Циолковский, основоположник космонавтики, в 1895 году, а ее детальную концепцию разработал другой российский ученый, инженер Юрий Арцутанов, в конце 50-х годов прошлого века. Главное препятствие для создания такого лифта — пока человечеством не создан материал, обладающий достаточной легкостью и прочностью для создания многокилометрового космического троса. Бэддинг и его коллеги надеются, что им удастся решить эту проблему уже в ближайшем будущем. 

Кровавый навет во время чумы Далее в рубрике Кровавый навет во время чумыВ сентябре 1348 года тысячи живших в Европе евреев были сожжены после обвинений в заговоре и распространении страшных болезней Читайте в рубрике «Наука и технологии» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»

Комментарии

23 сентября 2014, 09:27
А каким образом будет крепиться этот трос к станции, если все объекты на орбите Земли непрерывно двигаются вокруг планеты?
23 сентября 2014, 10:12
В тексте явная нелепость! Станция должна находиться НЕ на низкой а на геостационарной орбите высотой 35786 километров (и трос должен иметь длину в десятки тысяч, а не сотни километров). Тогда идея хотя бы выглядит корректно.
23 сентября 2014, 12:11
Вы правильно заметили. А если станция будет на геостационарной орбите, то силы гравитации все время будут тянуть ее вниз. Из-за такого троса ,нельзя будет регулировать ее высоту,поэтому разработка очень сырая,идею нельзя осуществить без дополнительного антигравитационного позиционирования станции.
23 сентября 2014, 13:35
Лифт, карабкающийся по нитке в космос? Смелая затея. Но я бы не рискнул на таком поехать. очень уж высоко и без страховки)
23 сентября 2014, 18:36
Это где ж столько алмазов-то раздобыть для изготовления "космической нити"? )
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Расширяйте круг интересов!
Мы пишем об истории, обороне, науке и многом другом. Подписывайтесь на «Русскую планету» в соцсетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»