КОГДА ЖИВ "ДУХ ФИЗИКИ",
ИДЕИ ВИТАЮТ В ВОЗДУХЕ
Ю. Машуков, "НВС".
В Институте физики Красноярского научного центра СО РАН ведутся
активные исследования особых кристаллических форм углерода --
фуллеренов. Начало этой работе было положено открытием
уникального синтеза фуллеренов на плазмотроне ВЧ-диапазона.
Сейчас это направление существенно расширяется.
Еще немногим известно понятие "фуллеренов", что не удивительно.
Эта область исследований пока имеет короткую историю, но
стремительно развивается. Она включает в себя уже три
направления: физику фуллеренов, химию фуллеренов и технологию
(синтез) фуллеренов. Под фуллеренами понимается новая аллотропная
форма углерода. Углерод всегда являлся основой всей органической
химии, основной составляющей органики, а, следовательно, и
всей жизни на земле. Несмотря на глубокую изученность углерода,
до недавнего времени считалось, что он может образовывать лишь
две кристаллические формы -- алмаз и графит, различающиеся по
физическим и химическим свойствам. Алмазу соответствует упаковка
атомов в форме пространственных тетраэдров, графиту --
гексагональная или ромбоэдрическая структура, располагающаяся
послойно.
В последние десятилетия ученые засомневались в окончательности
форм углерода и стали высказывать предположения о том, что могут
существовать и иные пространственные структуры атомов углерода, в
которых должна соблюдаться химическая стабильность. Например,
такой геометрической структурой мог бы стать икосаэдр, геометрия
которого была описана еще Архимедом. Икосаэдр представляет собой
полую пространственную структуру, напоминающую футбольный мяч со
множеством пяти- и шестигранных сторон.
О многоатомной молекуле МС60 упоминали многие ученые.
В конце концов астрофизики обнаружили в масс-спектрах углеродного
пара характерный для С60 пик, предполагающий существование такой
молекулы.
Все это было теоретическими предположениями, а на Земле углерод
такой формы обнаружить не удавалось, и никто не мог его получить.
Тем не менее, следующим этапом развития данного направления стало
открытие многоатомной формы углерода и рождение его названия.
Сейчас это стало уже научной легендой, суть которой заключалась в
том, что группа американских ученых в составе Р.Смолли, Р.Керна и
Г.Крото попыталась изучить углерод методом создания кластерных
пучков с помощью лазерного испарения. Для этого была использована
техника исследования кластеров практически любого элемента,
созданная в университете Райса в 1980-81 гг. Эксперимент оказался
удачным -- 4 сентября 1985 года впервые удалось зафиксировать С60
во времяпролетном масс-спектрометре. Последующая работа позволила
обнаружить не только С60, но и С70.
Более тщательное изучение привело к окончательному заключению о
существовании молекулы углерода в виде замкнутой гексагональной
клетки. Такая клетка очень сильно напоминала общеизвестный купол,
построенный на Всемирной выставке ЭКСПО-67 в Монреале по замыслу
архитектора Бакминстера Фуллера. Число вершин у купола было ровно
60. После некоторого колебания эти ученые приняли решение назвать
молекулу "бакминстерфуллерен", и под этим именем сообщение о С60
появилось в журнале "Nature". В дальнейшем название было
укорочено и С60 стал просто фуллереном. Однако установка, на
которой фуллерен был впервые зафиксирован, решала лишь
аналитические задачи, и вряд ли ее можно было использовать для
количественного получения фуллеренов.
Следующим этапом стало создание более практичной установки и
открытие технологического способа получения препаратных количеств
фуллерена. Это было сделано немецким ученым Вольфганом Кретчмером
(1990). Он впервые показал возможность использования дугового
разряда с графитовыми электродами и гелия, как буферного газа,
для получения угольного конденсата, содержащего фуллерен.
Так В.Кретчмер положил начало новому направлению -- технологии
фуллеренов. Начался бурный рост исследований в области
фуллеренов. Были открыты низшие фуллерены (от 22 атомов) и высшие
(до 270 атомов), нанотрубки и фуллериты. Все они обнаруживали
массу специфических свойств. Это заставило отнестись к ним не
только как к новому привлекательному объекту фундаментальной
науки, но и как к основе для широкого круга прикладных
разработок.
К этому времени было найдено довольно много разных форм
применения фуллеренов. Прежде всего, они имеют большие
перспективы в электронике и оптоэлектронике, в органической химии
и металлургии, в шинной и ювелирной промышленности и т.д.
Количество обнаруживаемых уникальных свойств и характеристик
фуллеренов очень быстро возрастает, и сфера их применения
постоянно расширяется. Столь интенсивная деятельность в этой
сфере была обусловлена также определенной аурой вокруг этих
соединений, связанной с простотой и чрезвычайной симметричностью
структуры, не похожей ни на что другое. Именно эта харизма всегда
вызывала восторг и изумление у всех химиков и физиков.
Но всякие исследования или крупномасштабное использование
фуллеренов всегда сдерживается их высокой стоимостью. В 1994 году
цена чистого фуллерена С60 на рынке составляла 550 $,
а С70 --
1600 $ за грамм. Поэтому даже возможность заниматься
исследованиями в этой области имеют обычно только те, кто их
производит.
Исследование фуллеренов в Красноярском научном центре началось в
1992 году. Финансово-экономический кризис в России был уже в
самом разгаре. В этот период начал на глазах таять один из
гигантских айсбергов под названием ВПК. Специалистам, работающим
там, предлагалось самим искать новые формы приложения труда.
В такой вот ситуации оказался и Г.Чурилов, кандидат наук,
специалист в области плазмотронов в килогерцовом диапазоне
частоты, проработавший более 13 лет в одном из закрытых
красноярских КБ.
Но в Институте физики существует "дух физики", и идеи витают в
воздухе. Все это имеет отношение к фундаментальным исследованиям,
поэтому Г.Чурилов решился предложить физикам свою программу
исследований в фундаментальных областях с использованием
плазмотрона. Финансовое положение науки в те времена было тоже
весьма незавидным. Впрочем, академик К.Александров счел возможным
выслушать автора программы, и изо всех предложенных направлений
выбрал фуллерены.
|
|
Плазменная струя -- "колыбель" фуллеренов.
|
Суть предложения заключалась в том, что автор намеревался
получить фуллерены на своей установке. В качестве поощрения столь
смелого заверения ему были даны карт-бланш по фуллеренам и
четверть ставки старшего научного сотрудника. Около двух лет ушло
на доработку установки и разные попытки, прежде чем удалось
получить фуллерены из углеродной струи плазмотрона. В результате
была разработана чрезвычайно простая и производительная
технология синтеза фуллеренов.
На научной конференции в Австрии (1994), которую организовал
В.Кретчмер, доклад Г.Чурилова не только не потерялся во множестве
других, но и вызвал живой персональный интерес у В.Кретчмера. Он
отметил работу красноярцев как уникальный синтез, имеющий новое
перспективное решение.
Так в Красноярске появились технологические средства производства
фуллеренов, позволяющие направлению развиваться дальше.
В 1995 году была объявлена государственная программа "Интеграция"
и возможность получения соответствующих интеграционных грантов
Минвуза и Академии наук. Новое направление науки о фуллеренах как
нельзя более соответствовало требованиям этой программы. Именно
оно позволяло обучать студентов, магистров и аспирантов новым
научным идеям на современном оборудовании.
Впоследствии эту инициативу поддержали Красноярские
технологический и государственный университеты и Аэрокосмическая
академия. Вскоре в рамках программы был организован
Физико-технологический институт, открыта специализированная
кафедра плазмохимических технологий. В тематику влилась молодежь
из вышеназванных вузов, а факт существования фуллеренов, как
реального материала, сразу привлек внимание многих специалистов и
исследователей. Это были химики, физики, биофизики, медики.
Химик В.Исакова стала изучать вопросы получения фуллереновых
растворов и их очистки. Физики А.Корец и Я.Татаренко -- вопросы
идентификации фуллеренов с помощью электронной спектроскопии в
видимой ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Биофизик
Я.Пухова заинтересовалась водорастворимыми комплексами
фуллеренов, а медики -- их использованием в качестве биологически
активных соединений.
Тем временем в мире фуллеренов произошло очень знаменательное
событие. 7 декабря 1996 года была вручена Нобелевская премия трем
американским ученым (Р.Смолли, Р.Керн, Г.Крото), за которыми
комитет закрепил статус первооткрывателей.
К этому моменту в Красноярске уже фактически завершались
исследования биологической активности водорастворимых комплексов
фуллеренов и 26 июня 1996 года в ДАН по биохимии и биофизике
академиком К.Александровым была представлена статья о результатах
работы группы красноярских физиков Г.Чурилова, Я.Пуховой и др.
Исследование водорастворимых соединений фуллеренов открыло новое
перспективное направление, связанное с возможностью использования
их в биологии и медицине, т.к. фуллерены, обладая определeнным
числом ненасыщенных связей, являются уникальными объектами
акцепции электронов, а также идеальными реагентами для
радикальных реакций. Это позволяет использовать их в качестве
потенциальных "ловушек" (антиоксидантов) при гиперпродуцировании
активных форм кислорода, являющегося ведущим механизмом при
старении организмов или его патологическом состоянии. В процессе
работы исследовалось влияние различных водорастворимых
комплексов, содержащих как высшие, так и низшие фуллерены, на
кислородный метаболизм в системе крови пациентов с разной
патологией. Исследования проводились на биолюминометре 3601,
разработанном СКТБ "Наука". Результаты исследований показали, что
высшие фуллерены обладают большей активностью и являются более
перспективными в качестве веществ, оказывающих влияние на
окислительно-восстановительные процессы в органических
соединениях. Это очень важно, так как всe это может быть
использовано для создания препаратов, обладающих биологической
активностью противораковой и противовирусной направленности.
Об этих работах Г.Чурилов рассказывает со свойственной ему
осторожностью: "Фуллерены -- это еще не лекарства. Мы нашли
только путь, как делать из него препараты определeнного
направления".
Интеграционный проект и создание кафедры плазменных технологий
позволили решить ещe одну очень важную задачу -- формирование
коллектива исследователей. Студенты, магистры Технического
университета, Аэрокосмической академии и КГУ не только слушают
спецкурс по фуллеренам, но и включаются в исследовательскую
работу.
Среди них есть студентка последнего курса КГУ --
Н.Булина (на фото), за
которой числится уже 18 участий в научных конференциях. На
последней международной конференции в Санкт-Петербурге она
выступила со стендовым докладом по фуллереновому сальвату с
примитивной гексогональной ячейкой.
Перспективы исследований по фуллеренам очень велики. Новый метод
синтезирования фуллеренов с использованием плазменного факела ВЧ
диапазона с длиной до 0,75 м предоставляет возможность
конструировать на молекулярном уровне различные фуллереновые
комплексы. Собственно, метод позволяет внедрять в различные части
клетки разные компоненты и имплантировать, таким образом, в
молекулярную клетку фуллерена те или иные фракции веществ или их
комбинаций.
Получаемые гетеро- и эндоэдральные фуллерены могут обладать
весьма интересными и полезными свойствами. Например, если в
фуллереновую клетку будет имплантирован и закреплeн возбуждeнный
атом водорода, то полученное вещество может стать абсолютным
поглотителем электромагнитного излучения, а краска с таким
веществом может сделать предмет невидимым для радаров. Эти же
свойства возбуждeнного атома могут быть использованы для создания
рабочего тела лазеров.
* * *
Таким образом, установка Чурилова с еe длинным плазменным факелом
даeт возможность манипулировать на молекулярном уровне, получая
разные фуллереновые производные. В этом еe существенное
преимущество перед точечным источником Кретчмера, используемым,
как правило, исследователями фуллеренов. Протяженный источник
плазмохимического синтеза даeт возможность не только
разнообразить технологию получения фуллеренов, но и существенно
увеличить их производство и снизить стоимость.
Проблема синтеза таких малых частиц привлекает в последнее время
всe большее внимание и интерес специалистов -- теоретиков,
экспериментаторов и практиков. Актуальность и перспективность
тематики подтверждается тем, что она включена в список
критических технологий страны и занимает там приоритетное
положение. В КНЦ работы этого направления имеют давнюю историю.
Начинались они с организации исследований ультрадисперсных
алмазных порошков, основным идеологом и организатором которого
был А.Ставер, бывший ректор Технического университета, ученик
М.Лаврентьева. Теперь это направление стало многообразным и
всеобъемлющим, включающим исследования различных наноструктур
материалов, решающим теоретические и практические проблемы
атомной инженерии. Обзорный доклад Г.Чурилова по фуллеренам на
последней научной конференции, посвящeнной памяти А.Ставера,
носил заказной характер и оказался одним из центральных,
привлекших всеобщее внимание.
Фото из архива исследователей.
г. Красноярск.
стр.
| 
