Издавна были известны два вида углерода – графит и алмаз. Первый состоит из плоских слоев, лежащих один на другом, как карты в колоде. В каждом слое связи между атомами очень прочны, но сами слои соединены довольно слабо, легко сдвигаются и ломаются.

Вот почему графит так широко используется для изготовления карандашей. При трении о бумагу графит на кончике карандаша отслаивается и оставляет на бумаге след в виде надписей или рисунков. По той же причине графит иногда применяют в качестве смазки трущихся частей машин и механизмов. Иное дело алмаз – самое твердое и самое прочное вещество в природе. Его атомы группируются так, что образуется необычайно крепкая кристаллическая решетка.

Когда в 1985 году стало известно, что группе химиков (американцам Ричарду Смолли, Роберту Керлу и англичанину Гарольду Крото) удалось открыть новую разновидность углерода, это стало настоящей сенсацией. Некоторые ученые даже отказывались верить удивительному сообщению, считая, что произошла какая-то ошибка. Однако повторные исследования других ученых подтвердили открытие, и десять лет спустя Смолли, Крото и Керл были удостоены Нобелевской премии.

Молекула этой ранее неизвестной разновидности углерода имела кристаллическую решетку, состоящую из 60 атомов. По виду молекула сильно отличалась от известных и напоминала футбольный мяч, сшитый из многогранных лоскутков кожи.

Ричард Смолли

Роберт Керл

Гарольд Крото

Новый вид графита был назван фуллереном в честь архитектора Ричарда Фуллера, который первым спроектировал и построил купол здания, похожий по своей конструкции на молекулу вещества, открытого нобелевскими лауреатами.

Для нанотехнологий открытие ученых-химиков имело огромное значение. Фуллерены – это наночастицы, обладающие некоторыми чертами графита и алмаза, но имеющие и свои, очень ценные, особенности.

Стали известны фуллерены не только шарообразные, но и в форме дыни, построенные из 70–80 атомов. Из веществ, содержащих фуллерены, нанотехнологи научились изготавливать полимеры, очень прочные пленки. Кристаллы (фуллериты) нашли применение в электронике, в компьютерах.

А вскоре были открыты еще более удивительные наночастицы углерода, родственники фуллеренов. Произошло это в 1991 году. Исследуя сажу, которая появлялась после электродугового разряда на электроде, японский ученый Сумио Ииджима увидел незнакомые частицы в виде трубок с закругленными концами и сетчатыми стенками.

Фуллерены удивительно похожи на футбольный мяч

Это были углеродные нанотрубки, диаметром всего около одного нанометра (то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса) и длиной несколько сотых миллиметра. Оказалось, что они бывают однослойными и многослойными, как бы вставленными одна в другую, состоят из нескольких миллионов атомов и обладают просто фантастическими свойствами.

Во-первых, поражает их прочность. Они раз в сто прочнее самой лучшей стали, но при этом гибкие и намного легче. На нити из нанотрубок можно подвесить автобус вместе со всеми пассажирами. Было также подсчитано, что трос из нанотрубок, опущенный на Землю из стратосферы с высоты 15 километров, не разорвется от собственного веса, что непременно случилось бы, будь этот трос сделан из любого иного материала. Считается, что нанотрубки – рекордсмены прочности и что прочнее материала создать просто невозможно.

Японский ученый Сумио Ииджима, открывший углеродные нанотрубки

Нанотрубки могут быть не только отличными проводниками электричества, но и полупроводниками, а значит, просто бесценными материалами в электронике.

Открытия в этой области далеко не завершены. Осенью 2010 года из Стокгольма пришла весть о том, что Нобелевская премия по физике присуждена двум выходцам из России – Константину Новоселову и Андрею Гейму, работающим в Англии в Манчестерском университете. Они получили графен – самый тонкий в природе материал. Это слой углерода толщиной всего лишь в один атом.

Теперь уже никто не сомневается, что значение графена в наноэлектронике невозможно переоценить. Он придет на смену нынешней кремниевой электронике. Из него можно сделать крохотные транзисторы, миниатюрные микросхемы, компьютеры – сверхбыстрые, легкие и экономичные, емкие аккумуляторы, удивительные средства связи. Конечно, сейчас все предвидеть невозможно, поскольку будущее у графена просто фантастическое.

Нанотрубки похожи на ажурные кружева