ИГРАЕТ ЛИ БОГ В ФУТБОЛ? ФУЛЛЕРЕНЫ

Быть может, Бог и не играет в кости, но не исключено, что он играет в футбол.

Гарри Крото

Размышляя над Платоновыми телами, Архимед (около 287-212 года до нашей эры) вскоре отметил возможность получения 13 новых почти правильных многогранников. Симметрично срезая все углы куба, тетраэдра, октаэдра, додекаэдра и икосаэдра, можно получить пять их усеченных эквивалентов, которые мы называем архимедовыми телами. Грани этих пяти тел по-прежнему являются правильными многогранниками, хотя не все из них одинаковы; все их вершины схожи, но некоторые грани различаются. Аналогичным образом можно сконструировать еще восемь архимедовых многогранников. Мы можем считать их самыми симметричными телами после Платоновых и звездчатых многогранников.

Одно из этих архимедовых тел оказалось особенно важным в масштабах Вселенной и является ключевой фигурой в развитии химии в течение последнего двадцатилетия. Это уникальное тело – усеченный икосаэдр Архимеда. Он имеет 60 вершин, 32 грани, которые стыкуются по три в вершине, и 90 ребер. Из 32 граней 20 являются шестиугольниками, а 12 – пятиугольниками, при этом в одной вершине сходятся два шестиугольника и один пятиугольник.  Это элегантная структура, и она на самом деле вам гораздо более знакома, чем кажется на первый взгляд. Типичный футбольный мяч до недавних пор имел именно такое строение с отдельными пятиугольными фрагментами черного цвета и шестиугольными фрагментами белого цвета.

Архитектор Ричард Бакминстер Фуллер (1895-1983) использовал икосаэдральные формы при конструкции геодезических куполов, которые он изобрел в 1949 году. Бакминстер Фуллер был конструктором-самоучкой. Он опирался на математическую симметрию при разработке сооружений, оптимальных в различных отношениях: с минимальным расходом материалов, с максимальной прочностью конструкции, с простотой в сборке. Он учитывал то, что некоторые материалы, крайне непрочные в одних условиях, приобретают значительную прочность, если придать им определенную геометрическую конфигурацию. Простейший пример тому – яичная скорлупа.

Бакминстер Фуллер предложил оригинальное решение для американского павильона на Всемирной выставке 1967 года в Монреале. Это был особый геодезический купол с гранями, составленными из шестиугольников и пятиугольников, образующих усеченный икосаэдр. Такое замечательное олицетворение симметрии и функциональности впечатлило . многих ученых и конструкторов. В их числе был Гарольд Крото, химик, который всегда интересовался архитектурой и графическим дизайном.

Первая страница обложки журнала Nature от 14 ноября 1985 года, в котором Роберт Кёрл, Гарольд Крото и Ричард Смолли объявили об открытии 60-атомной молекулы углерода

Он был моим коллегой в Сассекском университете и даже участвовал в собеседовании, когда меня принимали на преподавательскую работу. Гарольд давно интересовался возможностью формирования углеродных молекул в виде длинных цепочек в необычных условиях внутри молекулярных облаков в пространстве. Проверка предположений такого рода включает два шага: вначале нужно попытаться получить подобные цепочки в экстремальных условиях, искусственно созданных в лаборатории, а потом выяснить, совпадает ли спектр излучения каких-либо молекул во Вселенной со спектром искусственно созданных цепочек. В 1985 году Гарольд исследовал этот вопрос в лаборатории университета Раиса в Техасе вместе с группой ученых под руководством Ричарда Смолли и Роберта Кёрла, в которую входили также магистранты Джеймс Хит и Шон О’Брайен. Они разбивали небольшие группы атомов углерода лучом лазера, а потом исследовали испаренные частицы после их конденсации, проверяя, образовались ли какие-либо интересные новые углеродные скопления. Они обнаружили, что все новообразованные скопления имели четное число атомов и при некотором изменении условий эксперимента им удавалось получать такие скопления, которые почти всегда содержали 60 атомов углерода.

Гарольд ломал голову над результатами эксперимента, и вся группа пыталась понять, почему углерод преимущественно принимал именно эту 60-атомную форму. Он вспомнил о куполе Бакминстера Фуллера и еще – о похожей игрушке, которую он сделал из картона для своих детей. Позвонив домой в Англию, он уточнил, что в геометрическом отношении его модель была именно усеченным икосаэдром, и понял, что углерод объединяется в такую же структуру, в каждой из 60 вершин которой находится по одному атому. Смолли занялся подготовкой бумажной модели из пятиугольников и шестиугольников. Работа была завершена за безумные 11 дней, начиная с 1 сентября 1985 года, и отправлена в журнал Nature 12 сентября. В редакции статью получили 13 сентября и уже на следующий день опубликовали, а рисунок усеченного икосаэдра украсил первую страницу обложки.

Со временем эти углеродные формы получили множество названий. Первоначально они были названы в память о догадке, навеянной куполом Бакминстера Фуллера. Это название вскоре сократилось до фуллеренов, или же, менее официально, шаров Баки; иногда также их называют соккеренами.

Прототип купола Бакминстера Фуллера – ромбический эннеаконтаэдр. Университет Вашингтона, Сент-Луис. 1954

Эта новая форма углерода произвела настоящую революцию в химии, практически объединив органическую и неорганическую химию и предоставив новые способы создания материалов на молекулярном уровне. Кёрл, Смолли и Крото разделили Нобелевскую премию по химии 1996 года. Эффектный внешний вид фуллеренов сделал их символами современной химии, появилась масса их изображений на обложках журналов, в которых провозглашалось, что открытие таких молекул по своей значимости уступает только открытию ДНК.