История химии с древнейших времен до конца XX века. В 2 т. Т. 2

Зарождение нанотехнологий инициировали еще несколько важных событий объективного и субъективного характера. Первым этапом в эволюции новой отрасли знаний следует считать изобретение в 1981 г. сканирующего туннельного микроскопа.

^{Ричард Филипс Фейнман (1918–1988)}

^{Герд Карл Бинниг}

Сотрудники лаборатории IBM в Цюрихе Г.К. Бинниг и Г. Popep сконструировали прибор, который обладал невиданным до сих пор разрешением: до 0,1 нм по поверхности и до 0,01 нм по глубине^{700}. Такое высокое разрешение позволяло не только получать отчетливые изображения атомов на поверхности образца, но и производить с ними определенные манипуляции^{701}

(см. цв. иллюстрации к данной главе). Таким образом, был создан мощный инструмент, с помощью которого стало возможным визуализировать наноразмерные объекты и изменять структуру веществ на уровне отдельных атомов. Кроме того, сканирующий туннельный микроскоп позволял проводить исследования не только в высоком вакууме, но и в атмосфере различных газов, а также в объеме жидкостей^{702}. В СССР первые работы по этой тематике были сделаны в 1985 г. в Институте физических проблем АН СССР.

^{Генрих Рорер}

Следующей важной вехой в становлении нанохимии явилось открытие фуллеренов. В 1985 г. группа ученых — Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли, Джеймс Хис и Шон О’Брайен — исследовала масс-спектры паров, полученных при лазерной абляции образца графита. Они обнаружили пики с максимальной амплитудой, которые соответствовали кластерам, состоящим из 60 и 70 атомов углерода. Возникло предположение, что данные рефлексы принадлежат молекулам C₆₀ и C₇₀

(см. цв. иллюстрации к данной главе). Ученые выдвинули гипотезу, что молекула C₆₀ имеет форму усеченного икосаэдра симметрии I_h. Для молекулы C₇₀ была предложена структура с более вытянутой эллипсоидальной формой симметрии D_5h.

Необходимо отметить, что открытие этой группы веществ имеет свою предысторию. Еще в 1965 г. расчетным путем была подтверждена возможность существования топологической структуры икосаэдрического каркаса, соответствующего соединению валового состава C₆₀

H₆₀.^{703} Пятью годами позже японский химик Е. Осава предсказал существование молекулы C₆₀ и предположил, что по форме структура этого вещества будет напоминать футбольный мяч. Автор опубликовал свою работу в японском издательстве. Поэтому его гипотеза осталась незамеченной европейскими и американскими учеными^{704}. Практически одновременно с японским коллегой к аналогичным выводам о существовании еще одной полиморфной модификации углерода пришел сотрудник британского Центра атомных исследований (AERE Harwell) R У. Хенсон^{705}

. Английский ученый даже представил склеенную из плотной бумаги фигуру, которая, по его мнению, должна была отображать структуру молекулы C₆₀. Однако научное сообщество сочло доводы Р. У. Хенсона недостаточно убедительными.

Полиэдрические кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространенная молекула C₆₀ — бакминстерфуллерена. Эти вещества были названы в честь американского архитектора Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, которые являются основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.

До конца XX в. единственным способом получения фуллеренов являлся их искусственный синтез. В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь определить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. В частности, было установлено, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечали. Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенным результатам. Стоимость 1 г C₆₀ снизилась от 10000 до 10–15 дол., что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

Другой довольно распространенной разновидностью фуллеренов является молекула C₇₀. Гораздо реже образуются вещества с 72, 76, 84 атомами углерода. Структуры всех фуллеренов можно описать с помощью трехмерных выпуклых полиэдров с пяти- и шестиугольными гранями.