Каирский гамбит

С помощью компьютерного моделирования физики показали возможность существования нового углеродного материала, аналога уникального графена, атомы в котором расположены по принципу Каирской мозаики.

Когда атомы углерода объединяются с атомами водорода, они образуют молекулы. Если потом эти молекулы достать из-под земли, то их можно продать на нефтяном рынке. Это те самые углеводороды, от которых теперь так сильно зависит современная жизнь. Но углерод интересен даже в отсутствии водорода. Например, если  один атом углерода образует связь с четырьмя другими такими же атомами, то может получиться объемная структура. Это алмаз. Если же углерод захочет образовать связь не с четырьмя, а только с тремя себе подобными атомами, то получится слоистая структура, и уже не такая ценная – всего лишь графит, из которого делают карандаши. Но вот если отделить плоские слои графита друг от друга, то ценность этой формы углерода опять резко возрастет, а за открытие такого материала получают Нобелевскую премию. Вот только графен, состоящий из одинарного слоя атомов углерода, уже открыли, и премию за него уже получили. Есть еще конфигурация углеродных атомов, в которой они образуют структуру по форме футбольного мяча. Называется она фуллерен, и его открытие тоже было удостоено высшей награды в научном мире. Вроде бы все возможные комбинации атомов углерода уже испробованы, и «углеродные» Нобелевские премии закончились, но, возможно, что это не совсем так.  

 Чем так уникален графен? Прежде всего, своей структурой. Она состоит из плоскости, образованной правильными шестиугольниками из атомов углерода. Ключевые слова тут «плоскость» и «правильные». Здесь придется вспомнить немного геометрии. Правильным называется многоугольник, у которого все стороны и все углы равны. Например, квадрат – это правильный четырехугольник, у него все стороны равны и все углы по 90 градусов.  А вот прямоугольник – неправильный. У него хоть все углы тоже прямые, но стороны разные: две длинные и две короткие. Ромб тоже неправильный – стороны у него одинаковые, а вот углы нет.  К чему все это? Существуют только три правильных многоугольника, из которых можно сделать плоскость – это равносторонний треугольник, квадрат и шестиугольник. Можно получить плоскость, состоящую из ромбов, но это неправильные многоугольники. А из правильных восьмиугольников или из пятиугольников не получится сделать паркетный пол. Можно только из треугольников, квадратов и шестиугольников.

Почему же существует графен, в котором атомы образуют шестиугольники, но не существует плоского углерода, который состоит из треугольников или квадратов? Причина в самом углероде. Для того, чтобы сделать плоскость из правильных треугольников, атому углерода пришлось бы образовать связи с шестью соседними атомами. А атом углерода может образовывать максимум четыре связи. Может, тогда паркет из углеродных квадратов? Да, но это не будет плоскость – электронная структура атома углерода такова, что четыре связи он может образовать только в пространстве, и получится алмаз. А вот четыре связи на плоскости – никак. Казалось бы, никаких других оставшихся разрешенных вариантов нет, и новых Нобелевских премий за новые углеродные структуры больше не предвидится. Однако в природе, бывает, работает принцип, что если нельзя, но очень хочется – то можно.

Геометрия утверждает, что нельзя замостить паркет из правильных пятиугольных дощечек. А углерод может образовывать правильные пяти- и шестиугольники. Атомы в природе любят образовывать симметричные структуры, это отвечает принципу наименьшей энергии. Искажение правильной симметричной структуры приводит к повышению ее энергии, и она стремиться вернуться в исходное состояние. С другой стороны, атомы объединяются друг с другом тоже из-за энергетической выгоды – вместе экономичнее. Что будет, если попытаться построить плоскость из атомов углерода, образованной пятиугольниками, пусть и не совсем правильными?

Физики из университетов Америки, Китая и Японии с помощью компьютерного моделирования попробовали посмотреть, может ли существовать такая углеродная плоскость из пятиугольников. Идея исследования родилась у профессора Цянь Ванг, когда она вместе со своим мужем обедала в ресторане, на стене которого висела фотография одной из улиц Каира. Улица была вымощена разноцветными камнями в форме пятиугольников. Такой вариант мозаики как раз и называется Каирской, потому что часто встречается на улицах столицы Египта. Она состоит из пятиугольников, у которых одна сторона чуть короче четырех других. Многоугольник получается неправильным, но углерод может попробовать пойти на «уступку» в виде нарушения симметрии, за счет более выгодного образования плоской структуры.

  Проведенные расчеты показали, что такая структура оказывается очень стабильной и обладает большой прочностью. Кроме того, у нее могут быть интересные свойства, непохожие на свойства графена. Новый материал должен быть полупроводником, в отличие от графена, который свободно проводит электричество. Другим уникальным свойством может оказаться отрицательный коэффициент Пуассона. Этот коэффициент определяет то, как вещество реагирует на растяжение. Большинство материалов, если их начать растягивать вдоль какого-нибудь направления, становятся тоньше – если вы потянете резинку в разные стороны, то она будет все тоньше и тоньше, пока не порвется. Это материал с положительным коэффициентом Пуассона. А вот если коэффициент отрицательный, то материал начинает утолщаться при растягивании. Такое удивительное свойство возможно в новом материале за счет специфического направления и количества межатомных связей.  

 Ну, и последнее, а где же сама новая модификация углерода? Пока это всего лишь компьютерное симулирование, и готового ответа на то, как получить такой материал, у исследователей еще нет. Почему такой структуры, если она должна быть стабильна, не обнаружено в природе, остается вопросом. Хотя, надо сказать, что о существовании футбольных мячиков из углерода тоже раньше никто не догадывался. Однако ученые посветили лазером на графит, изучили образовавшиеся пары и нашли в них молекулы фуллерена. И только потом уже такие структуры были найдены в природе и даже в космосе. Так что вполне возможно, что получение пентаграфена тоже будет удостоено высокой награды.   

Фото: Mélisande/Flickr, Raghu Jana/Flickr

По материалам: UCU  News