Алмаз (трехмерная симметрия)

Структура алмаза на атомном уровне симметрична и гармонична (илл. 28). Каждое ядро атома углерода является центром четырех орбиталей электронов. Орбитали протянуты к четырем соседним ядрам, которые расположены в вершинах правильного тетраэдра. Такое расположение очень эффективно, поскольку электроны избегают друг друга, посещая два разных ядра. Электроны при такой расстановке счастливы и не желают ничего другого. Их трудно оторвать, и поэтому-то алмазы так трудно поцарапать! Чистые алмазы прозрачны в сущности по той же причине: фотоны видимого света не могут доставить достаточно энергии, чтобы заставить электрон изменить свое состояние. (Алмазы нечистые, где к углероду примешиваются некоторые другие элементы, или дефектные, с нарушениями кристаллической структуры, могут иметь цвет. Существует сложная система сортировки и оценки цветов ювелирных алмазов. Некоторые виды несовершенства оказываются лучше других или даже лучше самого совершенства…)

Илл. 28. Структура алмаза

Каждое ядро углерода делит электроны с четырьмя другими в вершинах описанного тетраэдра. Это заполняющая пространство трехмерная структура

Илл. 29. Структура графена

Каждое ядро углерода делит электроны с тремя другими в вершинах равностороннего треугольника. В этой сотовой структуре, которая может распространяться бесконечно, мы узнаем одну из трех бесконечных платоновых поверхностей

Графен (двумерная симметрия) и графит (2 + 1)

Самая стабильная форма элементарного углерода при комнатной температуре и нормальном давлении – это не алмаз, а графит. Вопреки своей широко разрекламированной репутации алмазы не вечны. Если пройдет достаточно много времени, они превращаются в графит (но пусть у вас не перехватывает дыхание). Графит – это черный материал, из которого делают грифели карандашей, а также широко используют как промышленную смазку. На атомном уровне графит – это сильно слоистый материал, состоящий из многих слоев графена (илл. 29), которые слабо связаны между собой. Слабость связи между слоями позволяет им легко скользить друг вдоль друга или сниматься. Это объясняет смазочные способности графита, а также способность оставлять штрихи на поверхностях. Мы говорим, что графит имеет 2 + 1 измерение, потому что его двумерные листы можно бесконечно укладывать друг на друга.

Графен, однослойная версия графита, является простейшим и самым эффектным материалом этого рода.

В течение десятилетий его изучали теоретически, прежде чем смогли получить в лаборатории. Поскольку графен так прост и правилен, квантовые физики-теоретики смогли с уверенностью и достаточно детально предсказать его свойства. Ожидалось, что графен будет чем-то феноменальным, если его смогут производить. Но можно ли его получить?

Графен впервые был выделен Андре Геймом и Константином Новоселовым в 2004 г. В методе открытия было что-то от науки XIX в., каким-то образом перескочившее в век XXI. Они начали с карандашных штрихов, в которых обычно содержится несколько углеродных слоев, состоящих из графита. Потом ученые применили самоклеющуюся ленту, чтобы снять несколько слоев и перенести следы штрихов на тонкие предметные стекла. Эти следы составили нерегулярную поверхность, где были пятна, на которых углерод отсутствовал вообще, и те, где он сократился до одного слоя (графена!), а также пятна, где углерод имел толщину в два слоя и т. д. Различные слои показывали слегка отличающиеся цвета под поляризованным светом, поэтому Гейм и Новоселов смогли распознать пятна графена и изучить их свойства достаточно хорошо, чтобы доказать, что они и в самом деле являются пятнами новой модификации углерода – графена. В 2010 г. за эту работу Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике.

Графен имеет уникальные механические и электрические характеристики, которые сулят множество способов его применения. Вдохновленные этими перспективами люди уже нашли некоторые более эффективные способы получать его. Одно оптимистичное и, быть может, не столь уж сумасшедшее исследование предсказывает появление рынка графена объемом в 100 миллиардов долларов в следующие несколько лет.

Сейчас я просто упомяну один ключевой момент, который легко понять и который хорошо подходит к нашим размышлениям. Как и в кристаллической решетке алмаза, правильное, эффективное расположение электронов на плоскости графена настолько предпочтительно, что их трудно разбить или заставить разойтись. Поэтому графен является исключительно прочным, крепким материалом. В то же время, поскольку его толщина составляет всего один атомный слой, лист графена легок и гибок. Обосновывая присуждение премии в 2010 г., Нобелевский комитет упомянул, что гамак из одного квадратного метра графена может выдержать кошку, но весить будет примерно столько же, сколько один из ее усов. Насколько я знаю, конкретно этот эксперимент еще никто не поставил.