Луковица из углерода

Особый интерес к фуллеренам (кристаллическим модификациям углерода) объясняется тем, что среди их производных – сверхпроводники, лекарственные вещества и прочие нужные и полезные вещи. А теперь Роберт Шлёгль (Robert Schlögl), научный сотрудник Института имени Фрица Хабера в Берлине, получил своего рода луковицу из углерода. И тоже с весьма необычными свойствами.

Мономер в производстве химических продуктов

Для подавляющего большинства всё новых и новых веществ, производимых химической промышленностью, исходным сырьём служит от силы дюжина основных химикатов. Один из них – стирол, или винилбензол. Годовой объём мирового производства этой бесцветной жидкости с резким запахом достигает 20 миллионов тонн. Стирол – мономер в производстве полистирола, бутадиен-стирольных каучуков, термоэластопластов и многих других продуктов. Сам стирол получают каталитическим дегидрированием этилбензола. Функцию катализатора выполняют оксиды железа – по крайней мере, так считалось до сих пор. Но теперь Роберт Шлёгль неожиданно обнаружил, что это не так. Оказалось, что реакция идёт лишь в том случае, если оксиды железа покрыты тонким слоем углерода. Более того, присутствие оксидов железа вовсе не обязательно: достаточно одного углерода. Правда, не любого, а его вполне определённой кристаллической модификации. Роберт Шлёгль говорит:

"Это алмазная пыль, которая возникает в процессе искусственного получения алмазов из графита посредством взрывной технологии. Существует целый ряд заводов по производству алмазов методом детонационного синтеза – прежде всего, в России. Так вот, при этом образуется чёрное вещество, внешне совсем не похожее на алмаз, однако имеющее его кристаллическую структуру. Можно назвать эту сажу отходом производства синтетических алмазов. Речь идёт о количествах, измеряемых сотнями граммов".

Катализатор в производстве стирола

Нагревая эту алмазную сажу, Роберт Шлёгль получает миниатюрные луковицы из углерода. Эти частицы представляют собой сложные структуры, состоящие из множества расположенных в несколько слоёв вогнутых чешуек. Именно здесь берлинский учёный и обнаружил те самые структурные элементы, которые выполняют роль катализатора в производстве стирола:

"Среди этих углеродных луковичных чешуек и находится в чистом виде та самая идентифицированная нами в качестве катализатора дефектная структура. То есть максимальная плотность активных центров достигается на этом самом углероде. Это позволяет нам сделать два важных вывода: во-первых, мы теперь смогли убедиться в том, что наша гипотеза о химической природе катализатора в данной реакции была верной; а во-вторых, мы получили исчерпывающее представление о том, какую структуру нам следует синтезировать. Ясно также, что получение искусственных алмазом методом детонационного синтеза не может служить промышленным источником углеродных катализаторов в количествах, измеряемых тоннами, – а потребность в этих компонентах именно такова. Тут нам нужно разработать какую-то иную технологию".

Какой метод эффективнее?

Уже сейчас очевидно: ни совсем плоские чешуйки, ни слишком сильно искривлённые не годятся на роль катализатора. Идеальной пространственной формой оказалась лёгкая вогнутость. Роберт Шлёгль говорит:

"Именно эти участки нам и нужны. И мы увеличиваем их количество за счёт того, что стараемся создать в системе оптимальное внутренне напряжение. Если привнести слишком сильное напряжение, получится гомогенно замкнутое тело; такая форма не годится. Если не прикладывать никакого напряжения, то получатся плоские пластины, вообще не имеющие дефектных участков и, как следствие, активных центров, за исключением физической границы чешуйки. Если же выбрать правильное напряжение, в структуре образуется множество мелких дефектов, и это как раз то, что надо".

Главное преимущество – экономия энергии

Луковичные чешуйки из углерода оказались весьма эффективным катализатором в производстве стирола. Они позволили почти две трети объёма исходного сырья превратить в конечный продукт, в то время как для катализатора на базе оксидов железа этот показатель не превышает 50 процентов. Но основное преимущество нового катализатора не в этом. Промышленность рассчитывает на значительную выгоду от внедрения новинки по другой причине. Роберт Шлёгль говорит:

"Главный недостаток используемой сегодня стандартной промышленной технологии состоит в том, что катализатор на базе оксидов железа сам по себе не способен обеспечить протекание реакции, он требует десятикратного количества водяного пара. Значит, для производства 20 миллионов тонн стирола приходится производить 200 миллионов тонн водяного пара, совершенно нам не нужного. Достаточно подсчитать, во что обходится производство этого пара, и сразу же становится ясно, каких огромных потерь удалось бы избежать, если бы можно было отказаться от этих бессмысленных энергозатрат. Вот в этом и заключается самое главное достоинство нашей технологии: она вообще не требует водяного пара. То есть тут речь идёт не о том, чтобы несколько сократить энергоёмкость процесса, а о том, чтобы сэкономить всю энергию, которая сегодня расходуется на получение пара".

Применение ветвистых молекул в промышленности

А кроме того, это означает, что стирол можно будет производить на небольших предприятиях и тем самым уменьшить объёмы транспортировки опасных грузов и связанный с этим риск – ведь стирол ядовит.

Дальнейшая переработка стирола связана, как правило, с процессом так называемой полимеризации. Он является одним из основных процессов в производстве пластмасс и состоит в последовательном присоединении молекул мономера к активному центру на конце растущей цепи. Иногда в силу разных причин синтез таких длинных молекул нарушается, и цепи, вместо того, чтобы расти только в длину, начинают ветвиться. Вместо линейных полимеров образуются так называемые дендримеры. До сих пор технологи старались всячески подавить подобные нежелательные реакции.

Однако теперь химики обнаружили, что и ветвистые молекулы могут найти широкое применение в промышленности. Группа учёных Боннского университета во главе с Фрицем Фёгтле (Fritz Vögtle) с недавних пор изучает свойства этих молекул, своей структурой напоминающих трёхмерную снежинку или развесистую древесную крону. Получение молекул-дендримеров не представляет особых трудностей, – говорит Фриц Фёгтле:

"Преимущество состоит в том, что достаточно синтезировать лишь один фрагмент такого пирога – ядро макромолекулы, – а дальше она растёт сама собой. То есть весь дальнейший синтез уже не требует ни усилий, ни расходов".

Сферы применения дендримедов

Многие полезные свойства дендримеров напрямую вытекают из их структуры. Так, наличие пустот внутри молекул позволяет использовать их в качестве фильтров, пропускающих лишь те частицы, линейные размеры которых не превышают определённой предельной величины. Те же самые пустоты делают возможной и совсем иную сферу применения дендримеров: в них можно как бы "спрятать" те или иные субстанции – например, лекарственные препараты, – и таким образом "протащить" их через такие трудно преодолимые барьеры, как, скажем, оболочка клетки.

Дендримеры, способные транспортировать внутрь клетки наследственный материал, уже имеются на рынке. А поскольку на такие молекулы можно навесить и частицы флуоресцентных красителей, они идеально подходят на роль биомаркеров и экосенсоров. Ведь использование именно таких красителей лежит в основе многих методов медицинской диагностики, равно как и технологий природоохранного мониторинга.

Преимущество больших молекул

С недавних пор особый интерес учёных вызывают молекулы не сферической, а цилиндрической формы. При диаметре всего в несколько нанометров такие макромолекулы могут достигать в длину сотен нанометров и относятся, таким образом, к самым крупным молекулам из всех, когда-либо созданных химиками.

По мнению Дитера Шлютера (Dieter Schlüter), профессора химии в Свободном университете Берлина, это открывает перед исследователями новые перспективы:

"Работая с такими большими, действительно очень большими молекулами, можно попытаться перекинуть мост между биологией и материаловедением, поскольку мы как бы находимся в той области величин, к которой относятся и биологически активные молекулы или, скажем, вирусы. А это позволяет обратиться к очень интересным вопросам. Так, материаловеды могут попытаться придать какому-то веществу определённые физические свойства, выстраивая их снизу, с молекулярного уровня. Но для этого нужны молекулы такой величины, чтобы можно было использовать вполне определённые технологии и методы исследования – например, атомносиловую туннельную микроскопию".

Эта техника уже сегодня позволяет с помощью очень тонкой иглы изымать из образца отдельные молекулы и переносить их на другое место. Дитер Шлютер тоже говорит о разных сферах практического применения своих цилиндрических молекул – например, в качестве миниатюрных токопроводящих кабелей. Правда, это потребует ещё нескольких лет напряжённого труда.

Владимир Фрадкин, НЕМЕЦКАЯ ВОЛНА