Как давно известно, космическая пустота, разделяющая звезды, не столь уж и пуста. Нет, в том, что мы на Земле привыкли называть вакуумом, на единицу объема приходится гораздо больше вещества, чем в межзвездном пространстве. Но и вдалеке от звезд частицы материи встречаются, причем в количестве, достаточном для того, чтобы серьезно затруднять астрономические наблюдения. Межзвездное вещество поглощает часть излучения звезд и само излучает, поэтому в ходе спектрального анализа небесных тел неизбежно случаются искажения, которые надо учитывать. С одной стороны, это помеха, с другой — само по себе бесценный источник знаний.
Собственно, именно странное поведение спектра звезды Дельта Ориона и укрепило немецкого астронома Гартмана во мнении, что межзвездное вещество действительно существует. Дело было в 1904 г. Ученый наблюдал Дельту Ориона, которая является системой из двух звезд, вращающихся вокруг общего центра масс, следовательно, источник света должен то приближаться, то удаляться от наблюдателя. Основная масса фиксируемого излучения периодически менялась в соответствии с эффектом Доплера, но некоторая его часть оставалась неизменной. Гартман сделал вывод, что источником постоянного излучения является не двойная звезда, а нечто, расположенное между звездой и наблюдателем. Впоследствии его выводы подтвердились.
С тех пор прошло более ста лет, и познания человечества о веществе, заполняющем межзвездное пространство, существенно расширились, хотя по-прежнему далеки от удовлетворительных. Его структура и прочие свойства вызывает множество вопросов, но теперь, по крайней мере, известно, что космические образования, внешне напоминающие облака, далеко не всегда представляют собой неимоверно далекие скопления звезд вроде туманности Андромеды. Иногда это действительно облака, состоящие из мелких частиц, отражающие свет ближайших звезд или испускающие собственный. Предположительно, масса такой распыленной материи в нашей Галактике составляет около 5 % общей массы, т. е. она довольно значительна и соизмерима с массой звезд. (Вопрос о так называемой темной материи мы на этот раз оставим в стороне. Он очень сложен и не имеет прямого отношения к основной теме статьи).
Постепенно проясняется и вопрос о химическом составе межзвездного вещества. По современным данным, подавляющую часть составляет водород. На втором месте гелий. Кроме газов, в межзвездных облаках в большом количестве присутствует космическая пыль. В основном это мелкие частички углерода и кремния. Находили там и другие элементы. Да вот что далеко ходить, Гартман, изучая странности в свечении Дельты Ориона, подтвердил наличие в межзвездной среде кальция. В среднем на 10 000 атомов водорода приходится около 1 000 атомов гелия, 5 атомов кислорода и менее 1 атома других элементов.
По мере того, как совершенствовались методы спектрального анализа, а наблюдения начали вести не в одном лишь видимом спектре, в космосе начали определять не только отдельные элементы, но и молекулы. Первой молекулой, открытой в космосе по собственному излучению, была молекула гидроксила ОН (1963). Первые многоатомные молекулы — молекулы воды и аммиака открыты в 1967 г. В 1970 г. найдена первая углеродсодержащая молекула — молекула СО, радиолиния которой наблюдается почти во всех областях межзвездной среды.
В 70-е гг. были впервые открыты и более сложные органические соединения — формальдегид, метанол и др. В 1993 г. было обнаружено свыше 80 молекул, наиболее тяжелой среди них была 13-атомная молекула HC11N. В составе межзвездных облаков до 2007 г. было обнаружено более 150 различных молекул и частиц, большая часть которых органические, т. е. имещие в своей основе углеродную цепочку. Cейчас известны свыше 200 веществ. В диффузных облаках найдены ароматические углеводороды, спирты, цианистый водород, цианацетилен, муравьиная кислота. Из неорганических молекул — H2, O2 и N2. Oксиды — SO, CO, NO, SiO, N2O, SO2, FeO, соединения водорода — LiH, Н2O, HCl, HF, NH3, HDO, HCN и H2S. Cоли — KCl, NaCl, NaCN. Среди всего этого разнообразия мы остановимся на одной очень любопытной разновидности соединений — фуллеренах.
Фуллеренами называются очень сложные молекулы, имеющие углеродный каркас, состоящий из многих десятков атомов, образующих выпуклый замкнутый многогранник с пяти- или шестиугольными гранями. Больше всего они напоминают футбольный мяч, но название свое получили от имени известного инженера и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который очень любил использовать купола подобной конструкции. Наиболее изученными являются фуллерены, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. Их соответственно обозначают как С60 и С70. Если в состав молекулы фуллерена, помимо атомов углерода, входят атомы других химических элементов, и они расположены внутри углеродного каркаса, то такие фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными.
Возможность существования таких карбоновых «мячиков» теоретически обосновали в 1973 г. советские ученые Д. Бочвари Е. Гальперн, а реально они были обнаружены в 1985 г. при изучении спектра графита, который испаряли с помощью лазера. Исследование проводили Роберт Керл, Харольд Крото и Ричард Смолли. Спустя одиннадцать лет это их открытие было удостоено Нобелевской премии.
Поначалу фуллерены наблюдали лишь в лабораторных условиях, например, в саже, возникающей в дуговом разряде на графитовых электродах. Потом их обнаружили в природе: в составе шунгитов, морского воздуха и в космосе. Первые данные, указывающие на наличие фуллеренов в межзвездных облаках, были получены в1994 г. Позже они подтведились.
Увы, на Земле фуллеренов находят немного, их синтез — дело сложное и затратное, между тем они обладают целым рядом замечательных и полезных качеств. Так, фуллериты, кристаллы на основе фуллеренов, отличаются довольно редкими оптическими характеристиками, которые позволяют использовать их как ограничители лазерного излучения. Они также являются полупроводниками и могут служить материалом для диодов, транзисторов и фотоэлементов, имеющим ряд преимуществ перед традиционным кремнием. В то же время некоторые соединения С60 при низких температурах обретают сверхпроводимость.
Еще одна заманчивая возможность — усовершенствованные фуллереновыми добавками технологии выращивания алмазных пленок, которые, в свою очередь, — первые претенденты на активное использование в микроэлектронике следующего поколения. Специалисты полагают, что, двигаясь этим путем, можно будет увеличить скорость роста пленок в 5 раз.
Благодаря присутствию фуллерена С60 в минеральных смазках на защищаемых поверхностях возникает фуллерено-полимерная пленка толщиной 100 нм. Она препятствует разрушению механизма в результате окисления и температурного воздействия от термической и увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3–8 раз.
И — the last but not the least — медицинское использование. Фуллерены являются мощнейшими антиоксидантами, известными на сегодняшний день. Эксперименты с грызунами и круглыми червями указывают на то, что содержащие их препараты способны замедлять процесс старения и значительно увеличивать продолжительность жизни. В 2007 г. были проведены исследования, показавшие, что они могут также оказаться перспективными для разработки противоаллергических средств. Кроме того, на сегодняшний день синтезированы производные фуллерена, которые блокируют размножение вируса иммунодефицита человека.
Как видим, вещество — замечательное во многих отношениях, но на сегодняшний день добыча или синтез фуллеренов, а особенно их производных, является очень сложной и дорогостоящей технологией. Соответственно и полученные материалы стоят очень дорого. Есть надежда, что решить эту проблему смогут… астрономы.
Нет, человечество пока не планирует добывать фуллерены в космосе. Увы, это невозможно. Ближайшие межзвездные облака, в которых обнаружены углеродные многогранники, находятся от нас на расстоянии 1 000 световых лет. Но, наблюдая межзвездную среду, ученые узнают много нового о химических процессах. Размышления над увиденным приводят к изобретению новых способов синтеза. Около века назад были открыты процессы, скорость которых увеличивалась не при нагревании, а при охлаждении. Постепенно сформировалась отдельная научная дисциплина — криохимия, наука о закономерностях химических превращений при низких и сверхнизких температурах.
Всегда считалось, что в силу низкой концентрации вещества химические реакции в межзвездном пространстве крайне маловероятны. Но когда выяснилось тамошнее химическое разнообразие, было высказано предположение, что в построении межзвездных молекул принимают участие частицы космической пыли. При столкновении с пылинкой атомы адсорбируются на поверхности пылинки и вступают в химические реакции с другими атомами и молекулами. Причем эти реакции происходят с помощью квантово-механического подбарьерного перехода, для которого участникам реакции не требуется большой энергии.
Таким образом, поверхность космической пыли является прекрасным катализатором для формирования молекул из атомов. Потом атомы, которые составляют молекулу, по очереди прилипают к поверхности пылинки. Они бегают по пылинке в результате тепловых движений, сталкиваются друг с другом, и в процессе этих столкновений начинает расти большая молекула. Таким образом, при сверхнизких температурах из наиболее легких элементов (Н, С, N, О) синтезируются более сложные молекулы, похожие на компоненты нефти.
В № 8 за 2017 г. мы рассказывали о том, как сотрудникам Лейденского университета удалось получить глицерин ранее неизвестным науке способом — при сверхнизкой температуре –250 °C. В данном случае открытие не имело промышленного значения. Глицерин гораздо проще и дешевле получить обычным дедовским способом. Но это открытие было важным для понимания химических процессов, протекающих в межзвездных облаках. С фуллеренами может получиться наоборот. Понимание процессов, протекающих в межзвездной среде, поможет найти сравнительно простой и дешевый способ получения фуллеренов в лабораторных условиях. Для этого облака с фуллеренами сравнивают с облаками без них, чтобы выяснить, какие условия окружающей среды способствуют формированию этих молекул.
Статья была опубликована в мартовском номере журнала "Наука и техника" за 2018 год
