За допомогою комп'ютерного моделювання фізики показали можливість існування нового вуглецевого матеріалу, аналога унікального графена, атоми в якому розташовані за принципом Каїрської мозаїки.
Коли атоми вуглецю об'єднуються з атомами водню, вони утворюють молекули. Якщо потім ці молекули дістати з-під землі, то їх можна продати на нафтовому ринку. Це ті самі вуглеводні, від яких тепер так сильно залежить сучасне життя. Але вуглець цікавий навіть у відсутності водню. Наприклад, якщо один атом вуглецю утворює зв'язок з чотирма іншими такими ж атомами, то може вийти об'ємна структура. Це діамант. Якщо ж вуглець захоче утворити зв'язок не з чотирма, а тільки з трьома собі подібними атомами, то вийде слоїста структура, і вже не така цінна - всього лише графіт, з якого роблять олівці. Але от якщо відокремити плоскі шари графіту один від одного, то цінність цієї форми вуглецю знову різко зросте, а за відкриття такого матеріалу отримують Нобелівську премію. Ось тільки графен, що складається з одинарного шару атомів вуглецю, вже відкрили, і премію за нього вже отримали. Є ще конфігурація вуглецевих атомів, в якій вони утворюють структуру за формою футбольного м'яча. Називається вона фуллерен, і його відкриття теж було удостоєно вищої нагороди в науковому світі. Начебто всі можливі комбінації атомів вуглецю вже випробувані, і «вуглецеві» Нобелівські премії закінчилися, але, можливо, що це не зовсім так.
Чим такий унікальний графен? Перш за все, своєю структурою. Вона складається з площини, утвореної правильними шестикутниками з атомів вуглецю. Ключові слова тут «площина» і «правильні». Тут доведеться згадати трохи геометрії. Правильним називається багатокутник, у якого всі сторони і всі кути рівні. Наприклад, квадрат - це правильний чотирикутник, у нього всі сторони рівні і всі кути по 90 градусів. А ось прямокутник - неправильний. У нього хоч всі кути теж прямі, але сторони різні: дві довгі і дві короткі. Ромб теж неправильний - сторони у нього однакові, а от кути немає. До чого все це? Існують лише три правильні багатокутники, з яких можна зробити площину - це рівносторонній трикутник, квадрат і шестикутник. Ви можете отримати площину, що складається з ромбів, але це неправильні багатокутники. А з правильних восьмикутників або з п'ятикутників не вийде зробити паркетний пол. Можна тільки з трикутників, квадратів і шестикутників.
Чому ж існує графен, в якому атоми утворюють шестикутники, але не існує плоского вуглецю, який складається з трикутників або квадратів? Причина в самому вуглеці. Для того, щоб зробити площину з правильних трикутників, атому вуглецю довелося б утворити зв'язки з шістьма сусідніми атомами. А атом вуглецю може утворювати максимум чотири зв'язки. Може, тоді паркет з вуглецевих квадратів? Так, але це не буде площина - електронна структура атома вуглецю така, що чотири зв'язки він може утворити тільки в просторі, і вийде алмаз. А ось чотири зв'язки на площині - ніяк. Здавалося б, ніяких інших дозволених варіантів немає, і нових Нобелівських премій за нові вуглецеві структури більше не передбачається. Однак у природі, буває, працює принцип, що якщо не можна, але дуже хочеться - то можна.
Геометрія стверджує, що не можна замостити паркет з правильних п'ятикутних дощечок. А вуглець може утворювати правильні п "яти- і шестикутники. Атоми в природі люблять утворювати симетричні структури, це відповідає принципу найменшої енергії. Спотворення правильної симетричної структури призводить до підвищення її енергії, і вона прагне повернутися у вихідний стан. З іншого боку, атоми об'єднуються один з одним теж через енергетичну вигоду - разом економічніше. Що буде, якщо спробувати побудувати площину з атомів вуглецю, утвореної п'ятикутниками, нехай і не зовсім правильними?
Фізики з університетів Америки, Китаю та Японії за допомогою комп'ютерного моделювання спробували подивитися, чи може існувати така вуглецева площина з п'ятикутників. Ідея дослідження народилася у професора Цянь Ванг, коли вона разом зі своїм чоловіком обідала в ресторані, на стіні якого висіла фотографія однієї з вулиць Каїра. Вулиця була вимощена різнокольоровим камінням у формі п'ятикутників. Такий варіант мозаїки якраз і називається Каїрською, тому що часто зустрічається на вулицях столиці Єгипту. Вона складається з п'ятикутників, у яких одна сторона трохи коротше чотирьох інших. Багатокутник виходить неправильним, але вуглець може спробувати піти на «поступку» у вигляді порушення симетрії, за рахунок більш вигідного утворення плоскої структури.
Проведені розрахунки показали, що така структура виявляється дуже стабільною і володіє великою міцністю. Крім того, у неї можуть бути цікаві властивості, несхожі на властивості графена. Новий матеріал повинен бути напівпровідником, на відміну від графена, який вільно проводить електрику. Іншою унікальною властивістю може виявитися негативний коефіцієнт Пуассона. Цей коефіцієнт визначає те, як речовина реагує на розтягнення. Більшість матеріалів, якщо їх почати розтягувати вздовж якогось напрямку, стають тоншими - якщо ви потягнете гумку в різні боки, то вона буде все тонше і тонше, поки не порветься. Це матеріал з позитивним коефіцієнтом Пуассона. А ось якщо коефіцієнт негативний, то матеріал починає утовщатися при розтягуванні. Така дивовижна властивість можлива в новому матеріалі за рахунок специфічного напрямку і кількості міжатомних зв'язків.
Ну, і останнє, а де ж сама нова модифікація вуглецю? Поки це всього лише комп'ютерне симулювання, і готової відповіді на те, як отримати такий матеріал, у дослідників ще немає. Чому такої структури, якщо вона повинна бути стабільна, не виявлено в природі, залишається питанням. Хоча, треба сказати, що про існування футбольних м'ячиків з вуглецю теж раніше ніхто не здогадувався. Однак вчені посвітили лазером на графіт, вивчили сформовані пари і знайшли в них молекули фуллерена. І тільки потім вже такі структури були знайдені в природі і навіть у космосі. Тож цілком можливо, що отримання пентаграфену теж буде удостоєно високої нагороди.
Фото: Mélisande/Flickr, Raghu Jana/Flickr
За матеріалами: UCU News