Астроном КФУ исследует межзвездные фуллерены, чтобы отыскать новый способ их синтеза на Земле

Материалы на основе сферических углеродных наноструктур, обладающих уникальными свойствами,– самые дорогие в мире, их стоимость достигает $150 млн за грамм.
Форма углерода, получившая название фуллерен, была обнаружена в середине 1970-х гг. английским химиком Гарольдом Крото при изучении спектров звезд. Расшифровка данных спектрального анализа показала наличие в ветре, истекающем от стареющих красных гигантов, и в межзвездной среде больших молекул углерода, состоящих из 60 и более атомов. Синтезировать эти наноструктуры удалось в 1985 году, испаряя графит лазерным лучом и быстро охлаждая плазму. В 1996-м за открытие фуллеренов Роберт Кёрл , Харольд Крото и Ричард Смолли получили Нобелевскую премию по химии. В природе фуллерены существуют в очень малом количестве, например, они были найдены в горных породах и морском воздухе. Эта разновидность углерода имеет каркасную структуру: молекула представляет собой похожий на сферу выпуклый замкнутый многогранник, состоящий из пятиугольных или шестиугольных граней. Внутри углеродного “шарика” образуется полость, в которую можно ввести атомы и молекулы других веществ.
Фуллерены являются мощнейшими антиоксидантами и используются для производства противовирусных препаратов. Недавно, например, были получены модификации фуллерена с противовирусной активностью по отношению к ВИЧ. Кроме того, фуллерены используются в технике – они являются хорошими полупроводниками, а с внедренными атомами щелочных металлов приобретают свойства высокотемпературной сверхпроводимости. Сфера применения фуллеренов постоянно расширяется, и ученые всего мира ищут способы, которые позволили бы синтезировать их в промышленных масштабах. Пока их производство измеряется граммами.
Сегодня существует несколько методов синтеза этих длинных углеродных молекулярных цепочек, и все они очень дорогостоящие. Один из самых популярных – выделение фуллеренов из сажи, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах.
Считается, что в космосе, в условиях глубокого вакуума и низкой плотности вещества, фуллерены могут формироваться другими, неизвестными нам способами. Ученые надеются, что межзвездная «нанолаборатория» подскажет альтернативные пути их синтеза, что позволит снизить стоимость производства этих углеродных структур в земных условиях.
Выяснению механизмов формирования фуллеренов в межзвездной среде посвящено исследование, в котором участвуют астрономы из разных стран, в числе которых выпускники Казанского университета Газинур Галазутдинов, (Северный католический университет, Чили) и Геннадий Валявин (Специальная астрофизическая лаборатория РАН), а также доцент кафедры астрономии и космической геодезии Института физики КФУ , старший научный сотрудник НИЛ “Рентгеновская астрономия” САЕ “Астровызов” (проект “Оптика и рентген”) Владислав Шиманский. Некоторые результаты их совместной работы изложены в статье, опубликованной в 2017 году в международном журнале “Ученые записки Королевского общества”.

Известно, что ближайшие к нам холодные межзвездные облака, в которых астрономам удалось обнаружить фуллерены, находятся на расстоянии примерно 1000 световых лет. Межзвездные облака поглощают часть света, исходящего от звезд, и по особенностям поглощения можно узнать, из чего эти облака состоят. Необходимые для такого анализа спектры излучения 19 далеких звезд были получены по специальной программе наблюдений на 8-метровом телескопе VLT (Чили), который является одним из крупнейших в мире. Изучая и моделируя свет этих звезд, проходящий через межзвездные облака, ученым удалось обнаружить присутствие в облаках фуллеренов, оставивших свой “отпечаток” в виде линий поглощения на строго определенных частотах.
«Мы точно знаем, на каких частотах существуют линии фуллеренов, но основная трудность заключается в умении отделить спектр межзвездной среды от спектра звезды. Поэтому линии фуллеренов мы получим, если «вычтем» из наблюдаемого спектра спектр звезды, а это достаточно сложный процесс. На начальном этапе нами были найдены (впервые) параметры звезд, некоторые из этих звезд оказались уникальными объектами», – пояснил Владислав Шиманский. Размеры и формы линий фуллеренов позволили ученым определить количество вещества, а также то, какие межзвездные облака находятся между Землей и звездой и с какими скоростями они движутся.
«Облака с фуллеренами мы сравниваем с облаками без них, чтобы выяснить, какие условия окружающей среды способствуют формированию этих молекул. В ходе нашего исследования было выявлено, что в одних облаках молекулы находятся в возбужденном состоянии, а в других – в спокойном. Это дает возможность предположить, что и пути их формирования различны», – отметил астроном.