В тесноте, да не в обиде
Химики налили воды в фуллерен.
Фуллерены – это футбольные мячики из атомов углерода, размером порядка нанометра. Самый известный фуллерен С60 состоит, как это несложно догадаться, из 60 атомов углерода. Внутри этой молекулы есть полость и химики естественно попытались эту полость чем-нибудь заполнить. Так появился целый класс фуллеренов, внутри которых находится какой-нибудь атом или даже небольшая молекула – это так называемые эндоэдральные фуллерены. Внутрь футбольного мячика запихивали атомы металлов – по одному и сразу несколько, атомы инертных газов, и даже молекулы воды. Зачем химики это делают, справедливо спросите вы, ведь какой может быть химический прок от атома или молекулы, которые сидят «взаперти» в фуллереновой клетке? Оказывается, что есть и ещё какой!
Дело в том, что фуллереновая клетка позволяет изолировать отдельные атомы или молекулы и изучать их, как если бы они были одни в целом мире. Возьмём, к примеру, обычную воду – H2O. Жизнь на нашей планете целиком и полностью зависит от этой простой молекулы с уникальными свойствами. А уникальные они потому, что молекулы воды очень сильно связаны друг с другом, что не даёт жидкости испаряться даже при относительно высоких температурах. Например, сероводород – молекула по структуре аналогичная воде, кипит при температуре –60 °С, а вода при +100 °С. Связи, которые держат вместе молекулы воды и не дают им разлетаться, называются водородными связями. Эти же связи играют важнейшую роль в структуре других жизненно важных для нас молекул: белков, РНК и ДНК. Поэтому учёные уже на протяжении столетия изучают природу этих связей.
Молекулы воды – идеальный объект для изучения водородных связей, поскольку в них нет никаких других атомов, кроме водорода и кислорода. Однако у воды есть другая проблема – водородных связей слишком много, они постоянно создаются и разрываются, образовывая кластеры – группы из десятков и даже сотен молекул, объединённых общей структурой. Естественно, что это мешает изучить идеальную связь между абстрактной молекулой №1 и молекулой №2. И вот тут то мы и подходим к объяснению того, зачем же исследователи из Киотского университета «запихнули» внутрь фуллерена целых две молекулы воды.
Но для начала надо сказать, как они это сделали. Фуллерен С60, о котором мы говорили, для этих целей не пойдёт – в него можно поместить одну молекулу воды, но вот две не влезут уже никак. Поэтому надо взять фуллерен побольше, например, С70. Потом в этом фуллерене надо натуральным образом «прорезать дырку». Затем необходимо «уговорить» молекулы воды зайти внутрь образовавшейся клетки. Просто так они это делать не будут, поэтому необходимо применить серьёзные методы убеждения – например, создать давление в 9 000 атмосфер и температуру в 120 °С. А после того, как молекулы зашли в фуллереновую клетку, нужно «закрыть» за ними дверь, опять же, с помощью химических реакций. И вот только после этих сложных ухищрений были получены две молекулы H2O, внутри фуллерена, связанные одной единственной водородной связью. А дальше исследователям предстоит изучать этот удивительный объект различными физико-химическими методами.
