14 ноября 1985 года стало исторической датой в мировой науке, когда команда химиков из Университета Райса в Хьюстоне сделала открытие, которое кардинально изменило понимание структуры молекул и открыло новые горизонты в области материаловедения, нанотехнологий и физики. Именно этот день ознаменовал появление новых уникальных молекул — бакминстеровские сферы, или просто "бэки" (buckyballs), получившие название в честь геодезического купола, разработанного известным архитектором и футуристом Ричардом Бакминстером Фуллером.

Истоки этого открытия уходят в далекое 1970-е, когда ученый-углеродист Гарри Крото из Университета Суссекса начал размышлять о природе межзвездных молекул и их необычайных свойствах. У него возник интерес к загадкам, связанным с астрономическими наблюдениями, которые показывали наличие длинных цепочек из углерода в межзвездных облаках. Эти цепочки превышали размеры, позволенные существовавшими тогда теоретическими моделями, что натолкнуло ученых на мысли о возможных необычных формах молекул углерода, способных складываться в особую структуру.

Параллельно с этим в лабораториях по всему миру активно разрабатывались методы исследования молекул с помощью лазеров и спектроскопии. В 1980-х годах ученые из Университета Райса создавали экспериментальные установки, позволяющие эвакуировать и охлаждать атомы углерода в специальных вакуумных камерах. Тогда возникла идея — а что если заменить металлический диск, на поверхности которого с помощью лазерных импульсов образуются атомы, на диск, сделанный из графита — формы углерода, которая благодаря своему строению могла бы создавать более сложные молекулы?

В сентябре 1985 года команда из трех ученых — Хэрри Крото, Ричард Смолли и Роберт Кёрл — приступила к серии экспериментов. В течение десяти насыщенных дней они создавали условия для синтеза новых молекул, в том числе цепочек из 6, 8 и более атомов углерода, что соответствовало гипотезе о возможности образования в межзвездной оболочке подобных структур. В процессе работы появились неожиданные находки: помимо ожидаемых цепочек, ученые обнаружили молекулы с очень необычной формой, включающие 60 атомов углерода (C60) и чуть меньшие по размеру — 70 атомов (C70).

«Эти формы проявляли очень высокую устойчивость, их реакционная активность оказалась намного ниже, чем ожидалось. Мы поняли, что имеем дело с чем-то совершенно новым»

Именно тогда возникла гипотеза, что молекула с 60 атомами углерода может иметь особую, очень симметричную структуру. Исследователи начали моделировать ее с помощью простых предметов — зубочисток, конфет и бумажных шаблонов — чтобы понять возможное строение. И тут их внимание привлек образ купола, который был сконструирован архитектором Бакминстером Фуллером в 1950-х годах и запатентован как геодезический купол. По аналогии с куполом, ученые предположили, что структура C60 идет в виде сферической, закрытой формы, напоминающей футбольный мяч, состоящий из чередующихся шестиугольных и пятиугольных элементов.

Модель, предложенная на основе ассоциации с куполом Фуллера, оказалась очень точной. В ноябре 1985 года ученые опубликовали свои результаты в престижном журнале Nature. Новая молекула получила название «бакумини-фуллерен» — по имени архитектора и купола — и быстро получила неофициальное прозвище "бэки" или "бэкиболы". Это был первый в истории пример молекулы полного круга, полностью состоящей из атомов углерода, окруженных равномерной, хорошо структурированной оболочкой.

Ключевым моментом стало обнаружение того, что C60 практически не реагирует с другими веществами, что свидетельствует о ее высокой химической стабильности. Это открытие стало возможным благодаря моделированию структуры при помощи самых разных методов, включая и простые, вроде моделирования из зубочисток и мячиков. Впоследствии ученые смогли экспериментально получать бэки в больших количествах, пропуская электрический разряд через графитовые стержни — этот метод стал стандартом в исследовании полимерных молекул.

Обнаружение бакминстеровских сфер произвело революцию в области нанотехнологий и материаловедения. В течение следующих лет установилось, что полные газы, содержащие молекулы C60, обладают уникальными физическими и химическими свойствами — высокой прочностью, отличной электропроводностью и способностью к самосборке в более сложные структуры.

В 1990-х годах ученые начали экспериментировать с созданием нанотрубок и других структур, устойчивых к механическим повреждениям и обладающих высокими тепловыми характеристиками. Впервые в истории было продемонстрировано производство больших объемов этих молекул, что открыло путь к созданию новых видов аккумуляторов, высокотехнологичных покрытий и даже препаратов для медицинских целей, например, для целенаправленной доставки лекарств.

• Высокая устойчивость — молекулы C60 могут выдерживать экстремальные температуры и давления.
• Электропроводимость — помогают в создании новых видов транзисторов и аккумуляторов.
• Химическая стабильность — позволяют использовать их в условиях, где обычные материалы разлагаются.
• Самосборка — способность формировать более крупные конструкции, что важно для нанотехнологий.

Несмотря на огромное количество исследований и перспективных приложений, внедрение бакминстеровских молекул в массовую промышленность пока ограничено. Однако ученые продолжают искать новые гипотезы использования, включая потенциальное применение в квантовых компьютерах, новых материалах для атомных силовых микроскопов и даже в медицине — для точечного разрушения раковых клеток или доставки препаратов в труднодоступные участки организма.

С момента своего открытия бакминстеровские сферы произвели настоящую революцию в химии и физике. Их уникальные свойства стимулировали развитие не только нанотехнологий, но и новых концепций в материаловедении, электронике и медицине. За свою важность и сложность молекулы C60 были удостоены вместе с коллегами награды Нобеля по химии в 1996 году — триумф науки, подтвержденный мировым признанием и многочисленными практическими достижениями.

«Новые молекулы — это не просто экспериментальные находки, это ключ к будущему, где материалы будут легкими, прочными и способными к самосборке», — отмечают ученые.

В перспективе, исследования в области бакминстеровских сфер продолжаются, и, возможно, уже скоро они займут важнейшие места во многих областях человеческой жизни — от медицины до энергетики и вычислительной техники. Наука шагнула далеко вперед, и следующее десятилетие обещает новые открытия, основанные на этой удивительной молекулярной форме.