Открытие фуллеренов: вклад Смолли

Третьим лауреатом Нобелевской премии по химии за 1996 год был физик. Он родился 6 июня 1943 года, в многодетной и обеспеченной семье. Много детей было и в семьях обоих его дедов. Один из них был богатым мебельным фабрикантом, второй начал простым столяром и поднялся до должности исполнительного директора группы из нескольких компаний. В детстве Ричард не сомневался, что Канзас-Сити в штате Миссури — это и есть центр известной вселенной; впрочем, так думают почти все дети. Имя же ему дали в честь английского короля Ричарда Львиное Сердце.

Иллюстрация Сергея Дергачева

Интерес будущего лауреата к науке неслучаен. Отчасти он появился благодаря матери, бакалавру гуманитарных наук, которая интересовалась также физикой. Она могла часами рассказывать маленькому сыну про Архимеда, Леонардо да Винчи, Галилея, Кеплера, Ньютона и Дарвина, про музыку, живопись, скульптуру и архитектуру. Вместе с матерью Ричард наблюдал в микроскоп одноклеточные организмы из местного пруда, вместе с ней читал книги. Отец же научил его сооружать различные конструкции, разбирать их на части, чинить механические и электрические приборы. В столярной мастерской отца Ричард работал порой до ночи. Ребенком, он любил заниматься сборкой, ремонтом и проектированием разных вещей. Это была замечательная подготовка для будущих успехов в работе на границе химии и физики.

Однако главным стимулом заняться наукой для Ричарда оказался успешный запуск в 1957 году первого искусственного спутника и широко распространившееся мнение о том, что наука и техника станут самым главным, самым интересным в грядущие десятилетия. Тогда же он начал изучать химию. На те годы пришелся расцвет системы бесплатных средних школ в штате, а его школа была одной из лучших в США. Преподаватель химии Виктор Густафсон очень любил свой предмет и стремился заинтересовать им даже самых несообразительных школьников. Еще в школе Ричард понял, что сможет добиться успеха в науке. Радостным воспоминанием тех лет была работа в лаборатории органической химии, которой заведовала младшая сестра его матери Сара Джейн Роудс. Одна из первых женщин в США, достигших звания профессора химии с докторской степенью, она преподавала и вела исследования на химическом факультете университета штата Вайоминг. В 1982 году Американское химическое общество наградило ее медалью Гарвана — Олина за вклад в физическую органическую химию, особенно за изучение перегруппировок Коупа и Клайзена. Сара Роудс была единственным ученым в большой семье и одной из самых ярких личностей, каких Ричард когда-либо встречал. Пример тети сыграл главную роль в его решении стать химиком, а не физиком или инженером. По ее совету он решил поступил в Хоуп-колледж, где была тогда одна из лучших в США учебных программ по химии. В колледже он проучился два года, затем перешел в Мичиганский университет. Но два года были во многом потеряны для науки по тривиальной причине: Смолли пережил, по его словам, «бурный роман с красоткой, которая училась в Хоуп-колледже».

В 60-е годы рынок труда для ученых в США небывало широк, огромным спросом пользовались даже химики, имевшие лишь степень бакалавра. И Смолли вместо магистратуры решил поработать в химической промышленности, о чем ни разу не пожалел. Это был большой завод по производству полипропилена; он работал круглосуточно, что тогда считалось чудом высокой технологии. Полагали, что «химия может все». Хотя работа в компании «Шелл» Смолли очень нравилась, он решил, что пора пойти в магистратуру. Но шла война во Вьетнаме, для аспирантов отменили отсрочку от призыва, а для работника промышленности она еще действовала. Однако вскоре и ее отменили, так что в любом случае имело смысл идти в магистратуру; он был принят в Принстонский университет и тут же попал в группу годных к службе и подлежащих призыву. Спасла беременность жены: от призыва его освободили.

Работа в Принстоне многое дала Смолли, приучила к проницательности и к напряженному стилю исследования, с которым ему раньше никогда не приходилось встречаться. Здесь он немало узнал о химической физике конденсированной фазы и молекулярных систем. Он работал в группе, которая лидировала в новой области — применении в молекулярной спектроскопии высокого разрешения перестраиваемых лазеров на красителях. Казалось бы, простая молекула NO2 давала очень сложный спектр, не поддающийся расшифровке. Помог последний экзамен для получения докторской степени, на котором требовалось обосновать три новые темы для научного исследования. Чтение множества статей в библиотеке привело Смолли к плодотворной идее: нужно получить молекулярный пучок очень холодного газа, используя сверхзвуковое расширение газового потока. Это вымораживало почти все вращательные степени свободы молекулы и сильно упрощало спектр. Так появилась лазерная спектроскопия сверхзвуковых пучков. Первый спектр NO₂ в охлажденной струе был зарегистрирован в тот самый вечер, когда президент Никсон подал в отставку. Затем последовали спектры более сложных молекул и комплексов.

Летом 1976 года Смолли перешел на работу в Университет Райса, где началось сотрудничество с Робертом Кёрлом (о нем см. в «Химии и жизни» 2014 №10). Был установлен мировой рекорд для охлаждения вращательных уровней при температуре 0,17 К. Но фуллеренами пока не пахло: все усилия были направлены на изучение летучих соединений урана. Это было время нефтяного кризиса, и считалось, что единственная альтернатива нефти — АЭС, а значит, нужно разделять изотопы урана. Однако после аварии на острове Три-Майл эти исследования прекратили. Взамен нашли способ использовать лазерные импульсы для испарения любого вещества. Это позволило впервые получить холодные атомы в сверхзвуковом пучке для любого элемента Периодической таблицы. А самое важное — был разработан способ, позволяющий управлять получением кластеров этих атомов, которые затем охлаждались путем сверхзвукового расширения. В результате впервые стало возможным взять Периодическую таблицу и для выбранного элемента детально изучить свойства частиц нанометровых размеров, состоящих из точно известного числа атомов этого элемента. Так появилась новая область — изучение кластерных пучков металлов и полупроводников.

Однако не Смолли впервые получил кластерные атомы углерода и увидел их удивительное распределение: все они состояли из четного числа атомов. Это был Эндрю Калдор из компании «Эксон», но он не знал, что получил фуллерены! Как сказал в своей нобелевской лекции Смолли, «хотя забавно думать о чудесной роли везения в истории, необходимо все же сказать пару слов и о неизбежности открытия. Единственным истинным гением во всей этой истории оказался атом углерода. Фуллерены образуются всегда, как только происходит конденсация углеродных паров. И нам осталось лишь разузнать про все это». История о том, как с помощью установки Смолли были открыты фуллерены, рассказана в № 10 и 11 «Химии и жизни» за этот год. Дальнейшие исследования группы Смолли характеризует ее девиз: «Если это не нанотрубки, мы этим не занимаемся». Конец же знаменитой установки, на которой открыли фуллерены, печален: ее разобрали и продали по частям, а главную камеру – на металлолом. «Времена изменились, но жизнь и наука продолжаются», — написал Ричард Смолли в автобиографии. Последние годы жизни (он скончался от лейкемии) Смолли посвятил пропаганде науки и образования под девизом «Будь ученым — спаси мир».