Koks cheminis elementas yra gyvybės pagrindas? Kas bendro tarp skaidraus ir labai kieto brangiausio brangakmenio deimanto ir pigios, juodos bei trapios akmens anglies? Kas sieja paprasto pieštuko šerdį, nanotechnologijas ir dvi Nobelio premijas? Visus šiuo klausimus jungia vienas žodis – anglis.
Kai milžinai virsta nykštukais
Anglis atsirado žvaigždžių gelmėse, raudonuosiuose gigantuose. Turbūt visi girdėjote apie Aldebaraną arba Arktūrą – pavadinimus, nužengusius iš fantastinių romanų ir populiariosios astronomijos knygų. Žvaigždei praradus vandenilio atsargas, joje prasideda helio atomų jungimosi termobranduolinė reakcija. Trys cheminio elemento helio (4He) branduoliai jungiasi, sudarydami anglį (12C) – labiausiai paplitusį anglies izotopą. Dalis šios anglies iš branduolio sunkiasi į raudonojo giganto atmosferą. Vėliau raudonasis gigantas nupučia savąją, turinčią daug anglies atmosferą, suformuodamas planetarinį ūką ir pats virsdamas baltuoju nykštuku. Už penkių milijardų metų ir mūsų Saulė pakartos šį ratą.
Gyvybės pagrindas
Anglis yra penkioliktas pagal dažnumą cheminis elementas Žemėje ir ketvirtas Visatoje. Bendrąja mase Visatoje anglis nusileidžia tiktai vandeniliui, heliui ir deguoniui. Anglis pasižymi unikalia savybe sudaryti cheminius ryšius su daugeliu kitų cheminių elementų. Čia ji neturi sau lygių. Yra atrasta beveik 10 milijonų anglies junginių su kitais cheminiais elementais. Šis gebėjimas sudaryti junginius su tokia daugybe kitų cheminių elementų yra pagrindinė priežastis, kodėl anglis yra gyvybės pagrindas.
Atmetus vandenį, anglis sudaro didžiąją dalį likusios žmogaus kūno masės. Rašytojai fantastai jau daugiau nei prieš 100 metų aprašė įvairias gyvybės formas ne anglies pagrindu. Tačiau mokslininkai tebesiginčija, ar tai iš principo įmanoma. Amerikiečių mokslininkas Karlas Saganas netgi įvedė terminą anglies šovinizmas.
Keisčiausias cheminis elementas
Anglis yra ne tik gyvybės pagrindas ir daugybės organinių molekulių sudedamoji dalis. Neorganinės medžiagos, sudarytos iš anglies, yra keisčiausias ir prieštaringiausias dalykas, kokį tik galima įsivaizduoti. Visi žinome grafitą, iš kurio yra gaminamos paprastų pieštukų šerdys. Tai juoda ir trapi medžiaga, sudaryta iš anglies atomų. Greta įsivaizduokime deimantą – patį brangiausią iš brangiųjų akmenų. Jis skaidrus ir kietas. Kietesnių už jį medžiagų gamtoje nėra.
Kas gali būti bendra tarp tokių skirtingų medžiagų? Grafitą ir deimantą jungia vienas esminis dalykas. Kad ir kaip neįtikėtinai tai skambėtų, tačiau ir deimantas, ir grafitas yra anglis. Tačiau anglies atomai deimante ir grafite išsidėstę ir susijungę skirtingai. Deimantą sudaro anglies atomai, išsidėstę vienodu atstumu vienas nuo kito. Savotiški kubai, kurių kampuose yra anglies atomai. Ryšiai tarp šių anglies atomų labai stiprūs. Grafitas sudarytas iš taisyklingais šešiakampiais išsidėsčiusių anglies atomų plokštumų. Ryšiai tarp atskirų šešiakampio anglies atomų yra kitokie, nei deimante, bet irgi stiprūs. Tačiau ryšiai tarp atskirų plokštumų yra silpni. Todėl grafitas yra trapus. Tačiau tai nėra vienintelės anglies atmainos.
Pieštukas ir dvipusė lipni juosta, verti Nobelio premijos
Deimantas yra brangakmenis, o grafitas – kažkas pigaus. Atrodytų, tai akivaizdu. Amerikiečių rašytojas fantastas Neilas Stephensonas nanotechnologijų erą netgi pavadino deimanto amžiumi. Tačiau anglis yra anglis. Pačios garsiausios nanomedžiagos, už kurių atradimą paskirtos Nobelio premijos, yra grafito atmainos. 1985 metais Raiso (Rice) universiteto mokslininkai Haroldas Kroto, Jamesas R. Heathas, Seanas O’Brienas, Robertas Curlas ir Richardas Smalley’is susintetino pirmuosius fulerenus. Įsivaizduokite į sferą susuktą vieną grafito plokštumą. Savotiškas futbolo kamuolio karkasas, sudėtas iš 60 anglies atomų.
Vėliau pasirodė, kad tokiose nanosferose anglies atomų gali būti ir daugiau nei 60. Fulerenai atrasti mineraluose ir net suodžiuose. 1996 metais už fulerenų atradimą skirta Nobelio premija chemijos srityje. Jei vieną grafito plokštumą susuksime į vamzdelį, tūkstantį kartų plonesnį už žmogaus plauką, gausime bene garsiausią nanomedžiagą – anglies nanovamzdelį. 1991 m. anglies nanovamzdelius atrado japonų mokslininkas Sumio Ijima. Vieno grafito sluoksnio, vienos grafito plokštumos savybės gerokai skiriasi nuo paties grafito savybių.
2003 m. Mančesterio universiteto mokslininkai Andrejus Geimas ir Konstantinas Novoselovas sugebėjo gauti grafito monoatominius sluoksnius, kurie buvo atlupami nuo grafito paprasta lipnia juosta. Tolesni tyrimai atskleidė unikalias grafeno savybes, buvo sukurti tikslesni grafeno sintezės būdai. Visa tai vainikavo 2010 metų Nobelio premija fizikos srityje. Tačiau ir tai dar nepilnas atrastų anglies atmainų sarašas.
Kosminis liftas ir kitos įdomybės
Anglį žmonės pradėjo naudoti dar civilizacijos aušroje. Iš pradžių tai buvo medžio anglis ir akmens anglis. Vėliau pastebėtos nepaprastos deimanto savybės. Pastaraisiais dešimtmečiais atrastos anglies nanomedžiagos jau naudojamos pramonėje. Visų pirma, tai itin lengvos ir tvirtos kompozitinės ir vaistinės medžiagos. Daug daugiau potencialių taikymų, susijusių su medicina, elektronika, optoelektronika, akumuliatorių ir baterijų gamyba, vandens filtravimu kol kas „bręsta“ mokslinėse laboratorijose. Kai kurie taikymai skamba išties fantastiškai. Tikimasi, kad iš anglies nanovamzdelių, kurie 20 kartų stipresni už plieninę vielą, bus galima gaminti lynus kosminiam liftui.
Dr. Šarūnas Meškinis
Norinčius daugiau išgirsti apie stebuklingąją ir paslaptingąją anglį, kviečiame į Mokslo festivalio paskaitą „Stebuklingoji anglis“, kuri rugsėjo 14 d. 16 val. vyks KTU Santakos slėnyje, 231 auditorijoje (Baršausko g. 59, Kaunas).
