Сила органического притяжения

Каждый из нас, наверное, встречал сообщения о людях, обладающих феноменальными способностями притягивать и удерживать на своем теле различные металлические предметы - пуговицы, вилки-ложки и даже утюги. Теперь, после открытия, сделанного сотрудникам Института физики высоких давлений имени Л.Ф. Верещагина РАН из подмосковного Троицка, эти факты выглядят не просто как очередная газетная сенсация, но как требующий серьезного изучения физический феномен.

Итак, российским ученым впервые в мире удалось получить материал, обладающий магнитными свойствами (ферромагнетик) из┘ чистого углерода.

Маленькая историческая справка. Первый органический материал без примесей металлов, обладающий ферромагнитными свойствами, открыт сравнительно недавно - около 10 лет назад. Это была одна из форм оксида азота. Но проявлял этот материал магнитные свойства только при температуре порядка 0,65 К (практически при абсолютном нуле), что значительно ниже точки Кюри (точка Кюри - температура, при нагревании до которой материал теряет свои магнитные свойства). В последующем, правда, были сообщения о получении неметаллических материалов, проявляющих ферромагнитные свойства уже при комнатной температуре. Но эти образцы были очень неустойчивы и плоховоспроизводимы. И вот - успех физиков из Троицка.

Созданный ими материал из чистого углерода не только становится сильным магнитом, но и сохраняет намагниченность до высокой температуры - 230 градусов Цельсия. Открытие свое подмосковные ученые сделали при исследовании превращения фуллерена, то есть такой формы углерода, где каждая молекула представляет собой как бы мячик из шестидесяти атомов - С60. Ученые использовали так называемую ромбоэдрическую фазу этого полимера (Rh-C60). Полученная в результате новая форма и проявила неожиданно для самих исследователей ферромагнитные свойства. "Эти свойства были воспроизводимы и стабильны, - подчеркнул в беседе с корреспондентом "НГ" один из авторов открытия, кандидат химических наук Валерий Давыдов. - Мы были так удивлены полученным результатом, что сначала подумали, будто в углеродный полимер попали металлические примеси. Однако детальная проверка все новых и новых серий образцов, проведенная совместно с учеными Швеции, Германии и Бразилии, показала, что содержание металлических примесей в образцах ничтожно мало. Значит, причина магнитных свойств - сам углеродный материал".

Профессор Московского государственного университета леса, специалист в области аллотропных соединений углерода Юрий Евдокимов по нашей просьбе так прокомментировал полученный результат: "В таких экспериментах очень важна методика их проведения: какое оборудование используется, как выдерживаются технологические режимы соблюдения чистоты. Ведь попадание даже мельчайших металлических частиц в образец может смазать всю картину. Ученые из Института физики высоких давлений в данном случае подтвердили свой высокий класс экспериментаторов".

Действительно, совершенство экспериментальной методики в подобного рода исследованиях играет едва ли не решающую роль. Исследовательская база ИФВД РАН позволяет проводить такие уникальные исследования.

Условия получения ферромагнитной фазы чистого углерода действительно можно назвать экстремальными: давление - 60 тыс. атмосфер при температуре от 700 до 800 градусов Цельсия. (Надо сказать, что уникальное оборудование, которым располагает Институт физики высоких давлений, позволяет достигать и куда более экстремальных параметров - 4 млн. атмосфер и 5000 градусов.)

Ферромагнитные свойства отмечались и раньше для двух форм фуллерена: в одном случае при температуре ниже 17К (-256╠С), в другом при 19К (-254╠С). Также сообщалось, что гидратированные фуллерены и фуллерены с включениями металлического палладия могут становиться ферромагнетиками. Но ферромагнитная фаза для чистого углерода до сих пор предсказывалась только теоретически. Однако в подавляющем большинстве случаев ферромагнетизм проявлялся для органических материалов только при очень низких температурах.

Пока ученые еще не могут однозначно ответить на вопрос: как возникают магнитные свойства в полимерном фуллерене? Например, для некоторых ферромагнитных материалов, таких, как железо, это объясняется строгим упорядочиванием всех магнитных моментов каждого атома. Но это пример самой простой магнитной структуры, а ведь существует много других комплексных магнитных структур. В качестве рабочей гипотезы исследователи связывают возникновение ферромагнитных свойств со сложными изменениями внутренней структуры фуллеренов. Или, если "копнуть" еще глубже, в перестройке электронной структуры углеродного полимера. Явления ферромагнетизма наблюдались только для структур, полученных в температурах, очень близких к пределу молекулярной стабильности исходных образцов.

По-видимому, при таких высоких температурах и давлениях изолированные в кристаллической решетке молекулы фуллерена переходят в полимерную фазу, каждая молекула соприкасается с соседней. Интересно, что образцы с исходной структурой ромбоэдрической фазы фуллерена проявляют парамагнитные свойства, в 100 раз более сильные, чем обычный графит, и в 10 тыс. раз более сильные, чем чистый фуллерен С60.