Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
Ядро в углероде играет второстепенную роль, если только речь не идет о радиоактивности. Что касается прочих свойств, то за них отвечают шесть электронов, защищающих ядро. Два из них спрятаны в глубине, рядом с ядром, и не участвуют в химической жизни атома – в его взаимодействиях с прочими элементами. Оставшиеся четыре образуют слой, максимально удаленный от центра, и являются активными. Именно эти четыре электрона отличают грифель в карандаше (графит) от бриллианта (алмаза) на обручальном кольце.
Самое простое, что делает атом углерода, – обменивается четырьмя активными электронами c другим атомом углерода. Образуются четыре химические связи, что решает проблему активных электронов: каждый из них находит пару в виде такого же электрона, но принадлежащего другому атому. Получившаяся кристаллическая структура обладает необычайной твердостью. Это и есть алмаз.
Кристаллическая структура алмаза
Самый крупный алмаз, известный на данный момент, находится в галактике Млечный Путь, в созвездии Змеи (в Хвосте Змеи), где он вращается вокруг пульсара PSR J1719–1438. Это целая планета в пять раз больше Земли. По сравнению с ней земные алмазы кажутся малюсенькими. Даже «Куллинан» – алмаз размером с футбольный мяч, самый крупный из когдалибо найденных. Он был добыт в Южной Африке и в 1907 году подарен королю Эдуарду VII ко дню его рождения. Ныне его части украшают королевские корону и скипетр. «Куллинан» созревал под землей на глубине примерно 300 км – миллиарды лет высокая температура и давление превращали большой кусок углеродной породы в огромный алмаз. Затем, вероятнее всего, извержением вулкана его вынесло к поверхности, там он спокойно лежал еще миллионы лет, пока его не нашли на глубине всего в милю под землей.
В детстве меня без конца водили по всяким национальным музеям, и во всех без исключения мне было скучно. Я старался делать то же, что и взрослые: ходить в задумчивом молчании или стоять в размышлении перед картиной или скульптурой, но все это никак на меня не действовало. Из этих посещений я ровным счетом ничего не вынес, как мне тогда казалось. Все изменилось, когда я попал в королевскую сокровищницу в лондонском Тауэре. Я был сражен, едва переступив порог этой пещеры Аладдина. Золото и драгоценности, казалось, говорили со мной на языке гораздо более глубинном и первобытном, нежели искусство. Меня охватило чувство, схожее с религиозным экстазом. Сейчас я не думаю, что упивался тогда видом богатства, – на самом деле так подействовала на меня встреча с чистой материальностью. Перед «Большой Звездой Африки» (так назвали самый крупный из бриллиантов, полученных после того, как «Куллинан» раскололи на несколько частей и огранили их) теснилась толпа. Мне хватило одного взгляда на этот бриллиант, чтобы не забыть его уже никогда, хоть я и видел его из-под руки великана в потной клетчатой рубашке, стоя за спиной у индианки, которая цокала от удивления языком. Присутствие дамы из Индии было очень кстати, потому что, как я узнал потом из отцовской энциклопедии, эта страна была единственным поставщиком алмазов вплоть до середины XVIII века, когда открыли месторождения в других частях света, самые крупные – в Южной Африке.
Практически любой алмаз – это монокристалл. В одном алмазе в среднем содержится миллион миллиардов миллиардов атомов (1 000 000 000 000 000 000 000 000), собранных в идеальную пирамиду. Благодаря такой структуре алмаз обладает замечательными свойствами. Электроны сидят в ней как влитые, что придает алмазу его легендарную твердость. Алмаз, кроме того, прозрачен, однако у него чрезвычайно высокая оптическая дисперсия, то есть он расщепляет световой пучок на отдельные цвета, вспыхивая радугой.
Сочетание необычайной твердости и блеска делает алмаз почти безупречным драгоценным камнем. Практически невозможно поцарапать его поверхность, поэтому он сохраняет совершенство огранки и искрящийся блеск в течение всей жизни своего владельца, да и жизни целой цивилизации: под дождем и под солнцем, продираясь вместе с хозяином сквозь джунгли или стирая белье вместе с хозяйкой. Уже в древности алмаз был известен как самый твердый материал на земле. Само слово «алмаз» происходит от греческого adamas, что значит «неизменный» или «несокрушимый».
Транспортировка «Куллинана» в Англию представляла немало трудностей, связанных с его охраной, поскольку газеты уже раструбили об открытии самого крупного необработанного алмаза. Владельцы не на шутку опасались знаменитых преступников вроде Адама Ворта, успевшего уже похитить целую партию алмазов, – прототипа заклятого врага Шерлока Холмса профессора Мориарти. Втайне был составлен и приведен в исполнение план, достойный самого Шерлока Холмса. Фальшивый алмаз отбыл в Британию пароходом под строжайшей охраной, между тем настоящий камень был отправлен почтой в ничем не примечательной коричневой картонной коробке. Уловка удалась еще по одной причине, точнее, из-за еще одного замечательного свойства алмаза: он очень легок, поскольку состоит из углерода. Едва ли «Куллинан» весил более полукилограмма.
Адам Ворт был такой не один. Пока богатые наперебой скупали крупные бриллианты, родилась новая преступная специализация – алмазный вор. Кража даже небольшого бриллианта, почти невесомого, но дорогого, обеспечивала безбедную жизнь, к тому же украденные бриллианты было практически невозможно отследить. (Чего никак нельзя сказать о золотой медали Андрея Гейма, будь она мной украдена. Переплавив ее в слиток, я бы заработал самое большее несколько тысяч фунтов.) Этот новый вид кражи драгоценностей перенял достоинства самого бриллианта – элегантность, изысканность и чистоту. В фильмах «Поймать вора» и «Розовая пантера» бриллианты играют роль принцессы, томящейся в жестоком плену. Честные граждане днем, ночью их спасители в исполнении таких кинозвезд, как Кэри Грант и Дэвид Нивен, превращаются в алмазных воров. В этих фильмах кража бриллиантов изображается благородным поступком. У похитителя бриллиантов легкая пружинистая походка; все, что ему нужно, – это облегающий черный костюм и хорошее знание старинных особняков с их запутанными коридорами, а также кодовых замков к сейфам, спрятанным за картинами. Ограбление банка или почтового поезда ради получения золота или наличных денег, напротив, предстает грязным преступлением, зачастую совершаемым жадными и жестокими людьми.
В отличие от золота, бриллианты, несмотря на их коммерческую ценность, никогда не были частью всемирной денежной системы. Они не представляют собой ликвидный финансовый инструмент, то есть их не так-то легко превратить в деньги. Крупные бриллианты не имеют иного применения, кроме как вызывать интерес, восхищение и, самое главное, демонстрировать статус хозяина. Вплоть до XX века бриллианты могли позволить себе только по-настоящему богатые люди. Однако растущее благосостояние европейского среднего класса привело к появлению нового привлекательного рынка для алмазодобытчиков. Компания «Де Бирс», которой в 1902 году принадлежало 90 % мирового производства бриллиантов, очутилась перед дилеммой: как удовлетворить большой спрос и при этом не обесценить драгоценный товар. Решить ее помогла продуманная рекламная кампания. Слоган «Бриллианты навсегда» внушал обществу идею того, что истинным выражением вечной любви может служить лишь обручальное кольцо с бриллиантом. Каждый, кто хотел убедить возлюбленную в подлинности своих чувств, должен был купить кольцо с бриллиантом – тем дороже, чем подлиннее чувства. Кампания эффектно стартовала, и в миллионах домов появились бриллианты. Ее кульминацией стал одноименный фильм о Джеймсе Бонде, в котором композитор Джон Барри и певица Ширли Бэсси воспели новую социальную роль бриллиантов – символа романтической любви.
Впрочем, бриллианты все же не вечны, во всяком случае на нашей планете. Есть более стабильная форма углерода – это родной брат алмаза графит. Поэтому все алмазы, включая «Большую Звезду Африки» в лондонском Тауэре, на самом деле медленно превращаются в графит. Удручающая новость для владельцев бриллиантов. Впрочем, их можно утешить: до появления первых признаков вырождения камня пройдут миллиарды лет.
Структура графита радикально отличается от алмазной. Слои атомов углерода в ней расположены шестиугольником. Каждый слой представляет собой чрезвычайно прочное и устойчивое образование с более крепкими, чем в алмазе, межатомными связями. Факт весьма удивительный, если вспомнить, что из рыхлого графита делают смазку и карандашные грифели.
Кристаллическая структура графита
Парадокс, возможно, объясняется тем, что у каждого атома углерода внутри графитового слоя имеется три соседа, с которыми он делит четыре своих электрона. В алмазной же структуре каждый атом углерода делит свои четыре электрона с четырьмя атомами. Отсюда иная электронная структура и более сильные химические связи внутри слоев графита по сравнению с алмазными. В то же время у атомов графита не остается электронов, чтобы образовать прочные связи между слоями. Слои скрепляет универсальный клей, совокупность слабых взаимодействий, вызванных флуктуациями в электрическом поле молекул, – силы Ван-дер-Ваальса. Это те самые силы, которые делают липким офисный пластилин (Blu-Tack). Поэтому, когда графит подвергается механическому давлению, первыми рвутся слабые связи Ван-дер-Ваальса, и графит становится очень мягким. Именно так «работает» карандаш: прижимая его к бумаге, вы разрываете эти связи, и слои графита соскальзывают на бумагу. Если бы не слабые связи между слоями, графит был бы прочнее алмаза. Этот факт послужил одной из отправных точек для Андрея Гейма и его команды.
