Рисунок 21. Слева: атом углерода, соединенный с четырьмя другими атомами и образующий то, что мы называем тетраэдром. Справа: множество углеродных тетраэдров, соединяющихся друг с другом и образующих алмазную структуру. Алмаз – это бесконечная решетка из атомов углерода, очень похожая на одну большую молекулу; структура воспроизводится и вдоль пунктирных линий.
К тому же жесткой дисциплине подчинены и электроны: на каждую углерод-углеродную связь полагается по паре электронов, а сбежать им не дает заклятие притяжения, наложенное на них положительно заряженными ядрами углерода. Это означает, что алмаз не должен проводить электрический ток; он действительно проявляет свойства электроизоляционного материала, и притом весьма хорошего. (Как ни удивительно, при этом он отлично проводит тепло, как мы убедились в главе 8.) Электроны держатся так крепко, что их нельзя сдвинуть и при помощи видимого света – то есть тем способом, при помощи которого вещества обычно приобретают цвет (поэтому идеальный алмаз совершенно прозрачен).
Следующим по ценности в этом списке идет графит, в котором атомы углерода расположены совершенно иначе; это мы и называем явлением полиморфизма. Полиморфные модификации – это такие вещества, которые имеют одинаковый химический состав, но разное пространственное расположение атомов. В особых случаях, когда простое вещество существует в разных формах, такие формы называют аллотропами или аллотропными модификациями. В графите, в отличие от трехмерной алмазной решетки, атомы углерода формируют слои в виде пчелиных сот толщиной один атом, в которых каждый атом углерода образует связи только с тремя своими соседями. Наиболее запоминающаяся черта этой структуры – абсолютно симметричные шестиугольники, образованные шестью атомами углерода в замкнутом контуре.
Если вы бухгалтер, то, наверное, сразу обратили внимание, что теперь у нас больше электронов, чем нужно для того, чтобы вставить по паре электронов между каждым атомом углерода, образуя таким образом химические связи в шестиугольных слоях. Каждый атом углерода в алмазе делился четырьмя электронами, по одному на каждую связь. То же упражнение, проделанное с графитом, оставляет нам один избыточный электрон на каждый атом углерода, после того как три других распределились по трем связям с соседними атомами.
Так что же делать с этими избыточными электронами?.. Было бы естественно подумать, что их можно использовать для того, чтобы связать вместе слои и образовать трехмерное вещество, которое мы можем взять в руки в виде реального куска графита, но дело обстоит иначе. Между слоями графита нет ничего, напоминающего химические связи. Вместо этого близкое расположение атомов углерода внутри слоев создает пространство сверху и снизу этих слоев, где избыточные электроны свободно перемещаются, внося свой вклад в образование связей в шестиугольниках. Это не те двойные связи, которые мы видели в главе 5; их называют делокализованными двойными связями, поскольку мы не можем точно указать, между какими именно атомами углерода находятся дополнительные электроны. Наличие таких освобожденных электронов приводит к возникновению электропроводности, и графит в самом деле отлично проводит электричество – при условии, что мы остаемся в рамках одного слоя.
Рисунок 22. Небольшая часть слоя графита и расположенные друг над другом слои в кусочке кристаллического графита, похожего на тот, что добывали в шахтах Борроудейла.
Дополнительные связи также улучшают прочность слоев – но эти дополнительные электроны с большой неохотой помогают удерживать два слоя вместе: расстояние между слоями больше чем в два раза превышает расстояние между атомами углерода в слоях.
Еще одно важное свойство: теперь электроны можно перемещать при помощи видимого света, хотя моих коллег, возможно, огорчает такая терминология и они предпочли бы, чтобы я сказал, что электроны «возбуждаются». Поскольку электроны постоянно движутся или ведут себя скорее как волна с некоторой плотностью (представьте расплывчатое облако, окружающее ядра в атомах), то, возможно, лучше сказать, что они переключают передачу. Химики часто используют термин «скачок», описывая возбужденные электроны, особенно когда графически изображают это на бумаге в виде диаграмм. Для большинства веществ, способных поглощать видимый свет, существует лишь одна либо несколько избранных передач, каждое переключение между которыми требует собственного цвета, или длины световой волны. Эти цвета, условно говоря, поглощаются веществом и стираются из полного спектра белого света, а мы видим лишь оставшиеся цвета.
Однако графит обладает черным или темно-серым цветом с металлическим блеском, поэтому должен поглощать все длины волн приходящих фотонов. Следовательно, у него не может быть обычной коробки передач с пятью-шестью положениями; ему требуется постоянное переключение скоростей от низкоэнергетических красных цветов до высокоэнергетических оттенков, находящихся на границе с ультрафиолетом. Именно это происходит, когда избыточные электроны, не ограниченные одинарными углерод-углеродными связями в графите, могут свободно перемещаться в том, что фактически может рассматриваться как одна гигантская плоская молекула.
И наконец, эта самая плоская природа скажет последнее слово в ответе на вопрос, почему графит стал такой важной частью информационных технологий. Поскольку прочных связей, удерживающих слои графита вместе, не существует, можно относительно легко создать новые, более мощные силы притяжения, прижав графит к шероховатой поверхности. Тогда слои графита прилипнут к волокнам бумаги, и большие его куски останутся на ней, заполнив микроскопические впадины на бумаге. На карандашном рисунке мы видим не единичные слои: толщина этих линий составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч слоев.
При этом следует заметить, что слои графита в один атом толщиной можно извлечь с поверхности графита, и тогда вы получите самый тонкий из известных материалов – графен[119]. Работа, посвященная этому веществу, получила Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Вполне вероятно, что когда-нибудь в будущем графен тоже найдет место в информационных технологиях.
Еще на ступеньку ниже по соотношению ценности к стоимости добычи находится антрацит, но теперь мы покидаем область чистых веществ и встречаемся с материалами, которые представляют собой смеси. Антрацит состоит из углерода примерно на 97 %, однако из-за примесей ему недостает дальнего порядка симметрии, характерного для графита, хотя он также содержит некоторое количество очень маленьких кристаллических областей.
Расположенные еще ниже (согласно качественной оценке) вещества типа угля непросто охарактеризовать по их молекулярному составу, но ясно, что со снижением содержания углерода снижается и кристалличность. То же самое вы можете наблюдать, рассмотрев кристаллики кухонной соли: очень чистый NaCl промышленного производства образует единообразные кубические кристаллы, ровные и прозрачные – под микроскопом они похожи на маленькие драгоценные камни. Прочие разнообразные «гурманские» виды соли, морская соль и прочие имеющиеся в продаже продукты обычно имеют гораздо больше примесей и, следовательно, более низкую кристалличность.
С XVI по XVIII век в Европе и других странах было много графитовых шахт, но шахты в Камбрии выделялись среди прочих высочайшим качеством добываемого графита. Он был очень чистым и обладал высокой кристалличностью; фактически эта шахта была единственным в мире известным источником графита, из которого получались карандаши достойного качества. Некоторое время графит также играл важную роль в изготовлении форм для отливки пушечных ядер, но для этого можно было использовать и более низкокачественный графит, а вскоре разработали и технологию на замену.
Когда шведский промышленный шпион и дворянин Рейнгольд Ангерштейн (глава 4) приезжал в Борроудейл в 1754 году, он должным образом отметил беды более раннего поколения, но к тому времени власти и крупные промышленники вроде бы взяли ситуацию под контроль[120]. Однако лучшей поре камберлендского графита вскоре суждено было миновать. В следующем поколении Французская революция и британское эмбарго на экспорт, наложенное на вновь образованную республику, оказали удивительное и нежелательное (для британцев) влияние на изобретение современного карандаша, который придумал Николя-Жак Конте. Он соединил глину и низкокачественный графит, запек эту смесь и вложил внутрь палочек из древесины кедра; весь этот процесс описан во французском патенте № 32[121].
Последняя шахта в Борроудейле закрылась в 1891 году, поскольку в ней закончился пригодный для разработки графит. Однако компания по производству карандашей продолжает существовать под именем Derwent Cumberland Pencil Company, хотя больше и не является независимым предприятием. Некоторые компании по производству карандашей, возникшие в конце XVIII века – например, те, что были основаны Конте во Франции и Каспаром Фабером в Германии, – продолжают существовать, демонстрируя всем, что карандаш по-прежнему является важной частью наших информационных технологий.
В романе Глена Петри[122] «Рука славы» знаменитого контрабандиста Черного Сэла постигла весьма страшная участь: его загнали и загрызли волкодавы. Хью Уолпол в своем более известном романе «Разбойник Херрис»[123] тоже описывает жизнь вокруг Кесвика далеко не в радужных тонах, хотя в этом произведении отсутствуют дурные поступки, явно связанные с пригодным для карандашей графитом. Но, как подтвердил Ангерштейн, ситуация улучшалась, и в 1807 году Уильям Вордсворт опубликовал поэму «Нарциссы», в которой описывал скорее цветы и красоту пейзажа, нежели горное дело и преступления. Неизвестно, был ли написан первый черновик этой поэмы карандашом или пером.