Углерод

Гости
Вадим Бражкин
академик РАН директор Института физики высоких давлений им. Верещагина, академик РАН

Дмитрий Горбунов: Добрый день! В эфире передача «Великое в малом». У нас в студии гость – акадамик РАН, директор Института физики высоких давлений им. Л.Ф.Верещагина РАН Вадим Бражкин. Здравствуйте!

Вадим Бражкин: Здравствуйте, Дима!

Дмитрий Горбунов: Тема передачи – углерод. Откуда берется углерод? Есть теория развития Вселенной: там первичный нуклеосинтез закончился, не добравшись до углерода. Тем не менее, углерод как-то появился, и для нас это 100% существенно, потому что без углерода нас бы точно не было, представление живых организмов без углерода совершенно невозможно.

Вадим Бражкин: Совершенно верно. Углерод – уникальный элемент по нескольким соображениям. Во-первых, непонятно: почему он вообще есть, и почему его так много в нашей Галактике? Во-вторых, интересно: в какой форме он находится на планетах, звездах, на Земле? И в-третьих, многообразие и разнообразие углеродных структур и веществ, уникальное для других элементов и соединений.

Дмитрий Горбунов: Это не особенность нашей Галактики? В других галактиках, наверно, углеродов примерно столько же, сколько в нашей?

Вадим Бражкин: Надо думать, да. Просто про нашу Галактику мы лучше знаем по спектрам, про другие вселенные не будем говорить. В Метагалактике, которую мы наблюдем, углерода примерно столько же. Проблема с углеродом следующая: все элементы, кроме первичных, водорода и гелия, зарождаются в недрах тяжелых звезд путем термоядерного синтеза, и никаких проблем не должно быть с углеродом: это тройное столкновение ядер гелия-4. Два столкнулись: получился бериллий-8, еще одно – углерод-12, еще одно – кислород-16 и т.д. На бумаге все выглядит просто. Тем не менее, если рассмотреть сечение ядерных реакций и вероятности, то возникает некий парадокс.

Дмитрий Горбунов: Этот темп – как часто они могут возникать?

Вадим Бражкин: Как часто они могут возникнуть, и сколько их будет. Над этим задумывался известный ученый Фред Хойл. Эта проблема, связанная с углеродом, носит название «резонанс Хойла». Он дал задачу своему аспиранту, у аспиранта ничего не получалось. Получалось, что углерод не должен образовываться.

Дмитрий Горбунов: Именно в звездах?

Вадим Бражкин: Именно при тех температурах, давлениях в недрах звезд, которые точно не известны, но примерно мы их знаем.

Дмитрий Горбунов: У астрономов другая нумерация: то что мы бы назвали первыми звездами, у них – третьи. А речь об образовании углерода в первых звездах или в современных звездах?

Вадим Бражкин: И в первых, и в современных – во всех массивных звездах. Все элементы, вплоть до железа с запасом, образуются в недрах массивных звезд; а более тяжелые: уран, трансураны – как правило, при взрывах сверхновых.

Так вот – у аспиранта ничего не получилось. Фред Хойл взялся за дело сам, и проблема оказалась в следующем: когда слетаются 2 ядра гелия-4, получается бериллий-8 – это крайне неустойчивое ядро. Оно живет 10-18 секунд – совсем ничего. И следующее ядро гелия, которое подлетает даже при тех плотностях и температурах, максимум, что может сделать – разбить назад вместо того, чтобы образовать углерод. Выяснилось, что сечение реакции гораздо выгоднее разбиению назад этого чрезвычайно неустойчивого ядра бериллий-8.

Дмитрий Горбунов: Интересно. В первичном нуклеосинтезе обычно говорится, что все заканчивается, и углерод не образуется, потому что образуется нестабильный бериллий, но Вселенная настолько не плотная, что углерод не успевает подойти – тот распадается сам, а вот в звездах все образуется.

Вадим Бражкин: На самом деле, и в звездах не получается. Причем, парадокс с двух сторон. Первая часть – если бы бериллий-8 был хотя бы сколько-то устойчив, то реакция шла бы очень быстро, и все звезды быстро выгорали бы и взрывались, т.е. непрерывно шел бы синтез углерода, который за несколько миллионов лет приводил бы к взрыву звезды. А если бериллий-8 такой неустойчивый, как он есть, то этого углерода должно быть на 9-10 порядков меньше, чем есть на самом деле. И Фред Хойл сделал предположение, серьезное открытие (и это было одно из немногих, может быть, единственное открытие, которое сделано из так называемого «антропного принципа»): «Раз мы есть, и раз мы можем рассуждать об этом углероде, и почему он возникает, то кто-то устроил нашу Вселенную так, чтобы он появлялся». Вы, как и Ваш коллега академик Рубаков, наверное, много любите рассуждать про антропный принцип в стандартной теории элементарных частиц: подгонка констант и т.д. Здесь то же самое. Фактически, Фред Хойл сказал, что должно быть все подогнано так, что он образуется. Каким способом это может быть? Единственным: если есть долгоживущее возбужденное состояние углерода-12. Фактически, после столкновения 3-й частички бериллия возникает возбужденное состояние ядра, достаточно долго живущее, которое потом высвечивает гамма-квант. Он посчитал, что оно должно быть отделено примерно на 700 МэВ, и с этим поехал в Калифорнию убеждать Уильяма Фаулера, известного астрофизика, экспериментатора и теоретика. В начале это не воспринималось, но потом действительно открыли такой резонанс, так называемый «резонанс Хойла». Оказывается, ровно именно такой энергией надо возбудить ядро углерода, чтобы оно могло долго просуществовать в возбужденном виде. Чуть-чуть на несколько процентов больше или меньше, – там не такая подгонка, как в стандартной теории элементарных частиц, но все-равно: отличие на 2-3% от этого резонанса привело бы к тому, что в миллиард раз меньше было бы углерода, чем его есть.

Дмитрий Горбунов: То есть, экспериментально нашли этот резонанс?

Вадим Бражкин: Да. Из-за того, что Фред Хойл был человек экспрессивный и, во многом, не принимал современные теории, – в частности, он был противником «большого взрыва», хотя и сам ввел этот термин в насмешку.

Дмитрий Горбунов: Как я понимаю, они конкурировали с Гамовым, как появились эти химические элементы?

Вадим Бражкин: Там была большая история, но тем не менее Фаулер потом получил Нобелевскую премию за открытие. Интерес еще связан с тем, что все остальные элементы, более тяжелые, получаются с помощью углерода, дальше уже углерод участвует в реакции с гелием или другими, более легкими элементами. Фактически почти все, что вокруг нас, существует благодаря «резонансу Хойла».

Дмитрий Горбунов: Как это получилось? Они не могли вычислить (это было нельзя), и поэтому была гипотеза, было произведено измерение, и тогда поняли, что это величина, которую вычислить не получалось из первых принципов? С одной стороны, мы очень хорошо знаем квантовую механику и отлично описываем «в народ», но дальше, когда мы «спускаемся» – сложнее.

Вадим Бражкин: Вычислить легко насколько? Вы знаете: e = mc^2, как сказал Эйнштейн. Поэтому три ядра гелия (маленький «гамма-квантик» вылетел при образовании бериллия, т.е. разница масс 3-х ядер гелия и массы С-12) – уже можно сказать, к примеру, насколько. Но спектр возбуждения ядер вычисляется очень сложно, это не то, что спектр возбуждения электронов и т.д., которые тоже трудно вычислить, но у ядер на порядок сложнее. После того, что мы знаем, что углерода много, вопрос: в каком он состоянии? Во Вселенной он не очень реакционноспособный, поэтому его много в чистом виде, в виде наноалмазов.

Дмитрий Горбунов: Что такое наноалмазы? Алмаз величиной с нанометр?

Вадим Бражкин: Нанометровые алмазы, к тому же еще бывают окруженные углеродными луковицами. Совсем недавно выяснилось, что многое из звездной пыли – это очень маленькие алмазики.

Дмитрий Горбунов: Алмаз более распространен в природе, чем графит?

Вадим Бражкин: Нет, так сказать нельзя, но сравнимо. Кроме того, он вступает в реакцию: СО2 – с кислородом, сухой лед – его много в кометах, больше всего первичного водорода, поэтому взаимодействие приводит к образованию метана СН4. Есть «белый карлик» Люси, обнаруженный американскими астрофизиками...

Дмитрий Горбунов: Сейчас это звезда?

Вадим Бражкин: Да. После выгорания гелия и водорода (если это не очень большая звезда, если она не взрывается) остаются, в основном, кислород и углерод – это элементы №№3 и 4, они близки по распространенности. В случае этого «белого карлика» Люси кислорода мало, в основном, углерод. Это очень привлекательно, и поэтому американцы сказали: 3000 км ядро, состоящее из алмаза. На самом деле, это не совсем так, поскольку при тех давлениях и температурах, конечно, там не решетка алмазов, может ГЦК решетки, и углерод там металлический, но, тем не менее, такая забавная вещь.

Дмитрий Горбунов: Что бы просто представить: у нас есть какое-то количество алмазов в пользовании, которые сейчас на Земле. Этот объем как-то сравним, если представить, что этот «белый карлик» сделан из алмаза?

Вадим Бражкин: Никак не сравним, потому что это 3 000 км, еще спрессованный до плотности сотни граммов на кубический сантиметр – очень много порядков. Теперь, возвращаясь к Земле. На Земле много углерода, он уже не на 3-4 месте – на 5-6. Больше всего у нас кремния, железа, кислорода, силикаты, железное ядро и т.д. Но, тем не менее, 5-6 место он разделяет: больший процент по массе, это очень много. Он, в основном, в карбонатах: известняк, нефть, уголь, много метана, алмазы, карбиды и т.д. О нефти всегда были споры: органическое или неорганическое происхождение? Менделеев начал, что она неорганическая. Потом победила «органическая» концепция, хотя больше всего в Советском Союзе по сравнению с другими странами продолжала развиваться «неорганическая» концепция. Сейчас концепции такие: согласны с тем, что есть, скорее всего, и тот и другой источник; и споры идут на таком уровне: чего больше? Сторонники «органики» говорят: 99% нефти органической, а «неорганики» наоборот. Но если про нефть идет спор, то про газ ситуация хуже.

Дмитрий Горбунов: Неорганическая нефть на других планетах, как внутри Земли: нужно просто бурить?

Вадим Бражкин: Да, просто бурить, потому что было показано в работах, в том числе, нашего института, что...

Дмитрий Горбунов: Нефть же технически более сложное соединение, могут быть всякие примеси?

Вадим Бражкин: Обычных реакций из неорганических соединений, например: известняк, вода и железо, – достаточно для того, чтобы образовать при давлениях и температурах набор углеводородов достаточно широкого спектра, который соответствует по составу многим нефтям. То есть, можно неорганическим образом воспроизвести углеводород. Делается ли это так под землей или нет – это вопрос, об этом спорят. Но про газ уже почти не спорят, потому что газа настолько много, что диву даешься: где ни пробуришь: проблема не найти, а проблема – заткнуть хоть как-то. Как в Мексиканском заливе: пошел газ, и заткнуть не могли. Кстати, там нашли червяков, которые кушают метан: метановый червь, открытый 10 лет назад. Он, правда, кушает не сам метан, а бактерии, которые питаются метаном, глубоко живут. Помимо просто газа метана, или нефтей, еще интересно то, что большая часть метана находится в клатратах.

Дмитрий Горбунов: Что это такое?

Вадим Бражкин: Клатраты метана – это твердое состояние, определенная форма льда. Т. е. вода, которая замерзла так: не в обычной структуре льда, а с большими полостями, и в этих полостях сидит молекула метана. Представьте себе: у вас льдышка, которая вся набита молекулами метана.

Дмитрий Горбунов: Когда это была жидкость, был растворен метан, и это все потом застыло?

Вадим Бражкин: Есть разные механизмы образования, например, так. И получается, что если у нас обычного газа очень много и больше, чем мы раньше думали, то клатратов метана еще в тысячи и миллионы раз больше, чем обычных разведанных месторождений газа. Они находятся, в основном, в зоне вечной мерзлоты. Чуть ли не половина клатратов метана находится в районе нашей Чукотки. Их очень много на шельфах океана, где на глубине близко к 0°С (+2, +3), а там еще есть давление, и этот клатрат метана устойчив. За последние несколько десятилетий наблюдений выяснилось, что он очень активно «газит», т.е. испарения метана из этих клатратов увеличилось на Земле почти на порядок.

Дмитрий Горбунов: А где это происходит? Он выделяет метан в морскую воду?

Вадим Бражкин: Он выделяет в морскую воду. Но в морской воде труднее мерить на такой глубине – меряется, в основном, в полярных районах или в Гренландии, Канаде. Выясняется, что с каждым годом его все больше и больше испаряется.

Дмитрий Горбунов: Температура?

Вадим Бражкин: Считается, что это связано с глобальным потеплением, которое, конечно, флуктуирует, но именно в районе Арктики оно существенно. И тут вопрос: с одной стороны говорят, что клатрат метана хорошо, потому что такой гигантский запас научиться бы извлекать, как сейчас сланцевую нефть постепенно научились компрессорами. Трудно, но можно, экологию портим. Можно не у себя в Америке, а где-нибудь в Китае извлекать. То же самое и с клатратами: вроде много газа, а с другой стороны плохо, что он так испаряется. Пока из того, что он испаряется, он не побил рекорд, т.е. большая часть метана – это чисто биогенное происхождение, отходы крупного рогатого скота.

Дмитрий Горбунов: А суммарно где же больше всего?

Вадим Бражкин: Суммарно по Земле метана пока больше всего от коров, буйволов, быков и др., но по производной (производная выделения из клатратов очень большая) и по абсолютной величине догоняет. Если экстраполировать, то это не очень хорошо.

Дмитрий Горбунов: Это вредно?

Вадим Бражкин: Это вредно, потому что это может привести к глобальным климатическим изменениям: к заражению океана, к изменению уровня моря.

Дмитрий Горбунов: Метан выделяется в океан, в воде появляется растворенный метан, изменяются химические свойства: плохо растениям, животным?

Вадим Бражкин: Почти всем плохо. Это система с положительной обратной связью: чем больше выделяется метана, тем больше парниковый эффект. Дальше давайте, все-таки, о хорошем, поскольку раз углерод такой многоликий, то еще вопрос: почему уникально большое количество структур и веществ в его основе. Мы знаем графит, алмаз, фуллерены (шары, как футбольные мячики: С-60, большие молекулы), нанотрубки, карбины – это такие линейные цепочки из атомов углерода

Дмитрий Горбунов: Как они держатся, если они линейные?

Вадим Бражкин: Так и держатся: между собой – вандерваальсом, как плоскости графита – тоже вандерваальсом между собой, а внутри цепочки – эквивалентная связь. В чем природа многообразия углеродных структур, и почему свойство углеродных материалов уникально, почему алмаз самый твердый? Как раз вопрос для школьников.

Дмитрий Горбунов: В школе говорилось: есть алмаз, есть графит. А почему нет другого, более тяжелого, у которого была бы более тяжелая, крепкая структура? Есть таблица Менделеева, там есть похожие свойства, можно как бы двигать...

Вадим Бражкин: Совершенно верно, надо смотреть на таблицу Менделеева. Если мы про ядра уже закончили, будем говорить про атомы, а в них уже есть и ядра и электроны. И, соответственно, положение атома углерода уникально. Он находится в середине заполненного первого периода. Водород, гелий, потом первый период пошел, начиная с лития, и в серединке стоит углерод. Что это дает? Во-первых, максимальное количество электронов для связи – 4, потому что дальше, когда идет азот, там идет правило 8 – n, 3 могут участвовать. А во-вторых, это дает очень маленький радиус иона. Ион – это, фактически, ядро гелия.

Дмитрий Горбунов: Очень компактный.

Вадим Бражкин: И поэтому два атома углерода могут очень близко друг к другу подойти. У них очень сильная связь (4 электрона), а во-вторых – очень маленькое ядро. Они подходят близко друг к другу – это дает возможность различной гибридизации. Для слушателей: это почти нет разницы в энергии, в зависимости о того, как вы расположите атомные орбитали. Там есть 3 р-электрона, 1 s-электрон, они делают sp3 связь (это представьте: 2 «крючочка», которые зацепились) – это в алмазе. 4 электрона, 4 sp3 связи, такая тетраэдрическая структура. А можно сделать, например, sp2: сделать 3 электрона, они сделают такую же сигма-связь, а один р-электрон останется вблизи атома и будет в него р-орбиталью – такая «гантелька», которая, вроде бы, никак не участвует в связи. Из-за того, что ионы подходят очень близко, эти р-орбитали тоже очень сильно перекрываются, т.е. энергия пи-связей взаимодействия сравнима с энергией сигма-связей, что невозможно в кремнии, германии, где ядро побольше, ион побольше, они подальше, и там только так можно сцепиться, эти пи- они себя не чувствуют. Если вы посмотрите плотность, но не в гр/см3, а в атомах, то алмаз – это самое плотное вещество на Земле.

Дмитрий Горбунов: Но если есть эти связи, и они примерно одной силы, то, казалось бы, его легко трансформировать, один в другой?

Вадим Бражкин: Иногда. Но, одновременно с тем, что они одной силы, они ведь еще очень сильные, и они эквивалентно силе направлены, поэтому по энергии графит и алмаз очень близки, но перевести графит в алмаз достаточно сложно: нужно «перепрыгнуть через барьер». Иногда можно общей подвижкой решетки как-то перевести из одной структуры в другую, но чаще всего, когда меняется валентность, нужно разрывать связи и создавать новые. В связи с тем, что у него такое гигантское количество структур, и все структуры – жесткие углеродные каркасы, то не случайно, что углерод – это основа жизни, поскольку он может демонстрировать миллиарды таких структур. И понятно, что сложная химия и сложная биология могут существовать только на основе углеводородов. Если мы попытаемся сделать, к примеру, кремнеорганику – она будет беднее в миллиарды раз по набору структур, по энергетике.

Дмитрий Горбунов: Но когда обсуждают поиски внеземных цивилизаций, экзопланет с целью подходящие для жизни. Есть какое-то утверждение, что если мы встретим новую жизнь – эта жизнь обязательно должна быть углеродная? Или по-другому: а какой был бы следующий «кандидат» после углерода?

Вадим Бражкин: На мой взгляд, никакого. Хоть есть Карл Саган, известный астрофизик, популяризатор (на мой взгляд «раздутый»), который боролся против «углеродного шовинизма» и говорил, что это мы привыкли, что жизнь на углероде, а может быть еще много на чем. На мой взгляд, даже того, что я вам сказал, достаточно, чтобы понять, что структуры на основе других элементов будут в миллиарды раз беднее по количеству и по энергетическому спектру. После того, как мы поверили, что сложные химия, органика и биология могут быть, в основном, на основе углеводородов (мы не будем отметать – вдруг что-нибудь еще), тогда можно сразу сказать: а где эта жизнь может быть? Водородная связь держится в диапазоне от 100 до 1000° Кельвина, не распадается; и атмосферного давления от 0 до 10 000 атмосфер. Если у вас на планете от 100 до 1000° Кельвина, от 0 до 10 000 атмосфер – можете искать сложные бактерии. Таким образом, просто посмотрев на таблицу Менделеева, сказав – здесь стоит водород, он № 1, а тут стоит углерод, он посредине, то можно сразу сказать, что только из них можно создать что-то «хитрое» и интересное.

Дмитрий Горбунов: Спасибо большое, было очень интересно! В физике высоких энергий, которой я занимаюсь, тоже очень любят антропные принципы, но приложение этого принципа в такой физике, где мы на эту физику смотрим с точки зрения фундаментальных констант – они сюда заходят очень нетривиальным образом. Получается исключительно уникальная возможность: положение углерода как базовой основы нашей жизни в принципе.

Вадим Бражкин: Да, потому что «резонанс Хойла» в эти 700 МэВ – там тоже будет комбинация, постоянная планка – что надо.

Дмитрий Горбунов: Просто нетривиальная комбинация так вошла. Спасибо Вам большое!


Подписаться на ОТР в Яндекс Дзене

Комментарии

  • Все выпуски