Бакиболлы! Хранение водорода в углеродных наноструктурах

Казалось бы, внимание в эти дни приковано к углеродным нанотрубкам и углеродной нанопроводке. Но нельзя забывать и еще одну многообещающую и уникальную углеродную молекулу — бакиболл. Бакиболлы (buckyballs), названные так в честь Бакминстера Фуллера, содержат 60 атомов углерода. Это самая маленькая разновидность шарообразных углеродных молекул, фуллеренов, число атомов в которых может доходить до 2000.

Новое исследование, проведенное Университетом Райса, показывает, что углеродные бакиболлы можно использовать для хранения водорода с плотностью, сравнимой с плотностью ядра Юпитера. Хранение водорода — самая сложная задача, которую только предстоит решить индустрии альтернативных источников энергии. Несмотря на то, что большие надежды на преодоление зависимости от ископаемого топлива возлагаются на водородные топливные элементы и эксперименты в области водородного сгорания, проблемы хранения водорода не дают этим технологиям выйти из лабораторных условий. Водород, сам по себе исключительно легкий, должен храниться с плотностью, превосходящей плотность жидкого водорода, чтобы соревноваться с бензином в плане расстояния, которое машина сможет преодолеть на одной заправке. Задача архисложная.

Исследование, которое будет опубликована в мартовском выпуске Nano Letters, журнала Американского химического общества, финансировалось частично более чем миллиардным грантом на исследования в области хранения водорода от Министерства энергетики США и частично Центром военно-морских исследований. Руководитель проекта Борис Якобсон, профессор механического конструирования в Университете Райса, поражен результатом. «По нашим расчетам, некоторые бакиболлы способны удерживать настолько плотный объем водорода, что тот едва ли не переходит в металлическое состояние, — утверждает он. — Похоже, что при комнатной температуре они могут удерживать водород весом до 8 процентов от собственного, что значительно лучше, чем ориентир в 6 процентов, поставленный властями».

Якобсон признает, что идея хранения водорода в молекулярном контейнере не нова. Еще в прошлом, — соглашается он, — было известно, что бакиболлы могут хранить водород. Тем не менее, исследование Якобсена вместе с Ольгой Пупышевой и Амиром Фараяном, его бывшими аспирантами, впервые предложило метод точного вычисления объема водорода, который смогут, не ломаясь, выдержать микроскопические шары.

Место проведения исследования весьма символично, ведь именно в Университете Райс более 20 лет тому назад были открыты бакиболлы. Объясняя, как столь маленькие шарики могут хранить столько водорода, Якобсон говорит: «Связи между атомами углерода — одни из самых сильных химических связей в природе. Именно эти связи делают алмазы самой твердой в мире субстанцией, и наше исследование показывает, что для деформации или разрыва связей типа углерод-углерод в фуллерене требует колоссальное внутренне давление».

Новой метод вычисления вместительности задействует высокоточное компьютерное моделирование. Модель измеряет силу связей между атомами углерода в бакиболле по мере добавления атомов водорода. Модель универсальна в том смысле, что может быть масштабирована для фуллеренов любого размера. Она не только показывает, сколько водорода может вместить фуллерен, но и симулирует разрыв фуллерена, когда установленная величина оказывается превышена.

По словам Якобсона, наполненные водородом бакиболлы теоретически можно будет хранить в виде порошка. «Они, скорее всего, будут собираться в слабые молекулярные кристаллы или образуют мелкий порошок, — утверждает он. — Использовать их можно будет либо целыми, или же протыкать в определенных условиях для высвобождения чистого водорода для топливных элементов или двигателей другого рода».