Фуллерены в природе

Фуллерены в небольших количествах обнаружены в природных минералах (шунгитовые породы), метеоритах и межзвездных газах (см. Бусек, 1992;Чибанте, Хейманн, 1993; Беккер, 1994; Хейманн, Дженнескинс, 2003). Шунгиты сформировались около 2 млрд лет назад и получили название от поселка Шуньга. Содержание углерода в шунгитовых породах меняется от 1 до 70%, в отдельных жилах и вкраплениях – до 98%. Углерод находится в виде глобул размером около 10 нм, не имеет кристаллической структуры и, как считается, не способен к графитизации.

Крупнейшее в мире разведанное месторождение шунгита – Зажогинское – находится вблизи поселка Толвуй и содержит 150 млн т. Суммарные прогнозные ресурсы шунгитовых пород в Карелии превышают 2 млрд т. В 2004 г. добывалось 80 тыс. т породы в год, карьер на залежи Максовская (утвержденные запасы 30 млн т) имеет мощность 300 тыс. т.

В земных условиях под действием атмосферного озона и УФ-излучения фуллерены деградируют, однако могут сохраняться очень длительное время, если защищены какой-либо породой. Сообщение, появившееся в 1992 г., об обнаружении фуллеренов в карельских шунгитах поначалу вызвало сенсацию. Однако тщательные исследования показали, что концентрация фуллеренов в шунгитах составляет всего (1– 10)·10^-4%, что исключает возможность экономичного извлечения фуллеренов.

С наличием в шунгитах фуллеренов некоторые энтузиасты связывают целебное действие открытых в 1714 г. Кончезерских марциальных вод, которыми лечился Петр Великий в 1719–1724 гг. Имеются предположения, что к молекулам фуллеренов в шунгитах присоединены какие-то органические радикалы, которые позволяют фуллеренам образовывать водные растворы с концентрацией до 30–50 мг/л. Правда, более тщательные исследования показали, что одни месторождения шунгитов действительно содержат фуллерены, в то время как другие – лишь сажистые вещества. А кончезерские воды – что реально установлено еще в XVIII в. – содержат сульфат натрия и соли железа.

Шунгитовые породы с фуллеренами обнаружены и в других областях России.

Условия образования фуллеренов на Земле могут быть жесткими (плутон, т. е. изверженные породы, Бени-Бушера в Марокко) или мягкими (шунгиты Карелии, Бельтауский плутон в Узбекистане). Жесткие, шоковые условия возникают при извержениях вулканов, ударах молнии и падении астероидов. Для образования фуллеренов из углеродсодержащих песчаников необходимо, чтобы развиваемое при встрече астероида с поверхностью Земли давление составляло не менее 27 – 30 МПа, а температура составляла не ниже 2500 – 3000 ^оС.

В ничтожных количествах фуллерены содержатся даже в саже керосиновых ламп.

Поиск фуллеренов в метеоритах обусловлен интересом астрономов и астрофизиков к возможности их образования в атмосфере звезд. Предполагается, что некоторые диффузные полосы, обнаруженные в спектрах межзвездных облаков, могут быть обязаны своим происхождением ионам С₆₀⁺ и фуллеранам. Результаты исследований метеоритов типа углеродистых хондритов (в частности, метеорита Альенде) противоречивы. Ясно только, что если фуллерены и содержатся в метеоритах, то их концентрация весьма мала и не превышает 10^-5 мас.%, а распределены они в массе метеоритов крайне неравномерно.

Некоторые фуллерены космического происхождения содержат благородные газы, в частности гелий, и могли образоваться в так называемых углеродных звездах. Предполагается даже, что газонаполненные фуллерены сыграли определенную роль в эволюции атмосферы Земли.

Появились свидетельства того, что в «метеоритных» фуллеренах содержится в основном изотоп ³Не, имеющий космическое происхождение (выделяющийся из земной коры гелий представлен изотопом ⁴Не). В работах сотрудников Калифорнийского университета (Санта-Барбара, США) и других исследовательских центров США, которые первыми измерили соотношение изотопов гелия в метеоритах, развиваются очень интересные идеи относительно истории Земли. Возраст метеорита Альенде оценивается в 4,6 млрд лет, что значительно больше возраста самой Земли. «Метеоритные» фуллерены были обнаружены в отложениях, возникших на границе Пермского и Триасового периодов. Предполагается, что падение в тот период космического тела вызвало катастрофические последствия и гибели большинства представителей тогдашней флоры и фауны (в частности, динозавров).

Фуллерены космического происхождения были обнаружены в России (Сибирь), Китае (Мейшань), Японии (Сасаяма) и на других территориях.

В образцах лунного грунта обнаружить фуллерены не удалось. Предполагается, что образование фуллеренов из лунного углерода протекает крайне медленно либо что образующиеся фуллерены разлагаются очень быстро и не могут накапливаться.