"Ничто не ново под Луной" - эту старую истину в очередной раз подтвердила интернациональная группа ученых, показавшая, что в межзвездной среде присутствуют не так уж давно синтезированные в земных условиях углеродные нанолуковицы.

В детективах и в жизни существует такой расхожий сюжет: все подозревают, что некто - мафиози, однако неопровержимо доказать этот факт не удается. То же самое часто бывает в науке - есть вполне обоснованные подозрения, но... Похоже, что в одном из подобных астрономических сюжетов подозрение практически переросло в уверенность.

Начнем с истории. Оглядываясь назад, отчетливо видишь, какой гигантский шаг сделала астрономия (и наука вообще) за истекшее столетие. До начала XX века не было никаких достоверных сведений ни о масштабах Вселенной, ни о ее структуре; астрономы представляли себе космическое пространство как абсолютную пустоту, в которой на огромных расстояниях друг от друга разбросаны звезды. Только в начале прошлого века с помощью оптической спектроскопии было обнаружено существование межзвездной среды : при исследовании спектров двойных звезд были обнаружены линии поглощения, не испытывавшие доплеровского смещения в результате периодического приближения-удаления компонентов двойной системы от Земли. Разумно было предположить, что эти линии связаны не с внешними оболочками движущихся звезд, а с межзвездной средой.

В первой половине XX века основным поставщиком знаний о межзвездной среде оставалась оптическая спектроскопия, потом к ней присоединилась радиоастрономия, а в полную силу изучение межзвездной среды развернулось с развитием внеатмосферной астрономии. Одной из обнаруженных в результате продвижения в ультрафиолетовый диапазон спектральных особенностей, обусловленных наличием межзвездной среды, была линия поглощения в районе 2175 A. Сразу после ее открытия в шестидесятых годах были высказаны предположения, что она связана с какими-то графитоподобными углеродными образованиями. Однако в то время еще не имелось возможности сделать более точное отождествление.

Ситуация изменилась после синтеза в земных условиях фуллеренов и других углеродных наноструктур. Один из их типов, получивший за сходство своего строения с обычным луком название нанолуковиц, оказался под особым подозрением. В пользу "нанолуковичной" гипотезы свидетельствовали, в частности, расчеты, показывающие, что энергия наблюдаемой в спектре поглощения особенности должна совпадать с энергией плазмона для углеродной нанолуковицы (плазмон - квант коллективных электронных возбуждений, плазменных колебаний), т.е. поглощение в межзвездной среде может быть связано с возбуждением плазмонов. Но расчеты расчетами, а эксперименты не давали однозначных свидетельств свидетельств в пользу того, что именно нанолуковицы несут ответственность за эту особенность в спектре поглощения. Были измерены спектры поглощения нанолуковиц, диспергированных в воде, но форма и ширина полосы в спектре поглощения не совпадали с астрономическими данными. Расхождение можно было объяснить (в частности, тем, что изменение диэлектрической проницаемости окружающей среды влияет на энергию поверхностного плазмона), но объяснение отнюдь не является доказательством. В других экспериментах, при моделировании условий в атмосферах звезд в метановой плазме, удавалось получить достаточно хорошее совпадение положения особенности в спектре поглощения с наблюдаемым, однако в этом случае углеродные нанолуковицы оказывались лишь одним из нескольких "подозреваемых"...

Действенным способом борьбы с мафией является широкая международная кооперация, так же успешна она бывает и в науке. В нашем случае для прояснения ситуации объединили свои усилия ученые из нескольких стран - США, Великобритании, Японии и Южной Кореи [1]. "Следственная группа" подошла к делу основательно. Из синтезированных в дуговом разряде между графитовыми электродами, погруженными в воду (или жидкий азот), нанолуковиц (с размерами от 3 до 50 нм) были изготовлены тонкие пленки. Полученные пленки высушивались, часть из них была подвергнута отжигу (при 600 ^oС, время отжига варьировалось). Далее производилось измерение спектров пропускания и отражения полученных при разных условиях тонких пленок из нанолуковиц, нанесенных на кварцевые диски.

Рис. 1. (a) - изображение пленки из водородных нанолуковиц на поверхности кремния, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии; изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения - (b) фрагмент пленки (масштаб - 20 нм), (c), (d) - отдельные нанолуковицы различного размера (диаметром порядка 17 и 5 нм, соответственно).

Ученые показали, что удаление частиц аморфного улерода и графита, а также углеводородов, в процессе отжига (для характеризации пленок использовалось электронная микроскопия (рис.1), атомно- силовая микроскопия, комбинационное рассеяние света, ИК-спектроскопия) приводит к изменению ширины и положения спектральной особенности, и для чистых нанолуковичных пленок ширина и положение линии поглощения хорошо согласуется с тем, что имеет место в межзвездной среде. С помощью спектроскопии потерь энергии электронов ученые исследовали спектр плазмонных возбуждений и установили, что, в отличие от графита, энергия p - плазмона для углеродных нанолуковиц точно совпадает с максимумом линии поглощения межзвездной среды.

Хотя исследователи и не заявили о полном и окончательном решении вопроса, занимавшего астрономов почти сорок лет, но, похоже, дело идет к тому.

1. Manish Chhowalla, H.Wang, N.Sano et al. Phys.Rev.Lett., v.90, 155504 (2003).

Е.Онищенко