Ещё одно направление повышения экологической чистоты пиротехники – разработка добавок, которые бы позволили снизить нежелательные выбросы продуктов горения пиротехники в окружающую среду. Первыми кандидатами на замену оказались хлорид меди (компонент синих огней) и соединения бария, дающие пламени зелёную окраску.

Обычно пиротехнические составы, дающие светло-голубое пламя, получают, используя металлическую медь или медьсодержащие вещества в комбинации с источником хлора. Принцип действия составов основан на том, что при высокой температуре хлор реагирует с медью с образованием хлорида меди (I). Другими способами получить полноценное голубое пламя очень сложно. Тот же Томас Клапотке в соавторстве с Джессом Сабатини (Jesse Sabatini), работающим в подразделении пиротехнических составов армии США, смог получить не содержащую хлор смесь химических веществ, которая горит светло-голубым пламенем (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, doi: 10.1002/anie.201405195) и представляет собой практичную альтернативу обычным составам для фейерверков и сигнальных огней.

Новая пиротехническая смесь содержит йодид меди (I), который отличается значительной эмиссией в голубой области видимого спектра. Помимо того что CuI экологичнее существующих пиротехнических составов, новая смесь отличается большей спектральной чистотой, чем традиционные комбинации веществ, которые применяются в пиротехнике.

Работая уже без Клапотке, Джесс Сабатини выяснил, как получить зелёные во всех смыслах пиротехнические составы. Он обнаружил, что при использовании в фейерверках карбида бора получается такая же эффективная зелёная окраска, какую дают применяющиеся в настоящее время в пиротехнических составах производные бария (Angew. Chem. Int. Edn., 2011; doi:10.1002/anie.201007827).

Работа Сабатини началась с того, что он получил от армии США заказ на разработку дешёвой, не содержащей бария альтернативы ручной сигнальной ракете зелёного пламени M125A1, основой состава которой является смесь нитрата бария с поливинилхлоридом. Эта смесь горит зелёным пламенем с образованием хлорида бария.

В поисках кандидатов на новый пиротехнический состав без бария и хлора исследователи обратили внимание на бор. Порошок аморфного бора сгорает зелёным пламенем с образованием оксида бора, однако сгорание аморфного бора происходит слишком быстро, чтобы применять его в пиротехнических составах. Исследователи обнаружили, что скорость горения можно замедлить, добавив к бору аморфному другую аллотропную модификацию – бор кристаллический, но кристаллический бор слишком дорог.

Как отмечает Сабатини, исследователям казалось, что они находятся на грани прорыва, и они решили провести скрининг «экзотических» производных бора. В ставших уже классикой химических статьях 1950-х – 60-х годов Сабатини с соавторами обнаружили информацию о том, что отличающийся крайней химической инертностью при комнатной температуре карбид бора проявляет значительную химическую активность при повышенной температуре. Введение значительных количеств карбида бора в аморфный бор значительно увеличило время горения пиротехнического состава, но, более того, исследователи с удивлением обнаружили, что наиболее эффективным временем горения отличается чистый карбид бора. Не меньшее удивление вызвали эти результаты и у коллеги Сабатини по пиротехнике. Клапотке высоко оценил его работу, отметив, что именно химическая инертность карбида бора в своё время привела к тому, что это соединение не рассматривали как возможный компонент для пиротехнических составов.

Пиротехники ХХI века не обошли вниманием и такой тип взрывчатых веществ, как инициирующие взрывчатые вещества. Основным инициирующим веществом для детонаторов в боеприпасах в настоящее время является токсичный азид свинца.

В наибольшей степени вредное влияние «капсюльного» свинца на окружающую среду проявляется на армейских стрельбищах, где свинец из инициирующих взрывчатых веществ попадает в окружающую среду десятилетиями, из-за чего его концентрация на этих местах приблизилась к критическому уровню, и военнослужащие, равно как и гражданский персонал, обеспечивающий работу стрельбища, регулярно подвергаются воздействию свинца. Инициирующие взрывчатые вещества на основе азида свинца применяются в военных и полицейских боеприпасах, а также в детонаторах, которые применяются в ходе горных разработок. Только в США ежегодно производится около 10 миллионов тонн устройств, содержащих азид свинца, при этом из-за их использования в окружающую среду ежегодно попадает около 350 килограммов свинца.

Инициирующие взрывчатые вещества требуют осторожного обращения не только из-за легкости их детонации, но и из-за того, что свинец, входящий в состав двух наиболее распространенных инициирующих взрывчатых веществ – азида и тринитрорезорцината, отличается высокой токсичностью, канцеро– и тератогенностью, а долговременное использование этих материалов может привести к существенному загрязнению окружающей среды.

Клапотке удалось подобрать ключи к созданию экологически чистых инициирующих ВВ – он с коллегами разработал первичное взрывчатое вещество, не содержащее свинец или другие опасные для окружающей среды тяжелые металлы (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, DOI: 10.1002/anie.201404790).

Единственный металл, присутствующий в новом веществе, которое бабахает, – 1,1"-динитрамино-5,5"-бистетразоляте калия (K2DNABT) – это калий, безопасный как с точки зрения токсикологии человека, так и потенциального урона окружающей среде. Клапотке также добавляет, что в соответствии с результатами лабораторных испытаний новое взрывчатое вещество устойчиво по отношению к ударам, трению и статическому электричеству примерно в такой же степени, как и азид свинца. Ещё одним направлением увеличения экологичности фейерверков и пиротехники является замена сгорающего с образованием целого букета вредной хлорорганики полихлорвинила на менее опасные связующие материалы. В качестве возможной замены рассматриваются даже столь популярные в настоящее время металлоорганические каркасные структуры (Chem. Comm., 2015, DOI: 10.1039/c5cc04174k).

За века и тысячелетия человек приручил огонь, сделал его управляемым, расцветил «огненный цветок» почти всеми цветами радуги, делая его менее опасным и для себя, и для окружающей среды. Сложно сказать, как будет эволюционировать химия взрывчатых веществ и пиротехнических составов далее, но об одном точно можно было бы мечтать: чтобы вся современная пиротехника применялась исключительно для того, чтобы радовать глаз людей на фейерверках, и для решения только мирных задач, – не хотелось бы, чтобы огонь, создавший человеческую цивилизацию и самого человека, послужил бы её разрушению.

1.5. Фуллерены – еще одна разновидность углерода

В 1967 году на Мировой ярмарке в Монреале павильоном американской композиции стало уникальное сооруженное, получившее название «Биосфера». Геодезический купол представлял собой конструкцию из стальных труб, обтянутых полимерной тканью. Внутри располагались 4 стальные платформы, разделенные на 7 уровней. Эти уровни соединял 37-метровый эскалатор – самый длинный из построенных к тому времени. «Биосфера» стала символом Монреаля.

Архитектором, построившим «Биосферу», был Ричард Бакминстер Фуллер, американский архитектор, дизайнер, инженер и изобретатель. Фуллер начал разрабатывать проекты таких невесомых куполов в 1950-е годы. Он надеялся, что его проекты станут основой прочных и при этом легких конструкций. Будучи не только архитектором, но и философом, он верил, что человеческое общество вскоре будет полагаться в основном на возобновляемые источники энергии, такие как электричество из солнечного света и энергии ветра. Он надеялся на наступление эры «всеуспешного образования и обеспеченности человечества». Не удивительно, что открытая через два года после его смерти в 1983 году молекула, строением напоминающая ажурные невесомые конструкции, созданные его воображением, была названа в честь Фуллера.

Открытая в 1985 году аллотропная форма углерода (аллотропными формами называются разные простые вещества, образованные атомами одного элемента – аллотропными формами элемента углерода, например, являются алмаз, графит, фуллерены и графен) получила название «бакминстерфуллерены». Правда, сами первооткрыватели в своей первой статье в журнале Nature признавались в том, что их «немного беспокоит большое количество гласных и согласных в названии». Тем не менее название оказалось оправданным – бакминстерфуллерены, или фуллерены, или бакиболы, первый обнаруженный представитель которых имел формулу С₆₀, очень похожи на каркасные архитектурные проекты Фуллера.

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести– и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов – [60]фуллерен (С₆₀), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С₆₀ принадлежит одновременно двум шести– и одному пятиугольнику, то все атомы в С₆₀ эквивалентны. Следующим по распространённости является фуллерен С₇₀, отличающийся от фуллерена С₆₀ вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область С₆₀, в результате чего молекула С₇₀ оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.

Высшие фуллерены содержат большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить С_n, где n=74, 76, 78, 80, 82 и 84. Когда в состав молекулы фуллерена помимо атомов углерода входят атомы других химических элементов, то если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, а если снаружи – экзоэдральными.

В 1985 году Ричард Смолли и Гарольд Крото сообщили о том, что в углеродной плазме методом масс-спектрометрии (метод, позволяющий измерять молекулярные массы веществ и продуктов их распада) ими были обнаружены сигналы, как тогда казалось, странным образом соответствующие формуле С₆₀. Несмотря на отсутствие в то время иных свидетельств, кроме информации о массе частицы, они предположили, что С₆₀ должны образовывать форму искаженного икосаэдра, и окрестили их бакминстерфуллеренами. Построив модель фуллерена С₆₀, Смолли и Крото пришли к выводу о том, что такая частица должна быть устойчива, поскольку вся объемная клетка С₆₀ представляет собой ароматическую систему, для разрушения которой надо затратить значительное количество энергии.