Роберт Керл: спектроскопист, нашедший углеродный футбольный мяч

Роберт Керл (Robert Curl) провел большую часть своей карьеры, прислушиваясь к вибрациям нестабильных молекул с помощью микроволновой и инфракрасной спектроскопии — работе, о которой немногие знали за пределами химических факультетов. Затем, в течение одиннадцати дней в сентябре 1985 года, взятый на время лазерный аппарат и случайный пик на масс-спектрографе позволили ему обнаружить молекулу настолько симметричную, что она казалась скорее спроектированной, чем открытой, — и принесли ему Нобелевскую премию одиннадцать лет спустя. Мальчик, который когда-то испортил фарфоровую печь своей матери флаконом азотной кислоты из химического набора, в конечном итоге переписал наши представления о том, чем может быть углерод.

Сын проповедника с набором для химии

Керл родился 23 августа 1933 года в Алис, штат Техас, в семье методистского священника, чьи миссионерские назначения заставляли семью постоянно переезжать по южному и юго-западному Техасу. Набор для химии, подаренный ему в девять лет, определил направление его жизни, несмотря на домашний ущерб, который он причинил. Он закончил среднюю школу Томаса Джефферсона (Thomas Jefferson High) в Сан-Антонио и выбрал для обучения колледж Райса (Rice Institute) — по его собственным словам, его в равной степени привлекли бесплатное обучение, футбольная команда и химический факультет. Там он получил степень бакалавра в 1954 году, затем отправился в Беркли для получения докторской степени под руководством Кеннета Питцера (Kenneth Pitzer), изучая инфракрасную спектроскопию углов связей дисилоксана, после чего последовала постдокторская стажировка в Гарварде с Э. Б. Уилсоном (E. B. Wilson), где он исследовал вращательные барьеры молекул с помощью микроволновой спектроскопии. В 1958 году он вернулся в Райс в качестве молодого преподавателя, унаследовав оборудование и аспирантов уходящего профессора, и остался там на всю оставшуюся жизнь.

Десятилетия в спектроскопических дебрях

Почти три десятилетия лабораторная работа Керла была сосредоточена на микроволновой и инфракрасной спектроскопии свободных радикалов и небольших нестабильных частиц, таких как диоксид хлора, — это была точная, техническая, неброская наука, направленная на понимание молекулярной структуры через тонкие и сверхтонкие детали того, как молекулы поглощают и излучают свет. Это была кропотливая работа с приборами, которая приучает ученого замечать, когда сигнал ведет себя не так, как предсказывает теория. Эта привычка к внимательности оказалась важнее, чем кто-либо мог предположить.

Одиннадцать дней, открывших новую форму углерода

В сентябре 1985 года британский химик Гарольд Крото (Harold Kroto) приехал в Райс, чтобы одолжить аппарат лазерного испарения, который коллега Керла Ричард Смолли (Richard Smalley) построил для изучения полупроводниковых кластеров, надеясь воссоздать богатые углеродом условия красного гиганта и получить длинные углеродные цепи. Керл присоединился к работе, трудясь бок о бок с Крото, Смолли и аспирантами Джеймсом Хитом (James Heath) и Шоном О'Брайеном (Sean O'Brien). Испаряя графит интенсивным лазерным импульсом, команда получила свои углеродные цепи, но масс-спектрометр также показал нечто неожиданное: подавляющий доминирующий пик, соответствующий кластеру ровно из шестидесяти атомов углерода, с меньшим пиком-спутником на семидесяти. Одинокое число, столь инертное и заметное, означало закрытую, симметричную, химически стабильную «клетку», а не открытую цепь. В течение следующих одиннадцати дней группа установила, что единственная геометрия, соответствующая данным, — это форма футбольного мяча из шестиугольников и пятиугольников; такой же узор архитектор Бакминстер Фуллер (Buckminster Fuller) использовал в своих геодезических куполах. Они назвали молекулу бакминстерфуллереном (buckminsterfullerene). Конкретный вклад Керла заключался в оптимизации условий испарения углерода, что сделало сигнал таким чистым, и в спектральном анализе, который помог установить структуру. Это открытие открыло совершенно новую ветвь химии углерода — фуллерены, к которым позже добавились углеродные нанотрубки, — и в 1996 году Керл разделил Нобелевскую премию по химии с Крото и Смолли «за открытие фуллеренов».

После премии

Керл был прямолинеен относительно того, что он делал дальше: по его словам, «после получения Нобелевской премии вы можете либо стать научным прорицателем, либо у вас может появиться идея для новой науки», которой стоит заняться. Он выбрал последнее, перенаправив свою лабораторию на приборы для генотипирования и секвенирования ДНК, а позже на фотоакустические датчики следовых газов, построенные на основе квантово-каскадных лазеров — прикладная наука создания инструментов в духе его спектроскопической подготовки. Он также служил первым мастером колледжа Ловетт (Lovett College) в Райсе, взяв на себя ту роль институционального наставника, которую часто просят исполнять нобелевских лауреатов. Когда президент Райса спросил, чего он хочет после объявления о Нобелевской премии, просьба Керла была характерно скромной: стойка для велосипедов ближе к его офису и лаборатории, так как он ежедневно ездил на работу на велосипеде. Он ушел из Райса в 2008 году в возрасте 74 лет в звании почетного профессора, будучи избранным в Национальную академию наук и Американскую академию искусств и наук и получив по пути такие награды, как премия Александра фон Гумбольдта для выдающихся американских ученых и Столетняя медаль Королевского химического общества.

Частная жизнь, построенная на рутине

Керл женился на Джонел Уиппл (Jonel Whipple) в 1955 году, и вместе они вырастили двоих детей за почти семь десятилетий брака. Коллеги запомнили его не громкими заявлениями, а постоянными привычками: ежедневные поездки на велосипеде, еженедельная игра в бридж с «Бридж-бригадой» (Bridge Brigade) Райса — то же расположение к терпеливому, повторяющемуся вниманию, которое служило ему в спектроскопической лаборатории тридцать лет, прежде чем фуллерены вообще появились на экране.

Почему Роберта называют гением

Нобелевская премия Керла была дана не за вспышку теоретического блеска, а за нечто более узкое и, по-своему, более трудное для подделки: натренированный навык восприятия, позволяющий распознать, что один неожиданный пик на масс-спектрографе означает нечто, что упустила вся область. Это форма экспертного распознавания образов, выстроенная за десятилетия неброской спектроскопической работы, а не вдохновенная догадка. Сам Керл приписывал одиннадцатидневный рывок к структуре подлинным командным усилиям с Крото, Смолли, Хитом и О'Брайеном, и формулировка Нобелевского комитета была коллективной, приписывающей «их открытие», а не одно озарение. Честный контраргумент стоит высказать прямо: бакминстерфуллерен был, по словам каждого участника, случайной находкой в эксперименте, направленном на совершенно иное, и Керл был одним из трех равноправных лауреатов Нобелевской премии, а не одиноким визионером. То, что заслуживает ему такой ярлык, менее романтично, чем обычно подразумевает слово «гений», — это дисциплина инструментальной точности длиною в карьеру, которая позволила ему в реальном времени увидеть, что аномалия в данных была новой формой материи, а не шумом.

Наследие

Бакминстерфуллерен положил начало направлению углеродных материалов в нанотехнологиях, от химии фуллеренов до углеродных нанотрубок, а статус Национального исторического химического памятника, присвоенный Райсу в 2010 году, отмечает место, где это произошло. Керл скончался 3 июля 2022 года в Хьюстоне в возрасте 88 лет, запомнившись не как знаменитый ученый, а как работающий спектроскопист, который оказался в нужном месте, с нужным инструментом и нужным взглядом на аномалии, когда углерод раскрыл форму, которую никто не приписывал ему раньше.