кластер (англ. cluster) — (от англ. cluster — рой, скопление) — компактная обособленная группа связанных друг с другом атомов, молекул или ионов, которая обладает свойствами, в той или иной степени отличными от свойств составляющих ее элементов.

Описание

Под кластерами в разных областях знания понимают весьма различные объекты. В ядерной физике кластерами называют коррелированные группы элементарных частиц. В химии и материаловедении под кластерами чаще всего имеют в виду одно из промежуточных состояний в организации вещества между одиночным атомом (молекулой, ионом) и твердым телом (наночастицей).

Согласно последней точке зрения, кластер представляет собой группу из небольшого, нередко переменного, числа взаимодействующих атомов, ионов или молекул. В зависимости от типа объединяемых частиц, кластеры подразделяют на атомные, ионные и молекулярные; в зависимости от состава — на металлические, углеродные и т. д. К кластерам имеет смысл относить частицы такого размера, для которых наблюдаемые свойства существенно отличаются от свойств макрообъекта или наблюдаемо меняются при добавлении еще одного составляющего элемента. Например, можно говорить об электронном спектре еще дискретного, а не зонного типа. Таким образом, речь идет о частицах размером не более одной-двух тысяч атомов, часто — заметно меньше. При этом может наблюдаться немонотонная зависимость свойств от размера кластера, в особенности для небольших кластеров, где при разных размерах могут проявляться различные конкурирующие структурные типы.

Большинство методов получения металлических кластеров основаны на испарении металлов, сплавов и бинарных соединений при помощи термического, плазменного, электронно-лучевого и лазерного воздействия с последующей конденсацией. Основным требованием к условиям конденсации является обеспечение высокой скорости зародышеобразования при минимальной скорости роста образующихся частиц, что может быть реализовано при максимальной скорости охлаждения конденсируемых паров (сверхзвуковое истечение пара металла в вакуум, испарение в разреженной атмосфере инертного газа и пр.). При синтезе и исследовании кластеров активно используется метод низкотемпературной матричной изоляции (см. также криохимия). Существование кластеров возможно и в газовой фазе; строение и состав кластеров при этом могут заметно отличаться от свойств кластеров в конденсированном состоянии. Для исследования процессов кластерообразования в этом случае активно используется масс-спектрометрия и различные спектроскопические методы анализа газовой фазы.

Наряду с кластерными частицами металлов и сплавов, существуют также кластерные соединения, в которых металлическое ядро стабилизировано лигандами, иногда весьма сложного химического состава. Молекулы таких соединений содержат окруженный лигандами остов из атомов металлов, находящихся на расстояниях до 0,35 нм, допускающих прямое взаимодействие металл-металл. По числу атомов металла, образующих остов кластерного соединения, нуклеарности (q), кластеры делят на малые (q = 3–12), средние (q = 13–40), крупные (q = 41–100) и сверхкрупные, «гигантские» (q > 100). Кластерные соединения характерны как для переходных металлов, так и для многих непереходных элементов. Известны гомометаллические кластеры, остов которых состоит из атомов одного металла, и гетерометаллические кластеры, содержащие в остове атомы двух, трех и более металлов. Металлический остов в молекулах кластеров покрыт плотным слоем лигандов, как концевых, так и мостиковых. Лигандами могут быть как отдельные атомы (H, Cl, Br, I, Se и др.), так и группы атомов или молекулы (CO, NO, олефины, арены и др.). Иногда моноатомные лиганды (N, C, H, P и др.) расположены внутри полостей металлического остова, имеющего с внешней стороны другие лиганды.

Еще одним важным классом кластерных соединений являются кластеры полупроводниковых веществ, например, селенидов или теллуридов кадмия. Синтез таких кластеров может осуществляться традиционными растворными методами металлоорганической химии, посредством травления макроскопических частиц материала, а также с помощью пористых матриц, для получения частиц нужного размера. Как и в предыдущем случае, химическая устойчивость таких кластеров может достигаться посредством защиты их поверхности органическими лигандами или поверхностно-активными веществами (ПАВ). Подобные кластеры могут использоваться в качестве квантовых точек, в частности — голубых светоизлучающих диодов, а также люминесцентных меток или объектов. В целом возможные применения металлических или полупроводниковых кластеров включают катализ, создание наноэлектронных устройств и метаматериалов, основанных на их пространственно упорядоченных массивах, например, фотонных кристаллов.

Среди других важных типов кластеров можно упомянуть коллоидные кластеры, фуллерены Cn (n ≥ 20) и их внешнесферные производные, эндоэдральные фуллерены M@Cn, металлокарбогедрены или меткары составом M8C12 (M — переходный металл: Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo и Fe), а также «неорганические фуллерены» — многослойные полиэдры из сульфидов молибдена или вольфрама и некоторых неорганических оксидов и галогенидов, часть которых проявляет высокие смазочные характеристики.

Иллюстрации

Молекулярный кластер Ti8C12 со структурой додекаэдра. Синим обозначены атомы т
Молекулярный кластер Ti8C12 со структурой додекаэдра. Синим обозначены атомы титана, красным - атомы углерода.

Авторы

  • Гольдт Илья Валерьевич
  • Гусев Александр Иванович
  • Шляхтин Олег Александрович

Источники

  1. Золи // Химическая энциклопедия. Т. 2. — М.: Советская энциклопедия, 1990. С. 400–403.
  2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2007. — 416 с.
  3. Gusev A. I., Rempel A. A. Nanocrystalline Materials. — Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. — 351 p.

Напишите нам