Энциклопедический словарь нанотехнологий - кластер

Термин на английском

clusterСинонимы

суператомАббревиатуры

Связанные термины

магические кластеры, наночастица, фуллерен, эндоэдральный, матричная изоляцияОпределение

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

Под кластерами в разных областях знания понимают весьма различные объекты. В ядерной физике кластерами называют коррелированные группы элементарных частиц. В информационных технологиях кластер единица хранения данных на дисках компьютеров. В химии и материаловедении под кластерами чаще всего имеют в виду одно из промежуточных по размерам состояний вещества между атомом (молекулой, ионом) и твёрдым телом (наночастицей).

Согласно последней точке зрения, кластер представляет собой группу из небольшого (счетного) и, в общем случае, 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. Минимальное число атомов в кластере равно двум (по другим данным трем). Верхнюю размерную границу кластера можно рассматривать как границу между кластером и изолированной наночастицей; ей отвечает переход от дискретного электронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молекулам, к зонному электронному энергетическому спектру, характерному для твердого тела. Предельным для кластера можно считать такое число атомов, при котором добавление еще одного элемента уже не меняет свойства кластера;  в химии это обычно наблюдается, когда число атомов в группе не превышает одной-двух тысяч. Отличительная особенность кластеров немонотонная зависимость их свойств от числа атомов в кластере.

Основные методы получения кластеров основаны на испарении металлов, сплавов и бинарных соединений с использованием термического, плазменного, электронно-лучевого и лазерного испарения 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 статью 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 существованием кластерных частиц металлов и сплавов, существуют также кластерные соединения, часто именуемые кластерами, 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 (Н, Cl, Br, I, Se и др.), так и группы атомов или молекулы (СО, NO, олефины, арены и др.). Иногда моноатомные лиганды (N, С, Н, Р и др.) расположены внутри полостей металлического остова, имеющего с внешней стороны другие лиганды.

К наиболее известным кластерам относятся упомянутые выше стабилизированные лигандами металлические кластеры MnLm (L – молекула лиганда), коллоидные кластеры, фуллерены Cn (n = 20-540), эндоэдральные фуллерены M@Cn (M – металл, n = 28, 60-84), экзоэдральные фуллерены, например, C60Xn (X = H, I, Br, F, CF3 n = 2-48) , металлокарбогедрены или меткары M8C12 (M переходный металл: Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo и Fe).

• Гусев Александр Иванович, д.ф.-м.н.
• Гольдт Илья Валерьевич, к.х.н.
• Шляхтин Олег Александрович, к.х.н.

Разделы

Искусственные (синтетические) низкоразмерные объекты