Кластеры

КЛАСТЕРЫ, группировки близко расположенных и связанных друг с другом атомов, молекул или ионов; каждая такая группа может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами. В химии понятие «кластеры» используется с 1960-х годов. Условно кластеры можно разделить на кластерные соединения (их обычно и называют кластеры) и кластерные частицы. В кластерных соединениях атомы на поверхности кластерного ядра координируют различные лиганды; лигандное окружение препятствует агрегации кластеров, поэтому кластерные соединения могут быть получены в индивидуальном виде. Кластерные частицы - особое состояние вещества, занимающее промежуточное положение между кластерными соединениями и компактными материалами; из-за отсутствия лигандного окружения являются метастабильными и легко агрегируют, образуя компактный материал.

Характерная особенность кластеров состоит в том, что число атомов на поверхности кластеров соизмеримо с числом атомов в объёме кластера. Структуры кластеров отличаются от структур компактного материала, при этом в кластерах часто расстояния между атомами или молекулами увеличены (по сравнению с компактным материалом) и отсутствует плотная упаковка. Интерес к кластерам обусловлен, прежде всего, тем, что их свойства (механические, электрические, магнитные, оптические, химические) отличаются от свойств соответствующего компактного материала. В частности, кластеры металлов занимают промежуточное положение между изолированными атомами, коллоидными частицами и компактными металлами. Изучение кластеров позволяет проследить изменение в свойствах при изменении числа атомов в кластере.

Проведение экспериментов с метастабильными индивидуальными кластерами, как правило, связано с трудностями получения кластеров одинакового состава и пространственного строения. Большинство экспериментов по получению кластеров выполнено в газовой фазе. Безлигандные кластеры в газовой фазе представляют собой термодинамически нестабильные частицы, которые легко агрегируют или диссоциируют. Кластеры, образовавшиеся в газовой фазе, могут быть стабилизированы в среде растворителя и в различных матрицах.

Кластеры  получают путём испарения исходного материала и последующей конденсации паров или из массивного материала диспергированием. Один из наиболее часто используемых способов испарения твёрдого вещества - лазерная абляция (испарение при действии интенсивного лазерного излучения). Лазерная абляция является эффективным методом для получения кластерных частиц даже тугоплавких металлов. При конденсации паров металлов в среде инертного газа на подложку, охлаждаемую до очень низких температур, происходит матричная изоляция атомов металлов. При повышении температуры интенсивно идут процессы агрегации атомов металлов с образованием кластерных частиц; однако при этом, как правило, образуются кластеры с широким распределением по размерам. Химические методы синтеза кластерных частиц основаны на термическом или фотохимическом разложении комплексов металлов (например, карбонилов металлов) или восстановлении солей металлов.

Под действием УФ-излучения или электронного пучка большой энергии происходит ионизация кластеров. Ионизованные кластеры изучают масс-спектрометрическим методом, что позволяет определить точный состав кластеров, а также относительное содержание кластеров различного состава. Изучение распределения относительного содержания кластеров показывает, что некоторые из них особенно стабильны. Кластеры, атомы в которых связаны ван-дер-ваальсовыми или другими силами, зависящими от расстояния между атомами, наиболее стабильны, если атомы образуют каркасные структуры с икосаэдрической симметрией. Первые три члена гомологического ряда икосаэдрических кластеров состоят соответственно из 13, 55 и 147 атомов. Такие кластеры стабильны для инертных газов, а также получены в виде кластерных соединений, например [Au₁₃Cl₂(PMe₂Ph)₁₀]³⁺, [Au₅₅(PPh₃)₁₂Cl₆]. Для щелочных металлов наиболее стабильными являются кластеры, содержащие 8, 20, 40 атомов металла. Примером устойчивых кластерных структур являются кластеры углерода - фуллерены, углеродные нанотрубки.

Исследование кластеров металлов представляет большой интерес, поскольку все процессы формирования плёнок, покрытий, роста кристаллов происходят через образование кластерных частиц. Изучение кластеров необходимо для развития нанотехнологий. На основе кластеров созданы кластерные материалы, в том числе полупроводники, сверхпроводники, катализаторы, полимеры со специальными свойствами.

Лит.: Коттон Ф. Х. А., Уолтон Р. У. Кратные связи металл - металл. М., 1985; Губин С. П. Химия кластеров. Основы классификации и строение. М., 1987.