КЛА́СТЕРЫ

КЛА́СТЕРЫ, 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 «К.» ис­поль­зу­ет­ся с 1960-х гг. Ус­лов­но К. мож­но раз­де­лить на кла­стер­ные со­еди­не­ния (их обыч­но и на­зы­ва­ют К.) и кла­стер­ные час­ти­цы. В кла­стер­ных со­еди­не­ни­ях ато­мы на по­верх­но­сти кла­стер­но­го яд­ра ко­ор­ди­ни­ру­ют разл. ли­ган­ды; ли­ганд­ное ок­ру­же­ние пре­пят­ст­ву­ет аг­ре­га­ции К., 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 К. со­сто­ит в том, что чис­ло ато­мов на по­верх­но­сти К. со­из­ме­ри­мо с чис­лом ато­мов в объ­ё­ме К. Струк­ту­ры К. от­ли­ча­ют­ся от струк­тур ком­пакт­но­го ма­те­риа­ла, при этом в К. час­то рас­стоя­ния ме­ж­ду ато­ма­ми или мо­ле­ку­ла­ми уве­ли­че­ны (по срав­не­нию с ком­пакт­ным ма­те­риа­лом) и от­сут­ст­ву­ет плот­ная упа­ков­ка. Ин­те­рес к К. обу­слов­лен пре­ж­де все­го тем, что их свой­ст­ва (ме­ха­ни­че­ские, элек­три­че­ские, маг­нит­ные, оп­ти­че­ские, хи­ми­че­ские) от­ли­ча­ют­ся от свойств со­от­вет­ст­вую­ще­го ком­пакт­но­го ма­те­риа­ла. В ча­ст­но­сти, К. ме­тал­лов за­ни­ма­ют про­ме­жу­точ­ное по­ло­же­ние ме­ж­ду изо­ли­ров. ато­ма­ми, кол­ло­ид­ны­ми час­ти­ца­ми и ком­пакт­ны­ми ме­тал­ла­ми. Изу­че­ние К. по­зво­ля­ет про­сле­дить из­ме­не­ние в свой­ст­вах при из­ме­не­нии чис­ла ато­мов в кла­сте­ре.

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

К. 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 К. с ши­ро­ким рас­пре­де­ле­ни­ем по раз­ме­рам. Хи­мич. ме­то­ды син­те­за кла­стер­ных час­тиц ос­но­ва­ны на тер­мич. или фо­то­хи­мич. раз­ло­же­нии ком­плек­сов ме­тал­лов (напр., кар­бо­ни­лов ме­тал­лов) или вос­ста­нов­ле­нии со­лей ме­тал­лов.

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

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